《S参数仿真》PPT课件
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❖ 噪声输入端口(Noise input port):设定噪声 分析时噪声的输入端口。
❖ 噪声输出端口(Noise contributors):设定噪 声分析时噪声的输出端口。
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❖ 噪声来源分析(Noise contributors):设定 噪声分析时各噪声来源的分类方法。
❖ 噪声显示的动态范围(Dynamic range to display):设定噪声显示的范围
❖ 12)输入导纳控件(Yin):用于在仿真结果中添加仿真电路输入导纳的数 据组。用户在仿真结束后可以直接在数据显示窗口中查看仿真电路或仿 真网络的输入导纳。
❖ 13)输入阻抗控件(Zin):用于在仿真结果中添加仿真电路输入阻抗的数 据组。
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❖ 14)史密斯圆图控件:是射频电路分析中最有效和最直观的工具。ADS 提供各种史密斯圆图工具,如各种增益圆图、噪声系数原图和稳定性原 图等。用户可以在原理图中通过这些控件计算相应数据,并将这些数据 添加到仿真结果中。
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2
❖ 9.1 S参数仿真基本原理及功能 ❖ 在低频电路中,元器件的尺寸相对于信号的波长而言可以忽略(通常
小于波长的1/10),这种情况下的电路被称为节点(Lump)电路,此时 可以采用常规的电压、电流定律来进行电路计算。
❖ 但是在高频/微波电路中,由于波长较短,组件的尺寸就无法再被视 为一个节点,某一瞬间组件上所分布的电压、电流会不一致。因此基本 的电路照论不再适用,而必须采用电磁场理论中的反射及传输模式来分 析电路。元器件内部电磁波的进行波与反射波的干涉使电压和电流失去 了一致性,电压电流比为稳定状态的固有特性也不再适用,取而代之的 是“分布参数”的特性阻抗观念,此时的电路以电磁波传送与反射为基 础要素,即反射系数、衰减系数、传送的延迟时间。
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❖ (2)Parameters:S参数仿真中的参数计算、 频率转换、仿真状态信息显示和仿真结果 保存等参数,用户可以通过[Parameters] 选项户进行设置,如图所示。
❖ 参数计算(Calculate):设置仿真过程中计 算的参数,包括S参数、Y参数、Z参数和 群延时参数。用户可以选中需计算的参 数, 仿真结束后可以在仿真结果中查看这个参 数。
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❖ 9.5 S参数仿真实例 ❖ 本节将通过案例进一步强调S参数仿真过程中参数设置、优化及数据
输出等相关内容,使读者对S参数仿真有更全面的认识。 ❖ [案例9-2]理想元件电路搭建及仿真。 ❖ 1.基本S参数仿真 ❖ 1)创建原理图
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❖ 2)计算群延时 群延时可以通过测量端口问信号传输时间来得到。对行
为特性要求严格的器件(如放大器和滤波器),通常采用群延时分析相位 失真。
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❖ 3)线性噪声仿真
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SP,并放置在电路图设计窗口中。 ❖ (4)双击S参数仿真控制器,在[Frequency]选项卡中对交流仿真中频率
扫描类型和扫描范围等进行设置。 ❖ (5)如果扫描变量较多,则需要在“Simulation-S_Param”元件面板中
选择“PARAMETER SWEEP”控件,在其中设置多个扫描变量,以及 每个扫描变量的扫描类型和扫描参数范围等。
❖
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❖ (6)如果需要计算电路的群延时特性,则需要在S参数仿真控制器参数设 置窗口中选择[Parameters]选项卡,在“Calculate”项中选中“Group delay”,允许在仿真中计算群延时参数。
❖ (7)如果需要对电路进行线性噪声分析,则需要在S参数仿真控制器参数 设置窗口的[Noise]选项卡中选小“Calculate noise”项,允许在仿真中计 算线性噪声,然后分别设置噪声的输入端口、输出端口、噪声来源分类 方式、噪声的动态范围和噪声带宽等内容。
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❖ 6)终端负载 终端负载(Term)如图所示,用于定义端口标号及设定各端
口终端负载阻抗。 ❖ 7)最大增益控件 最大增益控件〔MaxGain)如图所示,用于在仿真结
果中添加仿真电路的最大增益数据组。
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❖ 8)功率增益控件(PwrGain):用于在仿真电路中添加仿真电路功率增益
❖ 一般地,利于一个有Y、Z和S参数的网络是可以实际测量和分析的,
其个Y称为导纳系数,Z称为阻抗参数,S称为散射参数。Z和Y参数对于
集总参数电路分析非常有效,各参数可以很方便地测试。但是在微波系
统中,由于确定非TEM波电压、电流的困难性,而且在微波频率测量电
压和电流中也存在实际困难,因此在处理高频网络时,等效电压和电流,
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❖ S参数仿真的主要功能包括以下5个方面: ❖ 获得器件或电路的S参数,并可以将该参数转换成Y参数或Z参数。 ❖ 仿真群延时 ❖ 仿真线性噪声 ❖ 分析频率改变对小信号的影响 ❖ 仿真混频器电路的S参数
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❖ 9.2 S参数仿真面板与仿真控制器 ❖ ADS中有专门针对S参数仿真的元件面板,在“Simulation-S_Param”
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❖ 2.S参数在电路仿真中的应用 ❖ ADS仿真器中都可以找到S参数模块,用户可以对每个S参数进行设置
完成相应的仿真。同时,用户也可以通过网络分析仪对要生产的PCB进 行精确的S参数测量。用户还可以采用元器件厂家提供的S参数进行仿真, 当电容器安装在不同类型的PCB时,电容器会因为安装焊盘和电路板材 料(如厚度、介电常数等)而存在不同的谐振频率。固态器件也会遇到类 似问题(如LNA应用中的晶体管)。为避免这些问题,最好在实验室中测 量S参数。但无论如何,为了进行射频系统仿真,无法回避使用S参数模 型,无论这些数据是来自设计师的亲自测量,还是直接从元器件厂家获 得,这是由高频电子电路的特性所决定的。
S12
❖ 二端口网络有4个S参数,Sij表示能量从J口注入,在i口测得的能量,如S11定
义为从Port1口反射的能量与输入能量比值的平方根,也经常被简化为等效反射
电压和等效入射电压的比值,各参数的物理含义和特殊网络的特性如下所述。
❖ S11 :端口2匹配时,端口1的反射系数 ❖ S22:端口1匹配时,端口2的反射系数 ❖ S12;端口1匹配时,端口2到端口1的反向传输系数 ❖ S21:端口2匹配时,端口1到端口2的正向传输系数 ❖ 对于互易网络S21=S12;对于对称网络S11=S22;对于无耗网络(S11)2+(S22)2=1
❖ 频率转换(Frequency Conversion);决定是 否允许进行频率转换。如果选中此项,则 可以执行带有频率转换的S多数仿真。
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❖ 仿真状态显示(Status level):设置仿真状 态窗口中显示信息的多少。其中,“0”表 示显示很少的仿真信息,“1”和“2”表示 显示正常的仿真信息,“3”和“4”表示显 示较多的仿真信息。
有直流仿真的工作点值,如电流、电压、
功率和线性器件参数。
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❖ 3)Noise:在S参数仿真卡同样可以进行噪声 分析,噪声分析的相关参数可以通过[Noise] 选项产进行设置,如图所示。
❖ 是否执行噪声分析(Calculate):用S参数仿真 过程中是否执行噪声分析, 如果选择不执行噪声分 析,[Noise]选项卡中的其他参数设置无效。
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3
❖ 分布参数电路采用场分析法,但场分析法过于复杂,因此需要一种简 化的分析方法。微波网络法广泛运用于微波系统的分析,是一种等效电 路法,在分析场分布的基础上,用电路的分析方法将微波元件等效为电 抗或电阻器件,将实际的导波传输系统等效为传输线,从而将实际的微 波系统简化为微波网络,将“场”的问题转化为“路”的问题来解决。
❖ 噪产带宽(Bandwidth):设定噪声分析带宽
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❖ 2)S参数仿真测试平台控件 (SP Lab):它专门用于建立S参数仿真的测
试平台,其参数与S参数仿真控制器参数相同。
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❖ 3)参数扫描计划控制器(SWEEP PLAN):主要用于设置仿真中的参数扫 描计划。用户可以通过该控制器添加一个或多个扫描变量,并制定相应 的扫描计划。
❖ 器件的操作点信息设置(Device operating
point level):设置数据文件是否保存原理
图中的有源器件和部分线性器件的操作点。
其中,“None”表示不保存有源器件和部
分线性器件的操作点相关系数,“Brief”
表示仅保存部分元件的电流、功率和一些
线性器件的参数。 “Detailed”表示保存所
类元件面板中提供了所有S参数仿真需要的控件,如图所示。
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❖ 1)S参数仿真控制器S参数仿真控制器(SP):是控制S参数仿真最主要的
控件。可以设置S参数仿真的频率扫描范围;仿真执行参数和噪声分析 相关参数等。
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❖ 双击S参数仿真控制器,弹出参数设置
选项卡,可以通过该选项卡对SP参数进 行设置。 ❖ (1)Frequency:S参数仿真要在一定 频率范围内执行,因此在S参数仿真执 行前通过S参数仿真控制器设置窗口中 的[Frequency]选项卡对频率参数进行 设置,如图所示。
能对N端口网络进行完善的描述。阻抗和导纳参数反映了端口的总电压 和电流的关系,而散射参数是反映端口的入射电压波和反射电压波的关 系。散射参数可以直接用网络分析仪测量得到,而且可以用网络分析法 来计算。
❖ 下面以二端口网络为例说明S参数的含义,如图所示。
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5
Байду номын сангаас
S21
S11 Port1
S22 Port2
第九讲 S参数仿真
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1
❖ 在进行射频/微波电路设计时,节点电路理论已不再适用,需要采用分
布参数电路的分析方法。这时可以采用复杂的场分析法,但更多的是采 用微波网络法来分析电路。对于微波网络而言,最重要的参数就是s参数。 在PC平台迈入GHz阶段之后,从计算机的中央处理器、显示界面、存储 器总线到I/O接口,全部进入高频传送的阶段,所以现在不仅在射频微 波电路设计时需要了解S参数相关知识,在计算机系统甚至消费电子系 统的设计时也需要对相关知识有所掌握。本章通过实例介绍ADS2009 实现S参数仿真的原理和方法。
以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。与直接测量入射波、反射波及
传输被概念更加一致的是散射参数,即S参数矩阵,它更适合于分布参
数电路。
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4
❖
S参数是建立在入射波、反射被关系基础上的网络参数,适于微波
电路分析,以器件端口些反射信号,以及从该端口传向另一端口的信号
来描述电路网络。同N端口网络的阻抗产导纳参数一样,用散射参数也
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❖ 4)参数扫描控制器 (PARAMETER SWEEP):用于设定仿真中的扫描参 数。该控制器设定的扫描参数可以在多个仿真实例中使用。
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❖ 5)S参数仿真设置控制器 (OPTIONS) 主要用于进行:S参数仿真时环
境温度、设备温度、仿真的收敛性、仿真的状态提示和输出文件特性等 相关参数的设置。
❖ (8)设置完成后,执行仿真。 ❖ (9)在数据显示窗口中查看仿真结果。
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❖ 9.4 ADS中S参数仿真案例 ❖ 本节通过案例米简单说明S参数仿真的一般过程。 ❖ [案例9-1] 建立并执行运放的S参数及相关内容仿真 ❖ 1)S参数仿真
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的数据组。 ❖ 9)电压增益控件(VoltGain):用于在仿真结果中添加仿真电路电压增益
的数据组。 ❖ 10)电压驻波比控件(VSWR):用于在仿真结果中添加仿真电路各端口电
压驻波比的数据组。
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❖ 11)增益波纹控件(GainRipple):用于在仿真结果中添加仿真电路增益波 纹的数据组。
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❖ 9.3 S参数仿真的一般过程 ❖ (1)选择器件模型并建立电路原理图。 ❖ (2)确定需要进行S参数仿真的I/O端,并在“Simulation-S Param”元
件面板中选择终端负载控件Term分别连接在电路的I/O端口。 ❖ (3)在“Simulation-S_Param”元件面板列表中选择S参数仿真控制器
❖ 噪声输出端口(Noise contributors):设定噪 声分析时噪声的输出端口。
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❖ 噪声来源分析(Noise contributors):设定 噪声分析时各噪声来源的分类方法。
❖ 噪声显示的动态范围(Dynamic range to display):设定噪声显示的范围
❖ 12)输入导纳控件(Yin):用于在仿真结果中添加仿真电路输入导纳的数 据组。用户在仿真结束后可以直接在数据显示窗口中查看仿真电路或仿 真网络的输入导纳。
❖ 13)输入阻抗控件(Zin):用于在仿真结果中添加仿真电路输入阻抗的数 据组。
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❖ 14)史密斯圆图控件:是射频电路分析中最有效和最直观的工具。ADS 提供各种史密斯圆图工具,如各种增益圆图、噪声系数原图和稳定性原 图等。用户可以在原理图中通过这些控件计算相应数据,并将这些数据 添加到仿真结果中。
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❖ 9.1 S参数仿真基本原理及功能 ❖ 在低频电路中,元器件的尺寸相对于信号的波长而言可以忽略(通常
小于波长的1/10),这种情况下的电路被称为节点(Lump)电路,此时 可以采用常规的电压、电流定律来进行电路计算。
❖ 但是在高频/微波电路中,由于波长较短,组件的尺寸就无法再被视 为一个节点,某一瞬间组件上所分布的电压、电流会不一致。因此基本 的电路照论不再适用,而必须采用电磁场理论中的反射及传输模式来分 析电路。元器件内部电磁波的进行波与反射波的干涉使电压和电流失去 了一致性,电压电流比为稳定状态的固有特性也不再适用,取而代之的 是“分布参数”的特性阻抗观念,此时的电路以电磁波传送与反射为基 础要素,即反射系数、衰减系数、传送的延迟时间。
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❖ (2)Parameters:S参数仿真中的参数计算、 频率转换、仿真状态信息显示和仿真结果 保存等参数,用户可以通过[Parameters] 选项户进行设置,如图所示。
❖ 参数计算(Calculate):设置仿真过程中计 算的参数,包括S参数、Y参数、Z参数和 群延时参数。用户可以选中需计算的参 数, 仿真结束后可以在仿真结果中查看这个参 数。
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❖ 9.5 S参数仿真实例 ❖ 本节将通过案例进一步强调S参数仿真过程中参数设置、优化及数据
输出等相关内容,使读者对S参数仿真有更全面的认识。 ❖ [案例9-2]理想元件电路搭建及仿真。 ❖ 1.基本S参数仿真 ❖ 1)创建原理图
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❖ 2)计算群延时 群延时可以通过测量端口问信号传输时间来得到。对行
为特性要求严格的器件(如放大器和滤波器),通常采用群延时分析相位 失真。
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❖ 3)线性噪声仿真
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SP,并放置在电路图设计窗口中。 ❖ (4)双击S参数仿真控制器,在[Frequency]选项卡中对交流仿真中频率
扫描类型和扫描范围等进行设置。 ❖ (5)如果扫描变量较多,则需要在“Simulation-S_Param”元件面板中
选择“PARAMETER SWEEP”控件,在其中设置多个扫描变量,以及 每个扫描变量的扫描类型和扫描参数范围等。
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❖ (6)如果需要计算电路的群延时特性,则需要在S参数仿真控制器参数设 置窗口中选择[Parameters]选项卡,在“Calculate”项中选中“Group delay”,允许在仿真中计算群延时参数。
❖ (7)如果需要对电路进行线性噪声分析,则需要在S参数仿真控制器参数 设置窗口的[Noise]选项卡中选小“Calculate noise”项,允许在仿真中计 算线性噪声,然后分别设置噪声的输入端口、输出端口、噪声来源分类 方式、噪声的动态范围和噪声带宽等内容。
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❖ 6)终端负载 终端负载(Term)如图所示,用于定义端口标号及设定各端
口终端负载阻抗。 ❖ 7)最大增益控件 最大增益控件〔MaxGain)如图所示,用于在仿真结
果中添加仿真电路的最大增益数据组。
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❖ 8)功率增益控件(PwrGain):用于在仿真电路中添加仿真电路功率增益
❖ 一般地,利于一个有Y、Z和S参数的网络是可以实际测量和分析的,
其个Y称为导纳系数,Z称为阻抗参数,S称为散射参数。Z和Y参数对于
集总参数电路分析非常有效,各参数可以很方便地测试。但是在微波系
统中,由于确定非TEM波电压、电流的困难性,而且在微波频率测量电
压和电流中也存在实际困难,因此在处理高频网络时,等效电压和电流,
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❖ S参数仿真的主要功能包括以下5个方面: ❖ 获得器件或电路的S参数,并可以将该参数转换成Y参数或Z参数。 ❖ 仿真群延时 ❖ 仿真线性噪声 ❖ 分析频率改变对小信号的影响 ❖ 仿真混频器电路的S参数
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❖ 9.2 S参数仿真面板与仿真控制器 ❖ ADS中有专门针对S参数仿真的元件面板,在“Simulation-S_Param”
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❖ 2.S参数在电路仿真中的应用 ❖ ADS仿真器中都可以找到S参数模块,用户可以对每个S参数进行设置
完成相应的仿真。同时,用户也可以通过网络分析仪对要生产的PCB进 行精确的S参数测量。用户还可以采用元器件厂家提供的S参数进行仿真, 当电容器安装在不同类型的PCB时,电容器会因为安装焊盘和电路板材 料(如厚度、介电常数等)而存在不同的谐振频率。固态器件也会遇到类 似问题(如LNA应用中的晶体管)。为避免这些问题,最好在实验室中测 量S参数。但无论如何,为了进行射频系统仿真,无法回避使用S参数模 型,无论这些数据是来自设计师的亲自测量,还是直接从元器件厂家获 得,这是由高频电子电路的特性所决定的。
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❖ 二端口网络有4个S参数,Sij表示能量从J口注入,在i口测得的能量,如S11定
义为从Port1口反射的能量与输入能量比值的平方根,也经常被简化为等效反射
电压和等效入射电压的比值,各参数的物理含义和特殊网络的特性如下所述。
❖ S11 :端口2匹配时,端口1的反射系数 ❖ S22:端口1匹配时,端口2的反射系数 ❖ S12;端口1匹配时,端口2到端口1的反向传输系数 ❖ S21:端口2匹配时,端口1到端口2的正向传输系数 ❖ 对于互易网络S21=S12;对于对称网络S11=S22;对于无耗网络(S11)2+(S22)2=1
❖ 频率转换(Frequency Conversion);决定是 否允许进行频率转换。如果选中此项,则 可以执行带有频率转换的S多数仿真。
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❖ 仿真状态显示(Status level):设置仿真状 态窗口中显示信息的多少。其中,“0”表 示显示很少的仿真信息,“1”和“2”表示 显示正常的仿真信息,“3”和“4”表示显 示较多的仿真信息。
有直流仿真的工作点值,如电流、电压、
功率和线性器件参数。
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❖ 3)Noise:在S参数仿真卡同样可以进行噪声 分析,噪声分析的相关参数可以通过[Noise] 选项产进行设置,如图所示。
❖ 是否执行噪声分析(Calculate):用S参数仿真 过程中是否执行噪声分析, 如果选择不执行噪声分 析,[Noise]选项卡中的其他参数设置无效。
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❖ 分布参数电路采用场分析法,但场分析法过于复杂,因此需要一种简 化的分析方法。微波网络法广泛运用于微波系统的分析,是一种等效电 路法,在分析场分布的基础上,用电路的分析方法将微波元件等效为电 抗或电阻器件,将实际的导波传输系统等效为传输线,从而将实际的微 波系统简化为微波网络,将“场”的问题转化为“路”的问题来解决。
❖ 噪产带宽(Bandwidth):设定噪声分析带宽
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❖ 2)S参数仿真测试平台控件 (SP Lab):它专门用于建立S参数仿真的测
试平台,其参数与S参数仿真控制器参数相同。
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❖ 3)参数扫描计划控制器(SWEEP PLAN):主要用于设置仿真中的参数扫 描计划。用户可以通过该控制器添加一个或多个扫描变量,并制定相应 的扫描计划。
❖ 器件的操作点信息设置(Device operating
point level):设置数据文件是否保存原理
图中的有源器件和部分线性器件的操作点。
其中,“None”表示不保存有源器件和部
分线性器件的操作点相关系数,“Brief”
表示仅保存部分元件的电流、功率和一些
线性器件的参数。 “Detailed”表示保存所
类元件面板中提供了所有S参数仿真需要的控件,如图所示。
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❖ 1)S参数仿真控制器S参数仿真控制器(SP):是控制S参数仿真最主要的
控件。可以设置S参数仿真的频率扫描范围;仿真执行参数和噪声分析 相关参数等。
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❖ 双击S参数仿真控制器,弹出参数设置
选项卡,可以通过该选项卡对SP参数进 行设置。 ❖ (1)Frequency:S参数仿真要在一定 频率范围内执行,因此在S参数仿真执 行前通过S参数仿真控制器设置窗口中 的[Frequency]选项卡对频率参数进行 设置,如图所示。
能对N端口网络进行完善的描述。阻抗和导纳参数反映了端口的总电压 和电流的关系,而散射参数是反映端口的入射电压波和反射电压波的关 系。散射参数可以直接用网络分析仪测量得到,而且可以用网络分析法 来计算。
❖ 下面以二端口网络为例说明S参数的含义,如图所示。
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S11 Port1
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❖ 在进行射频/微波电路设计时,节点电路理论已不再适用,需要采用分
布参数电路的分析方法。这时可以采用复杂的场分析法,但更多的是采 用微波网络法来分析电路。对于微波网络而言,最重要的参数就是s参数。 在PC平台迈入GHz阶段之后,从计算机的中央处理器、显示界面、存储 器总线到I/O接口,全部进入高频传送的阶段,所以现在不仅在射频微 波电路设计时需要了解S参数相关知识,在计算机系统甚至消费电子系 统的设计时也需要对相关知识有所掌握。本章通过实例介绍ADS2009 实现S参数仿真的原理和方法。
以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。与直接测量入射波、反射波及
传输被概念更加一致的是散射参数,即S参数矩阵,它更适合于分布参
数电路。
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S参数是建立在入射波、反射被关系基础上的网络参数,适于微波
电路分析,以器件端口些反射信号,以及从该端口传向另一端口的信号
来描述电路网络。同N端口网络的阻抗产导纳参数一样,用散射参数也
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❖ 4)参数扫描控制器 (PARAMETER SWEEP):用于设定仿真中的扫描参 数。该控制器设定的扫描参数可以在多个仿真实例中使用。
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❖ 5)S参数仿真设置控制器 (OPTIONS) 主要用于进行:S参数仿真时环
境温度、设备温度、仿真的收敛性、仿真的状态提示和输出文件特性等 相关参数的设置。
❖ (8)设置完成后,执行仿真。 ❖ (9)在数据显示窗口中查看仿真结果。
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❖ 9.4 ADS中S参数仿真案例 ❖ 本节通过案例米简单说明S参数仿真的一般过程。 ❖ [案例9-1] 建立并执行运放的S参数及相关内容仿真 ❖ 1)S参数仿真
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的数据组。 ❖ 9)电压增益控件(VoltGain):用于在仿真结果中添加仿真电路电压增益
的数据组。 ❖ 10)电压驻波比控件(VSWR):用于在仿真结果中添加仿真电路各端口电
压驻波比的数据组。
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❖ 11)增益波纹控件(GainRipple):用于在仿真结果中添加仿真电路增益波 纹的数据组。
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❖ 9.3 S参数仿真的一般过程 ❖ (1)选择器件模型并建立电路原理图。 ❖ (2)确定需要进行S参数仿真的I/O端,并在“Simulation-S Param”元
件面板中选择终端负载控件Term分别连接在电路的I/O端口。 ❖ (3)在“Simulation-S_Param”元件面板列表中选择S参数仿真控制器