ADS-S参数仿真与优化

概 述

本练习继续进行amp_1900设计。它将讲述如何对各种S参数进行设置、运行、优化以及对结果绘图。此外，优化器也用于创建阻抗匹配网络。

任 务

z 测量增益和阻抗

z 设置并使用扫描计划，参数扫描和阻抗方程 z 计算匹配网络的值 z 对匹配网络调整

z 优化处理，以满足设计目标 z 使用噪声和增益圆图

目 录

1. 设置理想元件电路和仿真…………………………………………………73 2. 仿真并对数据绘图，其中包括修正的读出标记…………………………74 3. 写出改变终端阻抗的方程…………………………………………………75 4. 在数据显示中计算L、C值……………………………………………… 75 5. 代入L和C计算并仿真……………………………………………………76 6. 添加匹配元件L和C，仿真，并对结果绘图……………………………78 7. 调整输入端匹配值…………………………………………………………79 8. 添加输出匹配元件…………………………………………………………80 9. 设置优化控制器和优化目标………………………………………………80 10. 使元件能够进行优化处理（启动元件优化处理）………………………82 11. 对结果绘图…………………………………………………………………84 12. 更新优化值并禁用Opt函数………………………………………………86 13. 对最终匹配电路仿真………………………………………………………88 14. 带增益和噪声圆图的稳态方程…………………………………………… 15. 选学—对S2P文件读/写S参数数据…………………………………… 91

72

步 骤

1. 设置理想元件电路和仿真 a． 以s_params名保存上一原理图设计（ac_sim）

b．按如下步骤修改设计以匹配原理图：

z 删除AC源和控制器，并删除测量方程、参数扫描以及所有无用变量

等。

z 从Simulation S_Parameter模板（Palette）中插入终端负载（Term）。 z 从集总元件模板中插入两个理想电感：DC_feed以隔离RF与直流通路。 z 插入两个理想的隔离（DC block）电容。

z 点击Name图表删除节点名，使其为空，再点击节点名（Vin和Vout）。

对于S参数仿真，端口终端（Num1和Num2）本身提供了节点。

c． 插入一个S参数（S_Parameter）仿真控制器，并设置Start=100MHz，

Stop=4GHz，Step=100MHz。

d．保存（Save）设计。

73

2. 仿真并对数据绘图，其中包括修正的读出标记 a． 确认数据组名为s_params,然后仿真。

b．仿真完成后，引入S21（dB）的矩形图，在1900MHz处插入一标记，并确认此处增益为20dB。

c． 引入S11的史密斯圆图（Smith chart），并在1900MHz插入标记 。选中读

出器（readout），按方向键可移动标记。

d．编辑标记读出器（marker readout）（通过双击标签栏）。在smith标签栏中把Zo改为50Ω

74

3. 写出改变终端阻抗的方程

a． 在原理图中，对端口2写方程，使其终端Z在频率大于400MHz时阻抗为35Ω：Z=if freq<400MHz then 50 else 35 endif。

b．仿真，然后引入PortZ（2）的列表（list）。检查在频率大于400MHz时Z是否为35Ω。

c． 把端口2阻抗重置到Z=50Ω.

4. 在数据显示中计算L、C值

有偏置电路的传输和反射特性表现为20dB增益，但在输入口处与50Ω有失配。直流供电和隔离（feeds and blocks）也是理想的并需要实际元件值。 a． 在数据显示器中，写一方程XC，对应为1900MHz处的10pF的容抗。然后，对方程XC列表（list），如下图所示。如果需要的话，用Plot Options命名列表。作为低电抗，10pF值的电容为一隔直电容。

75

b．改变方程中的电容值，检查XC列表是否自动刷新（例如把电容值改为20pF，XC值变为-4.188）。

c． 创建一个表示电感值和感抗范围的表格。L_val的扫描范围从1nH到200nH，步长为10nH。在ADS中，两个冒号句法表示未定计划（wild card）（对所有值），也可用来表示范围，如下所示。方括号用于生成扫描。写好方程并列表后（如下图所示），下拉列表的滚动条，随着电感值增加，1.9GHz处的电抗值也增加，因此，120nH对于DC馈电已足够（RF扼流圈）。

关于方程和表格的备注：你可将方程和表格拷贝至另一数据显示（Ctrl C/ Ctrl V），或者使用命令File>Save As Template以模板格式保存数据显示文件，这样可被其他任务引用。

d．保存（Save）当前的数据显示文件和原理图。

5. 代入L和C的计算值并仿真

a． 以新文件名s_match保存原理图

b．把两个隔直电容的文件名（DC_Block）改为C，它们将自动变为集总参数电容，如下图所示。并把两电容值均设为C=10pF。

76

c． 以相同方式改变理想电感（DC_Feed）,并把值都设为L=120nH。根据XL

和L_Val表格栏，1900MHz处电抗为1.5KΩ，在设计中，其值在此频率点是合理的。

d．现在原理图应与下图相似，检查各元件值并仿真。

e． 在数据显示中，对传输参数（S12和S21）和反射参数（S11和S22）数

据绘图并作标记，如下图。注意增益曲线比较平坦，泄露也适当，但阻抗并未匹配。在下一步骤中，你将对输入进行调谐使之与50Ω匹配，并对输出进行优化处理至50Ω匹配。

77

6. 添加匹配元件L和C，仿真，并对结果绘图。

考查S11数据，并联一个电容C将把标记点朝50Ω恒定电阻圆图靠近。一个串联电感也可使其沿50Ω圆朝Smith chart圆心移动。初始选择的L、C值要使电路无损耗地通过1900MHz。

a． 在输入端添加串联电感L=10nH和并联电容C=1pF,如下图所示。对该实

例，将其重命名（Rename）为L_match_in和C_match_in，如图所示。记住F5键可移动文本框。

b．设置仿真步长为10MHz，仿真并查看响应。注意增益仍然适当，泄漏（S12）也很好，但输入阻抗S11仍未靠近50Ω，下一步将使用调谐器使输入端匹配更接近50Ω。

78

7. 对输入端匹配值调谐

a． 在原理图中，同时选中元件L_match_in和C_match_in,通过

（Simulate>tuning）或使用图标

来开启调谐器（tuner）。然后把原理图

窗口移到屏幕底部

b．在调谐器控制中。选择Details模式。如下所示设置仿真：After pressing Tune ,并把Trace History 设为0。把Min/Max范围也设为C=0到2，L=0到40，如下所示。C的步长（step size）设为0.01，L设为0.1。

c． 此时原理图窗口在屏幕底部，把调谐控制对话框移到数据显示器旁，以便你能看到Smith圆图。现在，对L、C值调谐（增加L，减小C）并点击Tune，就可以观察随之改善的结果，在某些频率点，S11会很接近50Ω，继续以上操作直到你得到的结果与下图相似。

d．在调谐器中点击Update，并查看原理图中L和C的元件更新值约为

L_match_in=14.3nH, C_match_in=0.4pF,它们在本步骤中不必很精确。然后点击调谐器中的Cancel按钮。在下一步中，你将精确的设定L和C的值。

79

8. 添加输出匹配元件

现在输入阻抗已很好地和50Ω匹配，增益也有增加，但输出阻抗（S22）却几乎是开路的。因此，需要在输出端引入一相似的拓扑结构并对其响应仿真。

a． 选中输入端L和C，使用Copy图标（如下所示）生成一个对元件的拷贝。然后拷至输出端附近，删除导线，并按下图所示把它们接入输出端。

b．仿真并用S22曲线上的Marker检查在1900MHz处的响应。你的数据应与如下所示数据相似，即S22此时应更接近50Ω，但是S11已改变。在放大器设计此频率点处，用优化处理完成匹配过程比进行来回的调谐会更有效。

c． 保存设计组但不要关闭窗口。

9. 设置最优化控制器和优化目标

a． 以新命名s_opt保存原理图设计s_match.

b．在Option/stat/Yield面板中引入optimization controller(优化控制器)和goal（优化目标），如下图所示。

80

c． 双击goal进行编辑。在对话框中输入如下设置，每完成一设置点击Apply一次，全部完成后点OK。 z Expr:dB(S(1,1))

SimInstaceName:SP1

z Max=-10(S11至少为-10dB才能满足优化目标)

z RangeVar=freq RangeMin=1850MHz RangeMax=1950MHz

关于引号标记备注：值的范围无需用引号因为它们是值而非字符串（strings）（变量）。 d．复制S11的目标——选中并使用copy图标

。

e． 在屏幕上改变goal表式为”dB(S(2,2))”，如右图所示。现在，你的输入和输出端各有一个匹配目标。

81

f． 设置OPTIM控制器：对本实验的练习，大多数默认值可保留，包括随机类型。但是要编辑控制器，并设置maxlter=125和the FinalAnalysis=”SP1”。这些设置意味着为达到目标,优化器将重复运行125次。最终的分析也会自动随最后一个值运行，这样你无需运行另一个仿真，而可得到结果曲线。

关于Optim参数设置的备注——Set Best Values=yes表示原理图中的元件可以随最佳优化值更新。Save设置会保存所有数据组的数据，在某些情况下，这些操作涉及大量数据，占用大量内存。默认值可面向所有目标和所有原理图上的可用元件（下一步将讲到），但是你可对OPTIM控制器进行编辑，选择要使用的目标或变量。所有这些设置在HELP（手册）上均有解释。

10. 使元件能够进行最优化处理（启动元件最优化处理）

a． 编辑（双击）电感L_match_in，出现对话框后，点击Tune/Opt/DOE Setup按钮，在Optimization标签中，电感的Optimization Status设置为Enable，如下图所示，输入连续范围从1nH 到40nH。点OK，元件文本框会显示opt函数和范围。

82

b．继续对其它3个匹配元件进行Enable设置，如下图所示。用对话框对每

个元件进行编辑，你也可对opt函数和大括号中范围在屏幕中直接输入。此外，也可使用F5键按需要移动元件文本框。

c． 按下图检查电路并仿真，查看状态窗口（status window）。

83

d．状态窗口报告了仿真进程。如果满足目标，则EF（误差函数）=0。如果

EF变到很接近0值，表示迭代（iteration）运算成功。对EF=0（或某些情况下接近0），下一步便是更新元件值并绘图。如果你的EF不等于0，则检查原理图并再试一次。

对于优化过程中EF不为0的备注——如果一次优化后目标不能满足，你可适当降低目标或预期的误差要求。也可找到指标位于优化范围边缘的元件，扩展其优化范围，也可尝试另一优化方案，增加重复次数或使用另一拓扑结构。

11. 结果绘图

a． 在数据显示中，引入矩形图。然后如图所示添加完整的S矩阵（dB）查看所有4个S参数。通过这种方法你可很快地检查结果。你的精确结果可能与下面有所不同，但是应该会满足优化目标要求。

84

b．在Smith圆图上对阻抗S11和S22绘图。改变Smith标签栏中标记读出器中Zo=50。如你所见，阻抗与50Ω并不十分接近，但是，首先你必须以优化值更新原理图。

85

12. 更新优化值并禁用OPT函数

a． 点击命令Simulate>update Optimization Values。现在被优化的元件应有

最终（最佳）优化值作为名义值（nominal value）。例如，输入端电感可能与右图相似——你的元件值可能会因为随机类型和无初始状态原因而有微小的不同。

86

b．禁用一个元件。编辑（双击）电感L_match_in，然后点击Tune/Opt/DOE Setup按钮。在Optimization标签中，电感的Optimization Status设置为Disable如下图所示，并点击OK。

注意：元件函数从opt变为noopt，这意味着该元件将不在优化中使用。你也可以试用另外一种方法禁用一个元件：在屏幕上插入光标，在opt函数中直接输入“noopt”使其不参加优化。

87

c． 保存s_opt原理图，在下面一系列步骤中，你就会配置最终的匹配电路 关于使优化无效的备注：如果你仿真时不想优化，你必须禁用优化控制器，如下图所示。但是现在我们无需禁用。

13. 对总装匹配电路仿真

a． 以s_final为名保存s_opt原理图。 b．删除（Delete）优化控制器和目标。 c． 修正4个L和C匹配元件值，为电感添加电阻，如图所示。这些匹配处理在余下的实验中将用到。继续通过直接在屏幕上输入的方法来改变元件值，如下图所示。

d．对新的最终元件值仿真。 e． 数据显示打开后，在数据组中选中S对整个S矩阵绘图，并在Smith圆图上对S11 和S22绘图，检查匹配后阻抗在1900MHz处是否接近50Ω，带着以上结果，下一步将进行稳定性、增益和噪声回路仿真。

88

f． 保存最终设计和数据显示文件，关闭数据显示器，但保持原理图窗口打开。

14. 带增益和噪声回路的稳态方方程

a． 以s_circles为名保存设计s_final。

b．从S-参数仿真面板中引入两个稳定性测量方程Mu和MuPrime（图标如

下所示）。它们都可以按默认值使用。

c． 向下拖动面板，引入如下图的两个测量方程：Ga Circle，NsCirde。并引入Options（选项）控制器，令Temp=16.85以避免noise警告信息。其它设置均可采用默认值。

d．把Ga Cirde中的增益变为30dB，NsCircle则无需设置——它使用仿真数据中NFmin（计算得到的最小噪声系数）。

e． 改变仿真频率为1850MHz到1950MH以生成更少的数据点（圆）。检查

原理图，确认控制器中的噪声计算（noise calculation）处于开（on）状态并仿真。

f． 数据显示打开后，在如图所示在Smith圆图上，对NsCircle1和Gacircle1测量方程绘图。

g．在矩形图中如下添加Miul和MuPrimel。

h．引入nf(2),Fmin和Sopt的列表。

90

关于结果的备注——在Smith圆图上，增益圆内的区域表示负载阻抗会产生30dB增益。噪声圆与它不同，其圆心表示，源反射系数的优化值，即最小噪声系数（NFmin），噪声圆圆心也在增益圆内，增益和NFmin都可获得。两条曲线Mu(load)和MuPrime(Source)其中一个的值要比另一个值大，这表示电路在100MHz带宽内是稳定的（不震荡）。最后，nf(2)的列表值是当端口2为输出端时的噪声系数。当源反射系数等于sopt时（最佳源匹配），其值会更好。

i． 保存并关闭所有的设计和数据显示窗口。在此基础上，可以用非线性仿真器和谐波平衡法检测放大器。但是在此之前，你必将先回到下一实验中的系统任务中，并建立两个RF系统的滤波器。

15. 选学——对S2P文件读/写S参数数据

你可以用Touchstone，MDIF或Citifile格式读写数据。ADS可把它支持的数据格式转为ADS数据组格式。特别是将这些数据文件被放入任务目录，但也可发送至数据目录，因此不管它们位于何处，都可进行控制管理。

a． 打开一个新的原理图，并保存为S2p_date。 b．如下图点击下拉菜单Tools＞Data File Tool。

c． 当对话框打开后，点击WRITE框，选择写至”file”，并选择Touchstone

格式。你就将把一个已存在的ADS数据组（s_params）写入（转为）一个Touchstone文件。它描述了网络的测量数据。

91

d．在“文件名”（FileName）栏中，输入my_file.s2p,它将作为从ADS数据中转换过来的Touchstone格式文件。 e． 选择输出数据格式为Mag/Angle（幅值/相位）。

f． 在数据组区域中，选择数据组s_params。它是使用理想元件仿真的数据组。

g．检查对话框并点击Write to file（写至文件），检查状态窗口（status window），如果成功，你将会看见一条信息，它表示my_file.s2p现在是amp-1900任务的数据目录中的Touchstone文件。如果你希望的话，可以进行检查，可用一文本编辑器（ADS主窗口中，options>Text Editor）查看或修改文件。

h．关闭Data File Tool对话窗口。

i． 在空白处，从Data Items面板中引入一S2p元件。注意到此时元件变量（File=）尚未分配。

j． 编辑S2p元件以分配数据，此时会产生另一对话框。然后点击Browse，浏览文件名。当下一对话框出现后，选择my_file.s2p并点击Open按钮，文件名就会分配好（如图所示）。

92

k．在原理图中，引入一S_Param模板（insert>Template）,并将S2p文件与

接地负载相连，如上图所示。

l． 从Simulation-S_param模板中引入一扫描计划（Sweep plan），并设置

start=100MHz，Stop=3GHz，步长Step=100MHz，如右图所示，扫描计划常用于频率扫描，但是此处你可看它如何在S-参数仿真控制器中代替频率设置。

m． 编辑仿真控制器（simulation controller），以应用于扫描计划。在Frequency标签栏中，选择SwpPlan1，并去掉start，stop和step选项，如下图所示。

n．仿真，结果会在数据显示窗口中自动生产，因为该模版也有DDS显示模

版。

93

o．转向S21测量，并从你的原始S_params数据组中添加S21测量数据，以检查描述数据的Touchstone文件是否正确。如你所见，在S2p仿真的3GHz内，两条轨迹是完全重合的。这里，轨迹厚度和类型已经调整过（应用Trace Options）以便两条轨迹更清楚地显示。标记也已经加入了。

附加练习：

1．Z_PORT:在一个的原理图中，设置一由下图方程描述的阻抗的S参数仿真。对响应绘图，并尝试调整其电路。

2．设置对带有扫描的仿真，其扫描带有两个或更多扫描计划。

3．参考选学练习，使用文本编辑器编辑S2P文件，改变其中一些值，并仿真看你是否已掌握这些操作。

94