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1、5G通讯用功率放大器设计及仿真 书目 1 引言 2 1.1 ADS简介 2 1.2 ADS软件的主要功能 3 2 S参数仿真的概念与原理 3 2.1 S参数介绍 3 2.1.1 S参数的定义 3 2.1.2 S参数仿真的原理 5 2.2 S参数仿真的功能 5 2.3 基本理论 5 2.3.1 S参数仿真面板 5 2.3.2 S参数仿真限制器（SP） 6 2.3.3 终端负载(Term) 7 2.3.4 功率增益控件（PwrGain） 7 3 S参数仿真参量设置(parameters)相关参数 8 3.1 参数计算（calculate） 8 3.2 频率转化（Enable Frequency C
2、onversion） 8 3.3 仿真状态显示（Status lever） 8 3.4 器件的操作点信息设置（Device operating level） 8 3.5 噪声分析参数设置 9 4 设计与仿真 10 4.1 S参数仿真 10 4.2 微波功率放大器的设计 14 4.3 微波功率放大器基本指标 14 4.4 有关定义： 15 4.5 放射机设计 15 5结论 20 致 谢 21 21 Microwave transmitter power amplifier design and simulation 21 5G通讯用功率放大器的设计及仿真 电子信息工程 专业 丁鸿建 指 导 老
3、师 唐 健 摘 要：随着当今科技的飞速发展，ADS软件运用的越来越广泛，并深受探讨者的宠爱。S参数仿真具有很多功能，它可以分析线性S参数、线性噪声参数、传输阻抗和导纳等。本文采纳ADS软件，且运用 S参数仿真限制器（SP）、相关平台限制（SP Lab）、参数扫描安排限制器（SWEEP PLAN）、功率增益控件（PwrGain）等多项控件用以仿真微波功率放大器及放射机S参数。 关 键 词： ADS软件 功率放大器 S参数仿真 1 引言 1.1 ADS简介 先进设计系统(Advanced Dead System),也就是ADS,是美国安捷伦(AcLeNT)企业引入的微波电路与通信系统的仿真工具。也
4、是行业内运用最普遍的微波射频电路、通信系统与射频集成电路设计工具,是目前我国学校、科研院所与规模浩大的IT企业所频繁运用的重要软件，此软件具备特别强大,的功能，仿真方式较多,能顺当完成众多仿真探讨任务,主要是时域与频域、数字仿真、线性与非线性、噪声等,还能对设计结论的成品率开展探讨与改善,便于提升仿真结果的精准度。提升相关电路的设计水准。也是目前行业内普遍事宜的微波射频电路与系统信函。数字链接的设计软件。一般运用在射频与微波电路设计、通信系统、射频集成电路、DSP设计与矢量仿真等方面,也是射频工程师须要驾驭的重要软件之一。 ADS,利用频域与时域仿真,对电磁场进行仿真,使设计者能够充分地表征和
5、改善设计。因为单个集成设计环境提具有系统以及电路仿真器,和捕获、布局以及检验电路图的公,所以不须要在设计中更新软件。先进设计系统(ADS)是目前普遍运用的、功能齐全的自主化软件系统。其可以为蜂窝电话与便携式电话、寻呼机、无线网络等相关设计人员供应高效的设计集成。此外,安捷伦还与数家半导体制造商合作,为设计者设计广告设计工具包和模型文件。用户可以利用设计工具箱和软件仿真功能来设计、安排和评估通信系统,并设计MMIC/射频集成电路、模拟和数字电路。除了以上的仿真设计功能外,ADS软件还可以供应协助设计功能,如设计指南、演示电路或系统设计过程中的示例和指令,以及在步进接口中开展电路设计与探讨的仿真向
6、导。ADS还能和其余EDA工具供应协同仿真(协同仿真),如SPICE、MutoR图形模型、Cadence的NC Verilog、MathWorksMatlab以及富组件应用模型库和测试/检验工具间的连接作用。在肯定程度上提升了电路与系统设计的便利性、高效性与精确性。这是真的。1.2 ADS软件的主要功能 先进设计系统(Advanced Dead System),也就是ADS,是美国安捷伦(AcLeNT)企业引入的微波电路与通信系统的仿真工具。也是行业内运用最普遍的微波射频电路、通信系统与射频集成电路设计工具,是目前我国学校、科研院所与规模浩大的IT企业所频繁运用的重要软件，此软件具备特别强大,
7、的功能，仿真方式较多,能顺当完成众多仿真探讨任务,主要是时域与频域、数字仿真、线性与非线性、噪声等,还能对设计结论的成品率开展探讨与改善,便于提升仿真结果的精准度。提升相关电路的设计水准。也是目前行业内普遍事宜的微波射频电路与系统信函。数字链接的设计软件。一般运用在射频与微波电路设计、通信系统、射频集成电路、DSP设计与矢量仿真等方面,也是射频工程师须要驾驭的重要软件之一。ADS,利用频域与时域仿真,对电磁场进行仿真,使设计者可以全面的表征与优化设计。因为单个集成设计环境供应了系统和电路仿真器,以及捕获、布局和验证电路图的实力,因此不必在设计中替换新的设计工具。先进设计系统(ADS)是一种功能
8、强大的电子设计自动化软件系统。它为蜂窝电话和便携式电话、寻呼机、无线网络、雷达和卫星通信系统的设计者供应完整的设计集成。此外,安捷伦还与数家半导体制造商合作,为设计者设计广告设计工具包和模型文件。用户可以利用设计工具箱和软件仿真功能来设计、安排和评估通信系统,并设计MMIC/射频集成电路、模拟和数字电路。除了以上的仿真设计功能外,ADS软件还可以供应协助设计功能,如设计指南、演示电路或系统设计过程中的示例和指令,以及在步进接口中进开展电路设计与探讨的仿真向导。其也能和其余EDA工具供应协同仿真(协同仿真),如SPICE、MutoR图形模型、Cadence的NC Verilog、MathWork
9、sMatlab以及富组件应用模型库与测量/检验工具之间的连接作用。在肯定程度上提升了电路与系统设计的便利性、高效性与精准性。这是真的。2 S参数仿真的概念与原理 本文设计ADS内的S参数仿真,S参数仿真一般探讨表征线性网络输入输出特性的S参数 也是目前最关键的模拟方式。2.1.1 S参数的定义 其中S参数是基于入射波和反射波之间关系的网络参数。主要运用在微波电路的探讨,且叙述具备端口反射信号与从端口发送到其他端口信号的电路网络。运用N端口网络的阻抗与导纳矩阵,运用散射矩阵还能全面叙述N端口网络。阻抗与导纳矩阵体现出总电压和端口电流间的关系。但是,散射矩阵是入射电压波和端口反射电压间的关系。此外
10、,散射参数还能利用网络分析仪开展测试,还能利用网络探讨技术进开展统计。此时须要了解网络的散射参数,甚至把其转移到其余矩阵参数。其次,以双端口网络为例,说明每个S参数的含义。下面以二端口网络为例叙述不同S参数的内涵，参考下图可知: 接下来把两个端口网络当做案例叙述不同S参数的内涵,参考上图内容可知。双端口网络具备四个S参数,其表示SIJ能量从J端口注入,此外在I端口测试的能量，比如S11被确定成从端口1反射的能量以及输入能量比值的平方根,此外一般被简化成比率。等效反射电压和入射电压之间的关系,物理参数的物理含义与特别网络的特点为: S11：端口2匹配时，端口1的反射系数； S22：端口1匹配时，
11、端口2的反射系数； S12：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数匹配。S21：端口2匹配时，端口1向端口2的正向传输系数。对于互易网络，有：S12S21； 对于对称网络，有：S11S22； 对于无耗网络，有：（S11）2（S12）21 ； 我们常常运用一条传输线,或者一个孔,这样它就相当于一个双端口网络,一个端的输入信号,另一端的输出信号,假如PUT1被用作信号的输入端口,PUT2作为信号的输出端口,S11是回波损耗,换句话说,多少。能量是反射后源(PUT1),数值小表示效果好,通常要求S11<0.1,-20dB,S21是插入损耗,即能量转移到目的地(PORT2),值越大越好,志向
12、值为1,即0dB,越大。S21的效率,一般建议S21>0.7,-3dB。假如网络不行消耗,只要对PORT1的反射很小,就可以满意S21> 0.7的要求,但是通常的传输线被消耗掉,特殊是在GHz上,损耗是特别显著的。即使没有对PORT1的反射,S21的值在长距离传输线之后也会变得特别小。表示能量在传输过程中还没有到达目的地,就已经消耗在路上了。2.1.2 S参数仿真的原理 射频和微波器件通常被认为是线性状态,当它们是小信号时,它们是完整的线性网络。在大信号运作时,其一般被当做是在非线性时期运行,此外属于非线性网络。一般运用S网络对线性网络进开展探讨,运用谐波平衡法对非线性网络开展探讨
13、。S参数是由入射波与反射波创建的重要线性关系。其一般运用在探讨与叙述射频电路内网络的输入与输出特点。S参数内的S11与S12体现出网络输入与输出的驻波特点、S12体现电路的隔离功能和S21对网络幅频与相频特点和时延特点的响应。上述组在S参数的方针过程中，把电路当做四端口网络,在工作点对电路实施线性化,之后开展线性小信号探讨,且利用具体算法探讨多种参数值。所以,S参数仿真须要探讨线性S参数、线性噪声系数、传输阻抗以及导纳。2.2 S参数仿真的功能 得到器件或电路的散射参数（S参数），并可以将该参数转化为y参数或z参数 仿真群延迟 仿真线性噪声 仿真频率转变对小信号的影响 仿真混频器电路的S参数
14、2.3 基本理论 2.3.1 S参数仿真面板 全部S参数仿真所需的控件如图2.3.1 图2.3.1 2.3.2 S参数仿真限制器（SP） S参数仿真限制器（SP）是限制S参数仿真最主要的控件，运用S参数仿真限制器须要设定此类仿真的频率扫描范畴、仿真执行参数以及噪声探讨有关系数等。此类仿真限制器（SP）如图2.3.2所示 图2.3.2 2.3.3终端负载(Term) S参数仿真面板中的终端负载元件用来定义端口标号及端口终端负载阻抗，终端负载如图2.3.3所示 图2.3.3 2.3.4 功率增益控件（PwrGain） 功率增益控件可以用来在仿真结果中添加关于仿真电路的功率增益的数据组，如图2.3.
15、4所示 图2.3.4 3 S参数仿真参量设置(parameters)相关参数 3.1 参数计算（calculate） 参数计算中设置仿真过程中计算的参数，包括S参数（S-parameters）、Y参数（Y- parameters）、Z参数（Z- parameters）和群延时参数（Group delay）,用户能在此处选择计算某参数，此后在仿真结果中查询上述参数。3.2 频率转化（Enable Frequency Conversion） 此选项确定是否支持频率转化.假如选中，就能顺当执行某具有频率转换的S参数仿真。3.3 仿真状态显示（Status lever） 仿真状态显示用来设置仿真状态窗
16、口中显示信息的多少。其中，0代表显示很少的仿真信息，1和2分别显示正常的仿真信息，3与4显示肯定的仿真内容。3.4 器件的操作点信息设置（Device operating level） 器件的操作点信息设置用来设置数据文件内是否留存原理图内的有源器件与少数线性器件的操作点。此处，None代表不储存上述操作点有关参数；Brief代表只留存少数元件的电流、功率与部分线性器件的参数；Detail代表保存全部直流仿真的工作点值。 S参数仿真参量设置相关参数 3.5 噪声分析参数设置 在S参数仿真内也能开展噪声探讨，噪声探讨的有关参数能利用在上述限制器参数设定窗口内的选项卡起先设定，S参数仿真内的噪声探
17、讨参数设定界面详情参考下图。 S参数仿真噪声分析参数设置 4 设计与仿真 4.1 S参数仿真 本论文功放的设计是基于Motorola_Mosfet_Model和Motorola_PA电路的基础上进行仿真。 Motorola_PA电路符号的子电路 Motorola_Mosfet_Model电路符号的子电路 （1） 在原理图设计窗口单击按钮,并命名为Motorola_PA_S-Parameter,并保存此电路图。 （2） 单击原理图窗口的按钮，系统会自动弹出“Component Library/Schematic”窗口，在Library中选择SimModels_prj后Component会出现Si
18、mModels_prj中的全部电路图和电路符号，并选择Motorola_PA插入原理图中。（3） 在电路图中插入地线（GROUND）、直流电源（V_DC）和沟通仿真的终端负载（Term）,就构成了S参数仿真的电路原理图。 用于S参数仿真的电路原理图 仿真结果 （1）将SCR1的直流电压值改为5V，同样将SCR2的电压值改为3V。 （2）将S参数仿真限制器频率扫描类型改为线形扫描，扫描起始频率800MHZ、扫描终止频率900MHZ、扫描步长1MHZ。 （3） 单击窗口的按钮执行仿真结果。 (4)在数据显示窗口中添加矩形图形和S(2,1)参数,结果如图DB所示。计算线形噪声 在S参数仿真限制器中进
19、行相应的设置，详细步骤如下： （1） 双击S参数仿真限制器，选择,选择,计算线形噪声。（2） 在“噪声输入端口”中输入1,这意味着输入端口是端口1。在“Noise output port”中输入2，表示噪声输出端口为2. （3） 在中选择“Sort by value”。 （4） 单击窗口的按钮执行仿真结果。 （5） 在数据窗口添加一个数据列表，并选择port2.NC.name和port2.NC.name.nvc作为数据来源，结果如图所示。 4.2 微波功率放大器的设计 随着现代无线通信技术的发展,微波功率放大器(微波功率放大器)已成为微波通信设备的重要组成部分。它的性能和性能在很大程度上影响着
20、通信质量。因此,微波功率放大器的探讨和设计越来越受到人们的重视。 4.3 微波功率放大器基本指标 功率单位 微波功率放大器一般指P>1W。目前，商品可到百瓦(厘米波段)，单位：dBm，以1毫瓦(mW)为基准计量的倍数。 电源效率 表现出将直流功率转变成射频功率的水平，然而无法体现出功率放大效果。 功率附加效率(Power added efficiency) 既反映功率转换实力又反映功率放大实力。1dB压缩点(1dB Gain Compressed Point)输出功率 P1dB G1dB- 增益下降1dB点 P1dB- G1dB对应的输出功率 Pin <1dB>- P1dB对
21、应的输入功率 4.4 有关定义： 输入功率不高的时候，增益是常数，也就是小信号线性增益G0； 输入功率不断提高，功放输出功率存在非线性，输出和输入功率的比值就是增益降低； 在功放增益比小信号线性增益G0降低1dB时，也就是“1dB压缩点增益”G1dB，对应的输出、输入功率称为“1dB压缩点输出功率”P1dB及“1dB压缩点输入功率”Pin <1dB> 。在P1dB点有： 10lgP1dB=10lg(G0Pin<1dB>)-1 dB 即 P1dB=Pin<1dB>+G0dB-1 dBm 或 G1dB=G0dB-1 dB 4.5放射机设计 设计放射机的电路原理图
22、详细过程如下： 放射机电路原理图 (1) 在文件中选择新的设计吩咐，以创建项目中的示意图。(2) 给新建的原理图命名为transmitter,并单击工具栏中的按钮保存设计。(3) 从“Source-Freq Domain”限制面板中选择两个电源源P1_Tone,并插入到示意图中，作为输入信号和本振信号。(4) 双击功率源进行相应的参数设置 功率源1 Num=1,表示功率源所在端口定义为端口1。 Z=50 Ohm ,表示功率源的内阻为50 。 P=dbmtow(IF_source),表示功率源的输出功率为IF_source dBm。 Freq=IF_freq MHZ,表示功率源输出信号频率为变量
23、IF_freq MHZ。 功率源2 Num=4,表示功率源所在端口定义为端口4。 Z=50 Ohm ,表示功率源的内阻为50 O。 P=dbmtow(LO_pwr),表示功率源的输出功率为IF_ pwr dBm。 Freq=LO_freq MHZ,表示功率源输出信号频率为变量LO_freq MHZ。 (5) 从“系统AMPS和混频器”中选择两个放大器Amp和混频器Mixer,并插入到电路的示意图中。 (6) 双击这两个放大器建立相关的参数 Amp1: S21=dbpolar(5，180)，表示放大器的增益为5dB，放大器输出信号与输入信号相位差为180。 S11=polar(0，0)，表示放大
24、器的S11的参数为0。 S22=polar(0,180),表示放大器的S22的参数为0。 S12=0，代表放大器的S12参数是0。. Amp2: S21=dbpolar(19，0)，代表增益是19dB。 S11=polar(0，0)，表示放大器的S11的参数为0。 S22=polar(0,180),表示放大器的S22的参数为0。 S12=0，表示放大器的S12的参数为0。. （7）双击混频器进行参数设置 Sideband=BOTH，代表混频器的边带上下是两个边带。 ConvGain=dbpolar(-6，0)，代表混频器的转换增益是-6dB。 S11=polar(0，0)，代表混频器的S11参
25、数是0。 S22=polar(0,180),代表S22参数是0。 S33=0，表示混频器的S12的参数为0。 (7) 从“Filters-Bandstop”限制面板上选择两个切比雪夫带通滤波器，并插入图中，双击进行相应的参数设置。 BPF1： Fcenter=1950MHZ，代表滤波器中心频率是1950MHZ。 BWpass=800MHZ，代表3dB带宽是80MHZ。 Bwstop=400MHZ，表明滤波器的阻带带宽为400 MHZ。 Apass=3dB，表示滤波器的通带衰减为3dB。 Astop=35dB，表示滤波器的带外衰减为35dB。 Ripple=0.1dB，表示滤波器的通带水纹为0.
26、1dB。 n=3，表明滤波器的阶数为3. IL=1dB，表示滤波器的插入损耗为1 dB。 BPF2： Fcenter=1950MHZ，代表滤波器中心频率是1950MHZ。 BWpass=800MHZ，代表3dB带宽是80MHZ。 Bwstop=400MHZ，表明滤波器的阻带带宽为400 MHZ。 Apass=3dB，表示滤波器的通带衰减为3dB。 Astop=35dB，表示滤波器的带外衰减为35dB。 Ripple=0.1dB，表示滤波器的通带水纹为0.1dB。 N=5，表示滤波器的阶数为5。 IL=2dB，表示滤波器的插入损耗为2 dB。 （9） 从“Simulation-S_Param”面
27、板选定某个终端负载元素项，且插入到电路图中。 （10） 在“Lumped-Components“面板上选定某个电阻，且在工具栏内选择众多地线插到电路图。（11）查找且单击按钮，插入电路图中并进行相应参数的设置： IF_freq=10.7，表示输入中频信号频率为10.7MHZ。 IF_source=1.5，表示输入中频信号功率为1.5dBm。 LO_freq=1960.7，表示输入本振信号频率为1960.7MHZ。 LO_pwr=13，表示输入本振信号功率为13 dBm。 （12）在中选择某个沟通仿真限制器插入到电路原理图，且双击设定参数： Freq=10.7MHZ，代表执行的沟通仿真是单频点，
28、频率是10.7MHZ。 FreqConversion=yes，代表仿真时期支持频率转换。 OutputBudgetIV=yes，代表仿真时期开展预算探讨。 （13）在菜单栏内选定内的，开启“Genarate Budget Path“窗口，在其中选定输入端是功率源PORT1与Term2，点击与按钮就能设定详细的预算路径，此外系统自主产生预算增益方程。 （14）在模拟AC中选择预算增益组件,将该方程插入到“预算增益=BordyRead(50,预算GATEPATH)”中。(15)单击工具栏中的模拟按钮进行模拟。 （15）单击按钮起先仿真。（16）结束之后系统自主弹出数据呈现页面，并在数据显示窗口插入
29、一个关于BudGain10的矩形图。 5结论 本文首先介绍了ADS的工作原理,然后对S参数设计和放射机设计进行了仿真试验。本论文的主要结论如下： （1）S参数在800-900MHZ之间，随着频率的增大，S参数呈下降的趋势且在800MHZ和900MHZ之间相差1.5dB。 （2） 放射机经过混频器叠加后系统增益在放大器处最大。致 谢 1 黄智伟. 射频小信号放大器电路设计. 西安：西安电子科技高校出版社，2008. 2 陈天麒. 微波低噪声晶体管放大器. 北京：人民邮电出版社，1983. 3 K C 格普塔 冯忠华 温俊鼎 译.微波电路的计算机协助设计M.北京:科学出版社,1986. 4 Gyi
30、llermo Gonzalez 白晓东 译.微波晶体管放大器分析与设计M 2版M.北京:清华高校出版社,2003. 5 韩洁 王向东.测量低噪声放大器的噪声系数J.国外电子测术,2005. 6 李芹,王志功.X波段宽带单片低噪声放大器J.固体电子学探讨与进展，2005. 7 武世香.双极型和场效应晶体管J.北京:电子工业出版社,1995. 8 Vendelin， G.D.用S参数法设计放大器和振荡器. 北京：科学出版社，1986. 9 郭教仁.数学物理方法.北京：人民教化出版社，1965. 10 沈致远等编.微波技术.国防工业出版社，1980. 11 SYLiao.微波器件与电路.北京：科学出
31、版社，1987. Microwave transmitter power amplifier design and simulation Abstract With the rapid development of todays technology, ADS software is more widely used and loved by the researchers. S parameter simulation has many functions,it can analyze the liner S parameters,the linear noise parameters, t
32、he transfer impledance and transfer admittance and so on.This article choices the ADS software, using S parameter simulation controller (SP), S parameter simulation test platform for control (SP Lab), parameter scanning program controller (SWEEP PLAN), parameter sweep controller (PARMETER SWEEP), power gain control ( PwrGain) and many other controls for the simulated S parameters of microwave power amplifiers and transmitters. Keywords: S parameter， ADS， PA