实验四 S参数仿真与优化Word格式.docx

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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……………………………………………89

15.选学—对S2P文件读/写S参数数据……………………………………91

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：

●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。

●从SimulationS_Parameter模板（Palette）中插入终端负载（Term）。

●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。

●插入两个理想的隔离（DCblock）电容。

●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。

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。

（实验报告）

c．引入S11的史密斯圆图（Smithchart），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（markerreadout）（通过双击标签栏）。

在史密斯标签栏中把Zo改为50Ω（实验报告）

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=iffreq<

400MHzthen50else35endif。

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（feedsandblocks）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PlotOptions命名列表。

作为低电抗，10pF值的电容为一隔直电容。

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（wildcard）（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（CtrlC/CtrlV），或者使用命令File>

SaveAsTemplate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。

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。

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Smithchart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。

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：

AfterpressingTune,并把TraceHistory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（stepsize）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。

8.（选做）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.（选做）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optimizationcontroller（优化控制器）和goal（优化目标），如下图所示。

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。

●Expr:

dB（S（1,1））

SimInstaceName:

SP1

●Max=-10（S11至少为-10dB才能满足优化目标）

●RangeVar=freqRangeMin=1850MHzRangeMax=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。

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theFinalAnalysis=”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——SetBestValues=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.（选做）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/DOESetup按钮，在Optimization标签中，电感的OptimizationStatus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。

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（statuswindow）。

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.（选做）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。

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。

12.（选做）更新优化值并禁用OPT函数

a．点击命令Simulate>

updateOptimizationValues。

现在被优化的元件应有最终（最佳）优化值作为名义值（nominalvalue）。

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。

b．禁用一个元件。

编辑（双击）电感L_match_in，然后点击Tune/Opt/DOESetup按钮。

在Optimization标签中，电感的OptimizationStatus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。

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.（选做）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。

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.（选做）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：

GaCircle，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GaCirde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（noisecalculation）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。

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＞DataFileTool。

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。

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Writetofile（写至文件），检查状态窗口（statuswindow），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>

TextEditor）查看或修改文件。

h．关闭DataFileTool对话窗口。

i．在空白处，从DataItems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）。

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（Sweepplan），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（simulationcontroller），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。

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TraceOptions）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:

在一个独立的原理图中，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。