5G通讯用功率放大器的设计及仿真.docx

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5G通讯用功率放大器的设计及仿真

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，并深受研究者的喜爱。

S参数仿真具有许多功能，它可以分析线性S参数、线性噪声参数、传输阻抗和导纳等。

本文采用ADS软件，且使用S参数仿真控制器（SP）、相关平台控制（SPLab）、参数扫描计划控制器（SWEEPPLAN）、功率增益控件（PwrGain）等多项控件用以仿真微波功率放大器及发射机S参数。

关键词：

ADS软件功率放大器S参数仿真

1引言

1.1ADS简介

先进设计系统（AdvancedDeadSystem）,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。

也是行业内使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、科研院所与规模庞大的IT企业所频繁使用的重要软件，此软件具备非常强大,的功能，仿真方式较多,能顺利完成众多仿真研究任务,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研究与改善,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。

一般使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,也是射频工程师需要掌握的重要软件之一。

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,所以不需要在设计中更新软件。

先进设计系统（ADS）是目前普遍使用的、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提供高效的设计集成。

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、计划和评估通信系统,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软件还可以提供辅助设计功能,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研究的仿真向导。

ADS还能和其余EDA工具提供协同仿真（协同仿真）,如SPICE、MutoR图形模型、Cadence的NCVerilog、MathWorksMatlab以及富组件应用模型库和测试/检验工具间的连接作用。

在一定程度上提升了电路与系统设计的便利性、高效性与准确性。

这是真的。

1.2ADS软件的主要功能

先进设计系统（AdvancedDeadSystem）,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。

也是行业内使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、科研院所与规模庞大的IT企业所频繁使用的重要软件，此软件具备非常强大,的功能，仿真方式较多,能顺利完成众多仿真研究任务,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研究与改善,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。

一般使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,也是射频工程师需要掌握的重要软件之一。

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提供了系统和电路仿真器,以及捕获、布局和验证电路图的能力,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提供完整的设计集成。

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、计划和评估通信系统,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软件还可以提供辅助设计功能,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研究的仿真向导。

其也能和其余EDA工具提供协同仿真（协同仿真）,如SPICE、MutoR图形模型、Cadence的NCVerilog、MathWorksMatlab以及富组件应用模型库与测量/检验工具之间的连接作用。

在一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。

2S参数仿真的概念与原理

本文设计ADS内的S参数仿真,S参数仿真一般研究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。

2.1.1S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。

主要使用在微波电路的研究,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。

使用N端口网络的阻抗与导纳矩阵,使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,散射参数还能利用网络分析仪开展测试,还能利用网络研究技术进开展统计。

此时需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殊网络的特点为:

S11：

端口2匹配时，端口1的反射系数；

S22：

端口1匹配时，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：

S12＝S21；

对于对称网络，有：

S11＝S22；

对于无耗网络，有：

（S11）2＋（S12）2＝1；

我们经常使用一条传输线,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,如果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,理想值为1,即0dB,越大。

S21的效率,一般建议S21>0.7,-3dB。

如果网络不可消耗,只要对PORT1的反射很小,就可以满足S21>0.7的要求,但是通常的传输线被消耗掉,特别是在GHz上,损耗是非常显著的。

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非常小。

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。

2.1.2S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。

一般使用S网络对线性网络进开展研究,使用谐波平衡法对非线性网络开展研究。

S参数是由入射波与反射波创建的重要线性关系。

其一般使用在研究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研究,且利用详细算法研究多种参数值。

所以,S参数仿真需要研究线性S参数、线性噪声系数、传输阻抗以及导纳。

2.2S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

2.3基本理论

2.3.1S参数仿真面板

所有S参数仿真所需的控件如图2.3.1

图2.3.1

2.3.2S参数仿真控制器（SP）

S参数仿真控制器（SP）是控制S参数仿真最主要的控件，使用S参数仿真控制器需要设定此类仿真的频率扫描范畴、仿真执行参数以及噪声研究有关系数等。

此类仿真控制器（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2.3.4所示

图2.3.4

3S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（Groupdelay）,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（EnableFrequencyConversion）

此选项确定是否支持频率转化.假如选中，就能顺利执行某具有频率转换的S参数仿真。

3.3仿真状态显示（Statuslever）

仿真状态显示用来设置仿真状态窗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显示一定的仿真内容。

3.4器件的操作点信息设置（Deviceoperatinglevel）

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研究，噪声研究的有关参数能利用在上述控制器参数设定窗口内的【Noise】选项卡开始设定，S参数仿真内的噪声研究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

4.1S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【CreateANewDesign】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“ComponentLibrary/Schematic”窗口，在Library中选择SimModels_prj后Component会出现SimModels_prj中的所有电路图和电路符号，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）和交流仿真的终端负载（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参数仿真控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