S参数的提出和应用

2020/1/16S参数仿真分析传输线、史密斯圆图、电路匹配结构（二）2020/1/16主要内容S参数的提出及应用S参数仿真技术概要S参数仿真特殊终端条件传输线史密斯圆图的提出及应用应用史密斯圆图设计匹配电路（与使用DesignGuide技术进行对比）2020/1/16一、S参数的提出及应用1.1为什么射频/微波电路设计要使用S参数？（1）射频/微波系统使用的元器件与传输线的尺寸，与工作波长可相比拟，电路参数是分布参数，传统模拟电路分析方法不再适用；（2）传统网络参量例如Z参量、Y参量、h参量、ABCD参量需要对系统采用终端开路、短路的测量方法。这在射频/微波系统是不适合的，原因如下：•因为微波电路参数是分布参数，存在许多寄生效果，理想的终端开路、短路是不存在的；•终端开路、短路构成的不连续性，将在其它端口产生严重的反射电压、电流波，许多电路是不希望或不允许的，可能会造成器件损坏的振荡2020/1/16一、S参数的提出及应用1.2S参数(散射参数)的定义a1a2b1b2[S]21111011abSa端口反射波端口入射波2221101abSa2端口传输波端口入射波1112201abSa端口传输波2端口入射波122220abSa2端口反射波2端口入射波2020/1/16一、S参数的提出及应用1.3S参数的物理意义a1a2=0b1b2[S]ZLZ0VSZ0Z00110inininZZSZZ2222022110101002aIVZbSaVZIZV采用适当的负债阻抗ZL=Z0，使2端口负载与传输线特性阻抗Z0匹配，从而测量S11和S21。回波损耗（dB）：11RL20logS正向功率增益（dB）：21G20loginS2020/1/16一、S参数的提出及应用a2a1=0b1b2[S]ZGZ0VLZ0Z00220outoutoutZZSZZ2111011220202002aIVZbSaVZIZV采用适当的负债阻抗ZL=Z0，使2端口负载与传输线特性阻抗Z0匹配，从而测量S11和S21。反向功率增益（dB）：12G20logoutS2020/1/162.1S参数仿真的性质与功能二、S参数仿真技术概要S参数控制器用来确定一个n端口电子器件在给定频率下的响应信号波形。它是在考虑其它端口匹配条件下，一类特殊的小信号交流仿真，通常被用来描述射频/微波无源元件的特性及确定非线性器件在特定偏压和温度下的小信号特性。使用S参数仿真可获得一个元件、电路或子网络的•计算S参数、Y参数或Z参数•仿真群延时或线性噪声•仿真如混频器等非线性电路的小信号S参数上的频率变换效果2020/1/162.2S参数仿真准备工作二、S参数仿真技术概要•在设计中导入元器件模型并正确连线•添加并正确设置S参数仿真控件，并选定将要分析的数据项目•对要分析的端口添加接地的端口阻抗（Term）模块，设置相应端口阻抗值•通过对网络中命名节点和添加电流表，获取感兴趣节点处的电压、电流数据2020/1/162.3S参数仿真控件参数设置二、S参数仿真技术概要参考《ADS2008射频电路设计与仿真实例》49-50页S参数频率转换S参数仿真中只能分析一个频率点对应的噪声，例如对混频器一类的会产生多个频率分量的非线性电路分析噪声，将存在瓶颈。此时，可以设置S参数仿真控件Parameters标签页内的ACFrequencyConversion选项有效，仿真器不仅考虑源频率点，还会考虑混频器的边带频率（由用户指定哪个边带），只能限定一个边带。2020/1/162.4S参数仿真控件参数设置二、S参数仿真技术概要参考《ADS2008射频电路设计与仿真实例》49-50页，重要补充：•S参数仿真中只能分析一个频率点对应的噪声，例如对混频器一类的会产生多个频率分量的非线性电路分析噪声，将存在瓶颈。此时，可以设置S参数仿真控件Parameters标签页内的ACFrequencyConversion选项有效，仿真器不仅考虑源频率点，还会考虑混频器的边带频率（由用户指定哪个边带），只能限定一个边带。•选中Noise标签页下的Calculatenoise选项，能够计算电路噪声，即可以计算端口噪声，又可以计算节点噪声，但首先要定义节点。如果群延时数据中出现许多毛刺噪声，可以加大Groupdelayaperture项的值。如果群延时数据感觉不正确，可以减小Groupdelayaperture项的值。通常以10倍量程调整该值。2020/1/162.5如何消除仿真中的直流不利影响二、S参数仿真技术概要对有源电路如放大器进行S参数仿真时，通常会使用DC_Block和DC_Feed元件来消除偏置电路对仿真的不利影响，它们在DC仿真中也常用到。DC_Block元件是理想隔直电容元件，任何频率分量都能够无损耗通过，直流分量完全无法通过。DC_Feed元件是理想隔交流电感元件，直流分量能够无损耗通过，任何频率分量都完全无法通过。2020/1/162.6S参数仿真启用扫描参量，使用LinearCollapse模块提高仿真速度二、S参数仿真技术概要S参数仿真中只能分析一个频率点对应的噪声，例如对混频器一类的会产生多个频率分量的非线性电路分析噪声，将存在瓶颈。此时，可以设置S参数仿真控件Parameters标签页内的ACFrequencyConversion选项有效，仿真器不仅考虑源频率点，还会考虑混频器的边带频率（由用户指定哪个边带），只能限定一个边带。2020/1/16二、S参数仿真技术概要2020/1/16三、S参数仿真特殊终端条件传输线3.1仿真短路传输线短路0.10.200.40.50.30.60.80.90.7100.511.52-2-1.5-0.5-1d开路短路开路短路0()tan()inZdjZd2020/1/16三、S参数仿真特殊终端条件传输线2020/1/16三、S参数仿真特殊终端条件传输线246810121416182022024-90-80-70-60-50-40-30-20-100102030405060708090-100100L1imag(Zin1)6.0000.401m112.0000.801m2m1indep(m1)=plot_vs(imag(Zin1),L1)=0.401freq=10.00000GHz6.000m2indep(m2)=plot_vs(imag(Zin1),L1)=0.801freq=10.00000GHz12.000L10.1000.2000.3000.4000.5000.6000.7000.8000.9001.0001.1001.2001.3001.4001.5001.6001.7001.8001.9002.0002.1002.2002.3002.4002.5002.6002.7002.8002.9003.0003.1003.2003.3003.4003.5003.6003.7003.8003.9004.0004.1004.2004.3004.4004.5004.6004.7004.8004.9005.0005.1005.2005.300VSWR1freq=10.00GHzinvalid1.801E16invalidinvalidinvalidinvalidinvalidinvalid1.801E16-9.007E15invalidinvalid9.007E15-9.007E154.504E15invalid6.005E156.005E15invalid-9.007E15-9.007E153.603E15-4.504E15-4.504E159.007E15-3.002E15invalidinvalid3.002E15-9.007E15-9.007E154.504E152.252E151.801E169.007E15-9.007E15-4.504E159.007E15-9.007E156.005E151.801E161.801E16invalid-9.007E15invalidinvalid1.801E16invalid-9.007E151.801E161.801E16invalidinvalidS(1,1)freq=10.00GHz1.000/173.9831.000/167.9661.000/161.9491.000/155.9321.000/149.9151.000/143.8981.000/137.8811.000/131.8641.000/125.8481.000/119.8321.000/113.8161.000/107.8001.000/101.7841.000/95.7681.000/89.7531.000/83.7381.000/77.7231.000/71.7081.000/65.6931.000/59.6791.000/53.6641.000/47.6501.000/41.6361.000/35.6221.000/29.6091.000/23.5951.000/17.5821.000/11.5681.000/5.5551.000/-0.4591.000/-6.4721.000/-12.4861.000/-18.4991.000/-24.5131.000/-30.5271.000/-36.5401.000/-42.5541.000/-48.5681.000/-54.5821.000/-60.5971.000/-66.6111.000/-72.6261.000/-78.6411.000/-84.6561.000/-90.6711.000/-96.6861.000/-102.7021.000/-108.7181.000/-114.7341.000/-120.7501.000/-126.7661.000/-132.7831.000/-138.7992020/1/16三、S参数仿真特殊终端条件传输线3.2仿真开路传输线短路0.10.200.40.50.30.60.80.90.7100.511.52-2-1.5-0.5-1d开路短路开路短路01()tan()inZdjZd2020/1/16三、S参数仿真特殊终端条件传输线2020/1/16三、S参数仿真特殊终端条件传输线246810121416182022024-90-80-70-60-50-40-30-20-100102030405060708090-100100L1imag(Zin1)L10.1000.2000.3000.4000.5000.6000.7000.8000.9001.0001.1001.2001.3001.4001.5001.6001.7001.8001.9002.0002.1002.2002.3002.4002.5002.6002.7002.8002.9003.0003.1003.2003.3003.400VSWR1freq=10.00GHz-3.002E156.005E15-9.007E153.002E159.007E15invalid9.007E156.005E151.801E169.007E151.801E169.007E159.007E156.005E151.801E161.801E169.007E151.801E161.801E16-9.007E159.007E151.801E169.007E15invalidinvalidinvalid1.801E161.801E16-9.007E15invalid1.801E161.801E16invalidinvalidS(1,1)freq=10.00GHz1.000/-6.0131.000/-12.0271.000/-18.0401.000/-24.0541.000/-30.0681.000/-36.0811.00