在是德科技基因系统和SystemVue中对射频IC放大器进行非线性仿真

线性和非线性RF电路仿真传统上占据了不同的领域。为了仿真级联的小信号增益和损耗，RF设备设计人员传统上转向广泛使用的S参数器件模型。由于缺乏数字形式的数据（例如IP3、P1dB和噪声），以及流行RF仿真器中历来缺乏频变模型结构，非线性仿真传统上更具挑战性。RF电路设计人员通常使用自制电子表格来计算级联噪声和失真。然而，这些电子表格难以仿真系统级特性，例如误差矢量幅度（EVM）和相邻通道泄漏比（ACLR），当信号链由调制信号驱动时，这些特性变得相关。

 

ADPA7002AEHZ
试验条件：VD= 5 V;我D= 600 mA;温度 = 25°C
频率（兆赫）			增益（分贝）	噪声系数（分贝）	OP1dB （分贝m）	里索 （分贝）	OIP3 （分贝）	S11m （dB20）	S11a （°）	S22m （dB20）	S22a （°）
20,000			16.95	8.74	26.56	–67.721	36.44	–7.75	173.729	–11.557	147.426
21,000			17.68	8.24	26.91	–73.233	36.76	–8.517	80.526	–11.122	62.568
21,500			17.93	7.9	27.03	–68.951	36.88	–9.589	34.318	–11.311	22.785
22,000			17.93	7.36	27.17	–61.943	37.15	–10.697	–10.322	–11.509	–19.276
23,000			17.65	6.99	27.52	–59.98	37.96	–12.651	–103.636	–11.98	–97.33
23,500			17.56	6.81	27.74	–61.879	38.41	–14.063	–151.565	–12.827	–134.022
24,000			17.47	6.63	27.96	–80.139	38.73	–15.938	165.692	–12.945	–168.222
24,500			17.37	6.43	28.34	–58.564	38.86	–16.997	121.508	–13.498	148.481
25,000			17.29	6.21	28.76	–61.205	38.91	–17.923	62.549	–15.611	113.253
25,500			17.21	6.09	29.13	–78.557	38.99	–19.426	–7.015	–17.18	69.575
26,000			17.24	5.9	29.43	–57.547	39.12	–18.303	–66.409	–17.852	6.777
26,500			17.15	5.83	29.58	–52.009	39.13	–15.27	–111.709	–17.11	–77.28
27,000			17.18	5.77	29.67	–46.65	39.19	–12.005	–156.238	–14.802	–149.404
27,500			17.11	5.79	29.75	–46.267	39.31	–10.127	156.189	–13.119	156.549
28,000			17.06	5.68	29.81	–47.084	39.38	–9.77	110.867	–11.898	106.852
29,000			17.15	5.49	30.03	–44.2	39.84	–14.726	26.262	–12.296	20.551
30,000			17.09	5.53	30.07	–49.031	40.1	–19.255	–50.641	–10.565	–71.449

 

本文将探讨一些将线性S参数数据与非线性数据（如噪声系数、IP3、P1dB和P）相结合的RF放大器模型结构坐.我们还将展示系统级仿真的结果，以评估真实世界行为建模的准确性。

S 参数

S 参数数据集是迄今为止使用最广泛的射频仿真模型。这些是标准化的表格数据集，由输入回波损耗、增益、反向隔离和输出回波损耗与频率的关系组成，全部采用矢量格式。数据通常在小信号条件下收集，驱动信号远离信号压缩点。S参数通常用于仿真级联增益、设计输入和输出匹配网络以及评估稳定性。但是，它们不包含有关设备的噪声、压缩或失真特性的信息。

是德科技系统参数

表1显示了ADPA7002（18 GHz至44 GHz、0.5 W功率放大器）的系统参数数据集的一部分。是德科技定义了系统参数器件模型结构，用于其 PathWave 射频合成 （Genesys） 和 PathWave 系统设计 （SystemVue） 射频电路和系统模拟器。数据集的表格结构由 S 参数数据与噪声、三阶互调和 1 dB 压缩数据（索引频率）组成。这些数据集提供了足够的信息，可以仿真RF信号电平、级联增益和反向隔离。然而，IP3、P1dB和噪声系数数据的包含为仿真RF功率扫描和信噪比提供了可能性。还可以在器件的工作频率范围内仿真 ACLR 和 EVM 等高阶信号特性。

ADI公司拥有丰富的RF放大器和混频器系统参数库，可供下载，也包含在是德科技Genesys和SystemVue的安装中。图 1 显示了是德科技 Genesys 的屏幕截图。ADI公司的系统参数库可通过器件选择器轻松访问。每个设备的系统参数设备模型由表 1 中显示的数据以及模型的“属性”窗口中包含的其他信息组成。此附加数据包括电源信息以及 P 的默认偏移坐和 OIP2，相对于 OP1dB。

图1.是德科技 Genesys 的屏幕截图显示了一个典型的系统参数模型。

评估系统参数模型的准确性

为了评估系统参数模型的准确性，我们现在将在测量结果和仿真之间进行一系列比较。图2显示了HMC788A（10 MHz至10 GHz RF增益模块）在10 GHz下进行功率扫描的测量和仿真结果。我们可以看到，模拟的功率扫描与测量数据非常接近。仿真器使用器件的增益和OP1dB数据以及P坐_Delta生成所示的绘图。在这种情况下，P坐_Delta为 2 dB。这导致 P坐比OP1dB电平高2 dB的值，这是GaAs RF放大器的典型默认值。

图2.砷化镓 （GaAs） 射频放大器的测量和仿真功率扫描。

图3.模拟和测量 AM 到 AM 和 AM 到 PM 失真。

图4.HMC1114的功率扫描仿真和测量，HMC1114是一款3.2 GHz的10 W GaN放大器。

AM至AM和AM-TO-PM失真

为了仔细研究模拟的压缩特性，我们可以看看AM到AM和AM到PM失真。HMC930A的测量和仿真结果如图3所示。测得的AM-AM到AM失真与仿真非常吻合。但是，仿真表明没有AM-to-PM失真，这是不正确的。这是因为设备模型和数据集仅包含小信号相位信息（即 S21）。而模拟器可以使用OP1dB和P坐_Delta来自器件模型的数据来估计AM-to-AM失真，它没有任何大信号S参数数据可供使用。在这种情况下，使用更复杂的模型（如 X 参数格式）是合适的（X 参数模型具有内置的与级别相关的 S 参数）。

仿真氮化镓放大器的功率扫描

图4显示了10 W氮化镓（GaN）RF放大器HMC1114LP5DE在3.2 GHz时的功率扫描。GaN RF放大器往往具有比GaAs器件更软的压缩特性。这需要调整 P坐_Delta - 即 1 dB 压缩点与饱和点之间的差异。在这种情况下，根据观察到的测量结果，该增量已设置为 7 dB。虽然模拟器在某些情况下会因为增量较大而生成警告，但它仍将正确模拟并生成与测量性能非常匹配的结果。

ACLR 仿真

随着我们从CW测量和仿真转向调制信号行为，系统参数数据集的价值也在增加。虽然器件数据手册中提供了有关器件增益、压缩、IP3和噪声系数的信息，但在为通用用途设计的器件数据手册中不太可能找到显示调制信号性能的曲线。此外，如果没有仿真或测量，ACLR 和 EVM 等指标就不容易预测。

图5显示了0.25 W驱动放大器ADL5320由5 MHz宽载波驱动时的2140 MHz功率扫描的仿真结果。仿真载波由11个均匀分布的子载波组成，ACLR在5 MHz载波偏移下测量。

图5.ACLR 模拟。

仿真表明，ACLR 在 –15 dBm 的输入功率下达到最佳值。低于此输入功率时，ACLR 会随输入电平逐 dB 而降低。图的此区域由数据集中的噪声系数数据主导。当输入功率增加到–15 dBm以上时，ACLR的降级速率与器件的IP3密切相关。值得注意的是，此仿真的结果依赖于噪声系数数据（低功耗）和IP3数据（高功率），以产生在宽功率范围内准确的ACLR扫描。

该图还包括测量数据（蓝色）。对于 –15 dBm 的输入功率电平，它无法达到相同的最佳电平;这是由于测量设置的局限性。值得注意的是，随着输入功率电平的增加，测得的ACLR下降得更快。这是因为器件的OIP3会随着输入/输出功率电平而略有下降（理想情况下，它不应该改变）。设备型号数据集中的 IP3 是单个数据集，不会随功率级别而变化;它可以被认为是设备的小信号IP3。这又是一个实例，其中 X 参数模型及其更复杂的水平依赖性建模可能会产生更准确的模拟。

EVM 仿真

系统参数模型也可用于可靠地仿真 EVM。图6显示了EVM与RF功率电平的测量和仿真扫描结果，其中输入信号是驱动ADL5602的1 MSPS、16 QAM载波，这是一个50 MHz至4 GHz增益模块。这表明在低功率和高功率水平下的测量和仿真之间具有出色的相关性。

温度模拟

ADI库中的默认系统参数数据集仅包含环境温度数据。但是，可以通过向包含温度数据的数据集添加其他选项卡来扩展模型。图7显示了18 GHz至44 GHz、1 W功率放大器ADPA7007的数据集。该数据集具有单独的选项卡，其中包含相同的增益、噪声和失真数据，但在–55°C、+25°C和+85°C时。 Genesys和SystemVue模拟器使用这三个数据点在其他温度下生成插值数据，如图7所示。

ADS 中的模拟

系统参数数据集是是德科技 Genesys 和 SystemVue 的原生数据集，但在是德科技 ADS 中不起作用。有一种解决方法是将系统参数数据集导入 ADS，允许执行噪声、失真和压缩模拟。这涉及使用放大器2模型。Amplifier2 型号是是德科技 ADS 的原生型号，提供与系统参数型号类似的功能。图8所示为包含放大器2模型的ADS原理图。该原理图还包含两个数据访问元件：DAC1 和 DAC2。这些DAC用于将系统参数数据与放大器2模型相关联。噪声系数、OIP3和OP1dB数据被格式化为文本文件，并使用DAC1组件与放大器2模型相关联。DAC2 组件用于将 S 参数数据与放大器 2 模型相关联。这在 ADS 中生成了一个放大器 2 模型，可用于执行所有已经讨论过的仿真，但在是德科技 ADS 中。

必须小心使用此方法。当执行RF功率扫描时，Amplifier2模型被严重压缩，仿真性能往往与观察到的测量性能明显偏差。此外，创建使用 S 参数数据以及噪声、失真和压缩数据的 Amplifier2 模型最适合具有良好基线输入和输出回波损耗（S11 和 S22）的器件;ADI公司的大多数RF放大器都不需要外部RF匹配元件。通过向DAC1组件添加标量增益并省略S参数数据（即省略DAC2），可以创建更简单的放大器2模型。

图6.模拟和测量宽带增益模块的 EVM 功率扫描。

图7.18 GHz至44 GHz、1 W功率放大器ADPA7007的仿真增益和噪声系数与温度的关系。

结论

系统参数数据集是一种新型的实用射频放大器仿真工具。它们比 S 参数更强大，后者不对噪声、失真和压缩进行建模。它们不像 X 参数模型那样复杂，可以改善模型级别相关的行为，例如 AM 到 PM 失真和 ACLR。但是，系统参数模型具有简单的表格结构，可以通过将S参数数据与噪声系数、OIP3和OP1dB数据相结合来轻松创建。模拟数据和测量数据的比较显示出出色的一致性。虽然系统参数模型不能在 ADS 中使用，但可以遵循一个相对简单的过程来使用 Amplifier2 模型结构迁移数据集，该结构是 ADS 原生的。

审核编辑：郭婷