芯耀
与非AI
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在本文中我们将讲解如何使用.sNp和.txt文件进行小信号、大信号性能建模。然后演示如何在ADS中使用Amplifier2和AmplifierS2D这两种行为模型来仿真大信号性能，其中AmplifierS2D模型还包含压缩参数和三阶互调失真（IP3）的仿真。
一、小信号S参数模型
我们可以利用S参数数据（文件格式为.sNp或.txt。），在ADS中对多个器件级联后的小信号性能进行建模和绘图，见下图所示。
二、大信号行为模型
利用S参数数据、ADS内置的多种放大器行为模型，以及谐波平衡仿真，ADS可以仿真级联链路的小信号和大信号特性（例如输出功率、增益、IP3、谐波随输入功率的变化曲线）。
其中一种方法是使用ADS的Amplifier2行为模型，配合通用多维数据文件（.mdf）。
只需修改S参数文件的首行，并添加Begin和End语句，就能从S参数数据轻松生成 .mdf 文件。
下图分别给出了放大器原始的.s2p文件，以及新生成的.mdf文件格式对比。
修改前：
修改后：
…
格式行（%）中使用的变量名
freqW、S11dB、S11Ang、S21dB、S21Ang、S12dB、S12Ang、S22dB、S22Ang
是用户自定义的，可以任意取名，但必须在ADS原理图里作为变量声明并引用。
关键字（real）表示该数据项是实数。
格式行（%）里的每个变量，决定了后面数据行中数值的排列顺序。
之后，DAC器件（数据访问组件）会读取与这些变量对应的数据。
关于.mdf文件的详细使用方法，可以参Agilent Technologies Advanced Design System Tutorial, “Using Circuit Simulators”。
文章地址：
https://edadownload.software.keysight.com/eedl/ads/2011_01/pdf/cktsim.pdf
下图给出了所需的变量控件、S参数控件和参数扫描控件的说明。
三、变量定义
如上上图所示，所需参数通过DataItem模块VAR1、VAR2、VAR3、VAR4、VAR5从DAC组件中读取。
四、参数扫描设置
Parameter Sweep（参数扫描）模块用于定义扫描变量（SweepVar），这里我们自定义为freqW。
该模块还必须指定S参数仿真或谐波平衡仿真的实例名称（根据需要设为 SP1或HB1），以便在对应的仿真控件中被引用。
扫描的起始频率和终止频率通过扫描变量freqW来设置，如下图所示。
也可以通过该模块设置步长或每十倍频点数。
五、S参数与谐波平衡频率定义
- S参数仿真：起始频率和终止频率通过前文定义的变量freqW指定，步长需与参数扫描模块中的设置保持一致。
- 谐波平衡仿真：基频由变量freqW给出，同时必须指定分析过程中使用的谐波次数。
六、小信号仿真结果（S参数）
通过运行S参数仿真，可获取放大器的二端口S参数，相关结果展示于下图 中。
这些结果当然与使用原始.s2p文件得到的结果完全一致。
七、大信号仿真结果（谐波平衡）：Amplifier2行为模型
如下图（下图）所示，可通过搭建电路并执行谐波平衡仿真，利用Amplifier2行为模型对器件的大信号性能进行建模。
放大器的二端口大信号参数仿真结果（输出功率随输入功率变化、增益随输入功率变化）如下图所示，以输入功率变量Pin为自变量。输入功率范围在谐波平衡仿真控件中设置。
这些结果是通过在行为模型中加入放大器的压缩特性参数(Psat、GainCompSat、GainCompPower和GainComp）得到的，详见下图。需要注意的是：ADS不支持同时分析多个频率，因此在使用不同载波频率时，必须针对每个频率手动替换上述参数。
通过将行为模型修改为包含二阶互调（SOI）和三阶互调（TOI）参数，并移除上述压缩与饱和参数，还可以对二阶、三阶互调性能，以及增益压缩、输出功率饱和特性进行建模。
需要注意：ADS一次仿真只能分析其中一种特性（压缩特性或互调特性，二者不能同时分析），且每次仿真仅支持单一频率。
下图给出了相应示例。
仿真结果相近，但需要注意：
为了与实测（或官方发布）的压缩结果匹配，通常需要对TOI参数进行微调。
因此，建议优先使用第一种Amplifier2行为模型。
虽然这种方式更可靠，但需要知道放大器的饱和特性参数；这些参数并非在所有资料中都会给出，但可以很方便地实测或估算得到。
八、大信号仿真结果（谐波平衡）：AmplifierS2D行为模型
大信号性能也可以使用AmplifierS2D行为模型配合.s2d数据文件进行建模。
其格式与Amplifier2模型所用的 .mdf文件类似，但额外包含了压缩或互调数据。
这种情况下不需要DAC数据访问组件。
下图给出了原理图示例。
通过修改文件头，并添加Begin和End语句，同样可以从我们公开发布的S参数数据中轻松生成.s2d文件。
下图分别展示了放大器原始的.txt文件和新生成的.s2d文件格式。
修改前：
修改后：
…
选项行：# AC (Hz S DB R 50 FC 1 0)用于指定单位，格式行：% F n11x n11y n21x n21y n12x n12y n22x n22y则定义了后续数据行中各数值的排列顺序。
将Amplifier2模型中使用的变量与AmplifierS2D模型的变量对应起来会比较方便，但这并不是必需的。
压缩数据按如下方式附加在小信号数据之后。
在S2D文件中，有七种互斥格式可用于表示大信号响应，每种格式对应一种GCOMP模块类型。
我们推荐使用GCOMP6格式，该格式允许同时设置IP3、P1dB、Psat以及Comp_Sat参数。
使用GCOMP6需要了解放大器的饱和特性，这些参数并非总会给出，但很容易通过实测或估算获得。
关于.s2d文件的使用及不同增益压缩模型的详细说明，可以参Agilent Technologies Advanced Design System Tutorial, “Using Circuit Simulators”。
与之前相同，变量名freqW和Pin可自定义，但必须在ADS原理图中声明为变量并加以引用。
九、小信号仿真结果（S参数）
下图给出了 放大器最终得到的二端口S参数仿真结果。
小信号仿真结果与使用.mdf和.s2p文件格式得到的结果完全一致。
大信号仿真结果如下图所示，与采用带增益压缩数据的Amplifier2模型所得结果一致。
十、三阶互调失真（IP3）
如前所述，使用GCOMP6类型的AmplifierS2D行为模型时，只需在S参数数据后追加所需参数，即可实现三阶互调失真的仿真。
例如在6GHz频率下，模型中采用了+37.32dBm作为IP3取值。
需要对ADS原理图和谐波平衡仿真设置进行修改，以执行双音IP3分析。
下图给出了典型的原理图示例。
原单音信号源已替换为P_nTone多音源，并在其中设置了两个载波频率及其对应的功率电平。
第一个频率Freq[1]为freqW+deltaF，第二个频率Freq[2]为freqW− deltaF，其中变量deltaF为偏离标称载波频率的间隔。
本例中我们将deltaF设置为1MHz，因此两个载波之间的间距为2MHz。
两路功率电平P[1]和P[2]相同，均由变量Pin设定；该变量在HB1谐波平衡仿真控件中定义为从−13dBm到−3dBm以1dB步长扫描。
仿真结果如下。
利用标记点1和标记点2，我们可以计算出输入功率为-3dBm时的输出三阶截点（OIP3）：IP3[Pin=-3dBm]=Pout[m1]+(Pout[m1]-Pim3[m2])/2=+36.14dBm。
在输入功率为：
-13dBmIP3[Pin=-13dBm]=+37.27dBm
该结果与GCOMP6模型中设置的+37.32dBm基本一致，同时也体现了输入功率升高会对IP3产生影响。
最后总结一下
利用放大器官方发布的现有S参数数据，可以提取出非常丰富的设计信息。
许多设计工程师已熟悉这类方法，并将其应用在日常设计流程中。
