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单管基于ADS的仿真步骤《基本流程》 [复制链接]

 

单管仿真准备

 

1 具备ADS基本操作能力,直流仿真,S参数仿真,谐波仿真等

2  具备传输线,微波网络基本理论知识

3 具备微波固态功率放大器设计的基本概念(阻抗匹配和稳定性方面的知识)

 

 

基本流程

 

  • 0 模型的下载与加载
  • 1 静态工作点的确定(可以参考器件资料)
  • 2 输出最佳负载的确定(参考Loadpull的使用)
  • 3 依据确定的输出负载,进行输出匹配设计
  • 4 输入阻抗的确定
  • 5 根据输入阻抗进行输入匹配设计
  • 6 添加功放管模型,偏置电路,对单管进行仿真
  • 7 根据仿真数据进行优化
  • 8 稳定性仿真
  • 9 生成版图

 

Freescale模型下载与加载

 

  • 1 登陆freescale的网站
  • 2 注册一个账号
  • 3 找到所需要管子的design kit,如下图
  •  
  • image.png
  •  
  • 是一个.zip的文件,然后点击下载即可。
  • 4  模型加载到ADS中
  • 在ADS的主窗口中,点击DesignKit下的install design kit 或者 set up design kit两个选项均可,现在以install design kit为例。点击install design kit,打开如下图所示的窗口 (注明,下载后的压缩包是一个.zip文件,需要对其进行解压)
  • image.png
  • 点击path旁边的browse按钮,加载刚才.zip解压后的文件。
  • 5 加载成功与否的判别标准 如果是黑色的显示,代表加载成功,点击OK即可。(反之如果路径,名字等显示为红色,代表加载失败)
  • image.png
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静态工作点的确定

 

image.png

  • 将功放管模型添加直流仿真中去,设置Vg,Vd的扫描范围。开始仿真,出现如下所示的数据结果。
  • 一般静态工作点的选取可以参考器件资料。

image.png

最佳负载阻抗的确定(Loadpull)

 

  • 实际的Loadpull测试系统(如下图所示)
  • image.png
  • 功率放大器在某一频率大信号工作的时候,它的最佳负载阻抗会随着输入功率的增加而跟着发生改变。所以,我们必须在smith原图上,根据不同的输入功率定位。每给定一个输入功率值时,绘制出在不同的负载阻抗时候的等输出功率曲线,帮助我们找出最大输出功率时候的最佳负载阻抗,这样的方法就称为Loadpull。
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本帖最后由 btty038 于 2020-11-19 13:12 编辑

ADS软件中的Loadpull系统

image.png

  • 上图为ADS中的Loadpull,调用方式:从原理图窗口中,菜单栏中DesignGuide下拉菜单中选择Loadpull,然后选择单音模式,
  • image.png
  • 就可以弹出上图所示的窗口。
  •  
  • Loadpull中参数设置

 

  • 1 设置输入功率和偏置电压
  • Pavs为输入功率,Vhigh为漏极电压,Vlow为栅极电压。

image.png

  • 2 参数S11的设置

 

image.png

  • 上图中参数设置说明
  • S11_rho为圆的半径
  • S11_center为圆的圆心坐标
  • Pts为在所圈定的圆的范围内的扫描的点数
  • Z0为参考特性阻抗
  • 该圆图中参数的计算方法,参见右图文档 image.png
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仿真结果的说明

 

  • 仿真结束后会弹出如右图的数据结果。每一个阻抗值对应一个在该点的效率值和一个功率值。
  • image.png image.png
  • 上图是根据扫描的点数绘制出来的等功率和等效率曲线。
  • 从图中可以看出:红色曲线为等效率曲线,蓝色为等功率曲线。旁边的方框会显示一个最大效率和一个最大功率值。
  • 根据数据结果,选择一个功率和效率的最佳折中点,确定为最佳负载阻抗ZL

匹配网络示意图

 

image.png

  • 弄清楚 Zin, Zout, ZL, ZS几个阻抗的具体含义,(可以参考功率放大器设计书籍中的阻抗匹配设计章节中的内容)
  • 我们通过Loadpull所找出来的,就是图示中的ZL,称为最佳负载阻抗。

 

设计输出匹配微带

 

  • 根据所确定的ZL来进行输出匹配的设计
  • 具体设计方法有两种:
  • 1 将ZL取共轭后,匹配到50欧
  • 2 从50欧匹配到ZL
  • 使用工具:ADS中的smithchart,打开后如下图所示。
  • image.png
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Smithchart说明

 

  • 1 在network schematic中设置源阻抗和目标阻抗值。
  • 2 为避免操作时候将源阻抗挪动,操作的时候可以选择smith圆图下面的Lock选项
  • 3 在右图中的元件面板中可以选择 匹配设计时候所需要的元件。
  • 4 smith圆图中Q圆的说明
  • Smith圆图中可以添加等Q值圆,设定相应的Q值后,点击OK,在smith圆图上就会出现对应的Q圆。
  • Q值越小,匹配带宽越大;反之亦然
  • 整个匹配网络的带宽是由smith圆图中Q值最大的点决定的。

image.png

  • 5 在smith圆图中将匹配设计完成后,点击圆图下面的Build ADS Circuit按钮,可以生成如下图所示的匹配电路

image.png

  • 上面生成的匹配电路中的微带是用电长度,频率和阻抗值来表示的。我们需要将其转换为我们实际板材所对应的微带。如下图所示。
  • 实际的微带是用板材,宽度和长度来表示的,电容可以选择ATC的电容库来添加。

image.png

 

 

 

 

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电长度到实际微带的转换

 

image.png

  • 在上图中
  • Electric中设置阻抗和电长度
  • Substrate Parameters中设置,相对介电常数,板厚,覆铜厚度,损耗正切(这个可以不设置,影响比较小)
  • 点击Synthesize按钮,就可以在Physical选项下看到对应的长度和宽度
  • 按照此法转换为实际的微带即可。

 

输入匹配的设计

 

  • 找出源阻抗后,按照输出匹配的设计方法,设计输入匹配,同样转换成与我们实际一致的微带(宽度,长度) 到
  • 此输入,输出微带匹配设计已经基本完成

 

微带突变地方的考虑

 

  • 为了减小微带线的不连续性,考虑到突变位置的连接,需要添加一些微带模型,如下图所示。
  • image.png

供电线设计准则

  • 基本原则
  • 供电线的加入,不影响输入,输出匹配
  • 栅极供电
  • 栅极一般用个大电阻,电感,或者四分之一波长线加电容
  • 漏极供电
  • 1 射频隔离:隔离工作频段的射频信号
  • 利用四分之一阻抗变换特性,如下图所示。

 

image.png

  • 选择适当的旁路电容,使得它在工作频段内呈现低阻,即选择电容的串联谐振频率在工作频段附近的电容对地。使得它经过1/4波长变换线后呈现高阻。
  • 阻抗变换公式: image.png
  • 2  基带阻抗
  • 作用:改善记忆效应
  • 设计原则:在基带内呈现短路。可以通过调整漏极供电线上滤波电容的位置,大小来调整。
  • 对漏极供电电路搭建一个如下图所示的电路

 

image.png

  • 对上述电路进行仿真,得到如下图所示的结果

 

image.png

  • 从上图的结果中可以看出,对于工作频段呈现高阻,对于基带呈现低阻。
  • 小结
  • 电记忆效应主要受基带阻抗的影响,RF阻抗对其影响不大,但放大器的其他性能参数(如增益,功率等)与RF阻抗有关系,因此如何确定基带阻抗和RF阻抗需要综合考虑。
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  • 信号发生器
  • 下图所示为单音信号发生器,Pin设置为变量,代表输入功率;设置工作频率。dBmtow()的作用是将输入的功率dBm转换为W的形式。
  •  
  • image.png
  •  
  • 电流检测器件
  • 从元件面板中的Probe components中可以调用如下图所示的电流检测装置,将其串联在电路中即可。
  •  
  • image.png

 

需要添加节点的位置

 

  • 输出匹配后添加一个电流检测和电压节点。如下图所示。
  • image.png
  •  
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ADS中数据说明

 

  • Vload为节点电压,此处的电压值可以在仿真后数据中显示其电压值。它是依赖于仿真器的,仿真器将会根据自己的参数计算此点的电压。HB仿真器计算后会是一个复数矩阵。
  • 电流控件也将计算电流的复数矩阵形式
  • 数据处理中,标示非常重要,因为ADS中所有的数据计算均是复数矩阵计算。如果忘记了标示很可能在后的计算中出错,而且查找起来比较麻烦。

数据显示设置

 

  • 仿真完成后弹出的数据窗口中,添加如下公式
  • image.png
  • 上式中real()代表取实部
  • Conj()代表取共轭
  • Pdel—W表示计算出来的是以W为单位的值
  • Pdel—dBm是将W转换为dBm
  • Gp为管子增益
  • Pdc为直流功耗
  • PAE为效率
  • 由于计算出来的数据都是以复数矩阵表示的,故需要添加标注得到所需要的数据。
  • 【0】代表直流分量
  • 【1】代表基波分量
  • 【2】代表二次谐波分量
  • 这样我们就可以在数据结果中得到我们想要的结果,S11,Gain,P-1,Psat,效率。如下图所示。
  • image.png
  • 到此,单管仿真已基本完成。观察数据结果,如果达到要求,仿真结束。如果没有达到要求,可以选择优化参数。
  • 优化参数的方法有两种
  • 1 手动调谐
  • 2 自动优化
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手动调谐

  • 点击图标    , 然后选中所需要优化的变量,在如下图所示的参数调整中,设置参数的调整范围(起始值和终止值),设定调整间距,然后互相之间配合来调整,一边调整一边观察数据显示的结果,直到达到满意的值为止。
  • image.png

自动优化

 

  • 在元件面板列表中选择优化列表,添加优化组件,如下图所示

 

image.png

  • 在goal中设置优化的目标,以及优化目标的目标值,设置完成后,然后把输入,输出匹配的微带的长度设置为可以优化的变量,如下图所示。开始优化,就可以得到所需要的值,最后在原理图中将优化找到的最佳值,替换以前的值。
  • image.png
  • 注意:使用自动优化,自动优化变量很多,往往不可能一步优化出最佳值,需要不断的变换调整,最后才可以找到一个最佳值。可以观察,仿真器的运行状态,在状态显示窗口中只要看到CurrentEF的值为零,就代表优化已经完成。(CurrentEF表示与优化目标的偏差,数值越小表示越接近目标)
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稳定性判别介绍

 

  • 1 image.png
  • ADS中与之对应的插件
  • 从S参数仿真面板中调用,如下图的两个插件。根据上式的判别方法对数据结果进行分析,以确定稳定性。
  • image.png
  • image.png
  • 从上图中可以看出,在整个频带内不是绝对稳定的,需要采取一定的手段让其稳定。
  • 2 image.png
  • ADS中与之对应的插件
  • 从S参数仿真面板中调用,如下图的两个插件。根据上式的判别方法对数据结果进行分析,以确定稳定性。
  • image.png image.png
  • MU1与u1对应,MUPrime与u2对应
  • 3最常用的判别方法(只需要1中的一个插件即可)
  • image.png
  •  
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Layout介绍

 

  • 仿真完成后,点击layout菜单栏下的Generate/Update Layout选项,可以生成如下图所示的版图。
  • image.png
  •  

导成AutoCAD

 

  • 在版图的file菜单选项下,点击Export选项,弹出如下所示窗口,选择文件类型为DXP/DWG,选择生成文件所在的路径,点击OK,就可以生成AutoCAD了。
  • image.png

Help

 

  • 当对某些插件的具体起什么作用不是很清楚的时候,注意点击help,可以查看该插件的介绍,直接用来干什么的。
  • 总之,多用help,相当于自己帮自己。
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