单管基于ADS的仿真步骤《基本流程》

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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
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• 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)
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• 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）
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静态工作点的确定

 

• 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。

最佳负载阻抗的确定（Loadpull）

 

• 实际的Loadpull测试系统（如下图所示）
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• 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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ADS软件中的Loadpull系统

• 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，
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• 就可以弹出上图所示的窗口。
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• 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。

• 2 参数S11的设置

 

• 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

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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。
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• 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

 

• 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。
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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。

• 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

• 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。

 

 

 

 

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电长度到实际微带的转换

 

• 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。
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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。

 

• 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：
• 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

 

• 对上述电路进行仿真，得到如下图所示的结果

 

• 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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单管整体仿真



输入，输出匹配，供电电路设计完成后，添加功放管模型，进行单管仿真。如下图

仿真插件介绍



小信号S参数仿真器，设置起始，终止频率以及频率间隔。


非线性仿真
采用谐波平衡仿真器：设置频率，扫描变量（在Harmonic Balance的Sweep选项中设置），扫描变量的起始值，终止值，步进。

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单管整体仿真



输入，输出匹配，供电电路设计完成后，添加功放管模型，进行单管仿真。如下图

仿真插件介绍



小信号S参数仿真器，设置起始，终止频率以及频率间隔。


非线性仿真
采用谐波平衡仿真器：设置频率，扫描变量（在Harmonic Balance的Sweep选项中设置），扫描变量的起始值，终止值，步进。

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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。
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• 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。
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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。
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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
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• 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。
• 
• 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。
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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

 

• 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。
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• 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
• 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。
• 
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• 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
• 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。
• 
• 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）
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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。
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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。
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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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学习了