射频仿真技术PPT课件

1、1 在技术革命不断深化的今天，不断增加的实际应用对系统设计 提出了更高的要求，具体表现在体积的小型化、模块化和功能的集 成化。这些需求也进而体现在了射频系统的设计上。在现阶段，仅 靠人工计算进行的设计方式无论是在速度上还是计算的准确性上都 已不再适应射频的系统设计。那么选择一款合适的CAD软件来加快 设计进度，提高设计的准确性已成了必然的选择。 仿真软件 有源电 路设计 二维平面 电磁场 无源电 路设计 三维电 磁场 多物理 场 Touchstone HP MIT 数据类型区分：时域、频域、电磁域 仿真类型区分：线性、非线性 应用类型区分：设计、验证 DC仿真的应用： 确定电路的工作点 确定电

2、路的功耗 通过验证I-V传输曲线判断电路是否正常 计算电路中各节点的电压和电流关系 单点直流仿真原理图与计算结果 静态工作点直流仿扫描真原理图与计算结果 AC仿真： 用于计算电路或系统的小信号条件下的频率响应特性 用于计算电路或系统的线性噪声 功放的AC仿真原理图结果与仿真结果 线性噪声指的是系统或电路内部元件由于温度等产生的固有噪声！ 电源噪声、传输噪声的影响不在计算范围之内! Tansient Simulation全称是Transient/Convolution Simulation，从本质上讲，Transient Simulation是时域的仿 真工具，它基于KCL/KVL定理，利用各种

3、积分/微分方程来进行 求解，得到的结果是一个信号的时间域的结果（也就是电压和电 流）。它的基础模型是Spice模型，所以它也是一个Spice类型的 时间域的仿真，一般应用于电路或子系统的瞬态响应仿真。 102030405060070 -50 0 50 100 -100 150 ti m e, nsec Vi f, m V Vl oad, m V Eqn spect rum =fs(V i f, , , , , , , 24ns, 32ns) 0.51.01.52.02.53.03.54.04.50.05.0 -100 -50 -150 0 freq, G H z dB(spectrum ) E

4、qn l oad_spect rum =fs(V l oad, , , , , , , 24ns, 52ns) m 1 freq= dB(l oad_spect rum )=-28. 920 250. 0M Hz 0.51.01.52.02.53.03.54.04.50.05.0 -100 -50 -150 0 freq, G H z dB(l oad_spectrum ) 233. 3M -32. 60 m 1 m 1 freq= dB(l oad_spect rum )=-28. 920 250. 0M Hz Gilbert混频器的仿真及仿真结果t 对任意电路而言，其响应都 需要一个建立时

5、间，必须确 保中止时间大于建立时间， 才可以得到准确的结果。对 于本例而言，此时间大概在 22ns左右。 Envelop 仿真是一个比较特殊的仿真引擎。虽然将现 在多数是将它用于时域仿真，但是其本身却有很强的频域仿 真能力。在ADS的早期版本中，很多使用HB Simulation 的场合，都是用Envelop Simulation来替代的。 通过Envelop仿真可以得到一个复杂信号通过电路/系 统后的包络变化情况。 10203040050 0. 5 1. 0 1. 5 0. 0 2. 0 t i m e, nsec m ag(Vi f 1 ) m 1 freq= dB(fs(vin1,Kai

6、ser)=-15.783 100.0M Hz m 2 freq= dB(fs(vin1,Kaiser)=-20.990 120.0M Hz m 3 freq= dB(fs(vin1,Kaiser)=-20.518 80.00M Hz - 4- 2024- 66 - 80 - 60 - 40 - 20 - 100 0 f req, G H z dB(f s(vi n 1 , , , , , Kai ser) 100.0M -15.78 m 1 Readout m 2 Readout m 3 m 1 freq= dB(fs(vin1,Kaiser)=-15.783 100.0M Hz m 2 fr

7、eq= dB(fs(vin1,Kaiser)=-20.990 120.0M Hz m 3 freq= dB(fs(vin1,Kaiser)=-20.518 80.00M Hz 脉冲调制信号通过放大器后的包络与频谱 在Envelop Simulation中，必须 确定如下几个参数：起始时间、中 止时间与时间步进（这与 Transient Simulation是一致的） 和仿真频率与阶数（这与后面详细 介绍的HB Simulation是一致的）。 HB Simulation全称是Harmonic Balance Simulation，它 也是一种频域的仿真技术，主要用来计算电路/系统的非线性 失真

8、特性。相比于传统的时域仿真而言，频域仿真有着巨大的 优势：可以根据通路中的电压/电流，求出相应的频谱分布， 而且对于大多数线性模型而言，在频域中的表达要比时域中的 更加精确。 利用HB Simulation可以得到以下参数： 得到电压/电流的频谱分量 计算3阶距点、总谐波失真和交调失真分量 非线性噪声分析 m 1 freq= dBm (vout )=3. 995 304. 0M Hz m 2 i nd Del t a= dep Del t a=-73. 477 del t a m ode O N -1. 000E6 300310 -200 -150 -100 -50 0 -250 50 f r

9、 eq, M H z dBm (vout) Readout m 1 Readout m 2 m 1 freq= dBm (vout )=3. 995 304. 0M Hz m 2 i nd Del t a= dep Del t a=-73. 477 del t a m ode O N -1. 000E6 f r eq H z i po1 40. 733 m 3 freq= dBm (I F)=-21. 800 304. 0M Hz m 4 freq= dBm (I F)=-124. 087 303. 0M Hz 300310 -300 -200 -100 -400 0 f r eq, M H

10、z dBm (IF) Readout m 3 Readout m 4 m 3 freq= dBm (I F)=-21. 800 304. 0M Hz m 4 freq= dBm (I F)=-124. 087 303. 0M Hz m 5 freq= dBm (BI t )=-19. 800 304. 0M Hz 300310 -300 -200 -100 -400 0 f r eq, M H z dBm (BIt) Readout m 5 m 5 freq= dBm (BI t )=-19. 800 304. 0M Hz 接收链路的HB仿真 1020304050607080900100 -1

11、10 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 -120 10 noi sef req, KHz pnoi se. pnm x, dBc R eadout m 1 R eadout m 2 R eadout m 3 R eadout m 4 m 1 noi sef req= pnoi se. pnm x=8. 168 dBc 10. 00 H z m 2 noi sef req= pnoi se. pnm x=-23. 07 dBc 110. 0 H z m 3 noi sef req= pnoi se. pnm x=-51. 96 dBc 1. 0

12、10kH z m 4 noi sef req= pnoi se. pnm x=-81. 84 dBc 10. 01kH z 非线性噪声响应的仿真原理图与结果 仿真过程与设置与矢量网络分析仪相同，是最常用的 射频仿真引擎！ 220240260280300320340360380200400 3. 4348325 3. 4348325 3. 4348325 3. 4348325 3. 4348325 freq, M H z N Fm i n 220240260280300320340360380200400 4. 7566899 4. 7566899 4. 7566899 4. 7566899 4

13、. 7566899 freq, M H z nf(2) 基于S参数仿真的线性噪声分析 用于对一个由两端口器件构成的网络或系统进行线性和 非线性仿真，确定系统设计的余量，及系统设计的瓶颈。 M eas_N am e C m p_N F_dB C m p_S21_dB C m p_O ut TO I _dBm N F_R ef I n_dB O ut N PwrTot al _dBm O ut Pwr_dBm O ut PG ai n_dB O ut N 0_dBm O ut SN R _Tot al _dB O ut PG ai nC hange_dB O ut TO I _dBm O ut P

14、1dB_dBm C m p_C t rb_SysN F_N oI m age. . . C m p_C t rb_SysTO I _dB BPF1 0. 000 -2. 656E-6 1000. 000 0. 000 -173. 975 -20. 000 -2. 656E-6 -173. 975 153. 975 0. 000 1000. 000 1000. 000 0. 000 0. 000 M 2 3. 000 0. 000 1000. 000 4. 758 -169. 217 -20. 000 -2. 656E-6 -169. 217 149. 217 0. 000 1000. 000

15、1000. 000 3. 000 0. 000 BPF2 0. 000 2. 007E-6 1000. 000 4. 758 -169. 217 -20. 000 -6. 482E-7 -169. 217 149. 217 0. 000 1000. 000 1000. 000 0. 000 0. 000 AM P2 3. 000 10. 000 30. 600 6. 973 -157. 002 -10. 001 9. 999 -157. 002 147. 001 -0. 001 30. 600 19. 938 1. 757 1000. 000 System _Nam e System I nN

16、0_dBm System I nNPwr_dBm System I nP1dB_dBm System I nSO I _dBm System I nTO I _dBm System NF_dB System O utN0_dBm System O utNPwr_dBm System O utP1dB_dBm System O utSO I _dBm System O utTO I _dBm System PG ai n_SS_dB System PG ai n_dB System PO ut_dBm System S11_dB System S11_m ag System S11_phase

17、System S12_dB System S12_m ag System S12_phase System S21_dB System S21_m ag System S21_phase System S22_dB System S22_m ag System S22_phase System _Val ue -173.975 -170.965 10.937 1000.000 20.600 6.973 -157.002 -157.002 19.938 1000.000 30.600 10.000 9.999 -10.001 -260.227 9.742E-14 89.606 -400.000

18、0.000 0.000 9.999 3.162 -0.649 -400.000 0.000 0.000 Budget仿真及结果 元件级 系统级 作用：用于计算大信号条件下的非线性器件的S参数。 与普通小信号S参数仿真不同，仿真基于Harmonic Balance技术。因为仿真可以包含压缩等非线性过程，所以仿真结 果是与功率相关的。 功放电路的S12仿真及结果 传统的仿真引擎一次只能处理一组数据，当需要比较同 一个电路拓扑，在不同参数下的响应的区别时，可以利用 Batch仿真！ 0. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 11. 0 -30 -20 -10 0 10 2

19、0 30 -40 40 f req, G H z dB(S(2, 1) 0, : : dB(S(2, 1) 1, : : dB(S(2, 1) 2, : : dB(S(2, 1) 0, : : dB(S(2, 1) 1, : : dB(S(2, 1) 2, : : Batch仿真及结果 YIELD 分析能够按照变量元件的离散分布分析 出产品达到性能目标的合格率。通过给出所采用的 器件的连续或离散变化特性，（它们符合电子产品 的分布特性正态分布、高斯分布或其他分布）。 YIELD 分析基于Monte Carlo 方法，需要建立一 定数量的随机试验。设计变量在容差范围内变化， 随机试验中符合设计目

20、标需要的试验次数 （PASSNUMBER）和失败的实验次数将会得到， 从而估算出产品的试验合格率。 电路仿真原理图 Yield仿真设置 Yield仿真结果优化前 Yield仿真结果优化后 射频系统的设计指标 接收机主要技术指标： 噪声系数 带宽 带内杂散 带外抑制 动态范围（主要以三阶交调产物的方式进行刻画） 通道一致性（幅/相） 通道带内波动（幅/相） 如果为中频采样方式 中频采样频率 时钟抖动 频率源主要技术指标： 跳频点数 跳频时间 输出功率 相位噪声 带外抑制 带内杂散 噪声系数HB仿真、S参数仿真 系统带宽HB仿真、S参数仿真、AC仿真 带内杂散What-IF、Spctrasys 带外抑制What-IF、Spctrasys 动态范围HB仿真 通道一致性Yield仿真 通道带内波动S参数仿真 中频采样频率Matlab 采样时钟抖动 导致SNR变化 Matlab 输出功率 HB仿真 相位噪声HB仿真 设计内容： 接收机中放电路 PCB：41mm*44mm介质板，介质板表 面大面积铺地，通过过孔与接地面连接。 仿真频率：1.2GHz1.8GHz 仿