S参数的提出和应用课件

1、S参数仿真分析传输线、史密斯圆图、电路匹配结构（二） 8/4/2022第1页，共30页。主 要 内 容S参数的提出及应用S参数仿真技术概要 S参数仿真特殊终端条件传输线史密斯圆图的提出及应用应用史密斯圆图设计匹配电路（与使用Design Guide技术进行对比） 8/4/2022第2页，共30页。一、S参数的提出及应用1.1 为什么射频/微波电路设计要使用S参数？ （1）射频/微波系统使用的元器件与传输线的尺寸，与工作波长可相比拟，电路参数是分布参数，传统模拟电路分析方法不再适用；（2）传统网络参量例如Z参量、Y参量、h参量、ABCD参量需要对系统采用终端开路、短路的测量方法。这在射频/微波系

2、统是不适合的，原因如下：因为微波电路参数是分布参数，存在许多寄生效果，理想的终端开路、短路是不存在的；终端开路、短路构成的不连续性，将在其它端口产生严重的反射电压、电流波，许多电路是不希望或不允许的，可能会造成器件损坏的振荡8/4/2022第3页，共30页。一、S参数的提出及应用1.2 S参数(散射参数)的定义 8/4/2022第4页，共30页。一、S参数的提出及应用1.3 S参数的物理意义 采用适当的负债阻抗ZL=Z0，使2端口负载与传输线特性阻抗Z0匹配，从而测量S11和S21。回波损耗（dB）：正向功率增益（dB）：8/4/2022第5页，共30页。一、S参数的提出及应用 采用适当的负债

3、阻抗ZL=Z0，使2端口负载与传输线特性阻抗Z0匹配，从而测量S11和S21。反向功率增益（dB）：8/4/2022第6页，共30页。2.1 S参数仿真的性质与功能 二、S参数仿真技术概要 S参数控制器用来确定一个n端口电子器件在给定频率下的响应信号波形。它是在考虑其它端口匹配条件下，一类特殊的小信号交流仿真，通常被用来描述射频/微波无源元件的特性及确定非线性器件在特定偏压和温度下的小信号特性。 使用S参数仿真可获得一个元件、电路或子网络的 计算S参数、Y参数或Z参数仿真群延时或线性噪声仿真如混频器等非线性电路的小信号S参数上的频率变换效果8/4/2022第7页，共30页。2.2 S参数仿真准

4、备工作二、S参数仿真技术概要 在设计中导入元器件模型并正确连线添加并正确设置S参数仿真控件，并选定将要分析的数据项目 对要分析的端口添加接地的端口阻抗（Term）模块，设置相应端口阻抗值 通过对网络中命名节点和添加电流表，获取感兴趣节点处的电压、电流数据 8/4/2022第8页，共30页。2.3 S参数仿真控件参数设置 二、S参数仿真技术概要 参考ADS2008射频电路设计与仿真实例49-50页S参数频率转换 S参数仿真中只能分析一个频率点对应的噪声，例如对混频器一类的会产生多个频率分量的非线性电路分析噪声，将存在瓶颈。此时，可以设置S参数仿真控件Parameters标签页内的AC Frequ

5、ency Conversion选项有效，仿真器不仅考虑源频率点，还会考虑混频器的边带频率（由用户指定哪个边带），只能限定一个边带。 8/4/2022第9页，共30页。2.4 S参数仿真控件参数设置 二、S参数仿真技术概要 参考ADS2008射频电路设计与仿真实例49-50页，重要补充： S参数仿真中只能分析一个频率点对应的噪声，例如对混频器一类的会产生多个频率分量的非线性电路分析噪声，将存在瓶颈。此时，可以设置S参数仿真控件Parameters标签页内的AC Frequency Conversion选项有效，仿真器不仅考虑源频率点，还会考虑混频器的边带频率（由用户指定哪个边带），只能限定一个边

6、带。 选中Noise标签页下的Calculate noise选项，能够计算电路噪声，即可以计算端口噪声，又可以计算节点噪声，但首先要定义节点。如果群延时数据中出现许多毛刺噪声，可以加大Group delay aperture项的值。如果群延时数据感觉不正确，可以减小Group delay aperture项的值。通常以10倍量程调整该值。 8/4/2022第10页，共30页。2.5 如何消除仿真中的直流不利影响 二、S参数仿真技术概要 对有源电路如放大器进行S参数仿真时，通常会使用DC_Block和DC_Feed元件来消除偏置电路对仿真的不利影响，它们在DC仿真中也常用到。DC_Block元件

7、是理想隔直电容元件，任何频率分量都能够无损耗通过，直流分量完全无法通过。DC_Feed元件是理想隔交流电感元件，直流分量能够无损耗通过，任何频率分量都完全无法通过。 8/4/2022第11页，共30页。2.6 S参数仿真启用扫描参量，使用LinearCollapse模块提高仿真速度 二、S参数仿真技术概要 S参数仿真中只能分析一个频率点对应的噪声，例如对混频器一类的会产生多个频率分量的非线性电路分析噪声，将存在瓶颈。此时，可以设置S参数仿真控件Parameters标签页内的AC Frequency Conversion选项有效，仿真器不仅考虑源频率点，还会考虑混频器的边带频率（由用户指定哪个边

8、带），只能限定一个边带。 8/4/2022第12页，共30页。二、S参数仿真技术概要 8/4/2022第13页，共30页。三、S参数仿真特殊终端条件传输线3.1 仿真短路传输线 8/4/2022第14页，共30页。三、S参数仿真特殊终端条件传输线8/4/2022第15页，共30页。三、S参数仿真特殊终端条件传输线8/4/2022第16页，共30页。三、S参数仿真特殊终端条件传输线3.2 仿真开路传输线 8/4/2022第17页，共30页。三、S参数仿真特殊终端条件传输线8/4/2022第18页，共30页。三、S参数仿真特殊终端条件传输线8/4/2022第19页，共30页。三、S参数仿真特殊终端

9、条件传输线3.3 仿真 传输线 重要结论：传输线长度如果等于半波长，则输入阻抗等于负载阻抗，与传输线的特性阻抗无关8/4/2022第20页，共30页。三、S参数仿真特殊终端条件传输线8/4/2022第21页，共30页。三、S参数仿真特殊终端条件传输线3.4 仿真 传输线 重要结论：通过调整四分之一波长传输线的特性阻抗，可以得到任意值的输入阻抗。四分之一波长变换器用于电路的实阻变换，在匹配电路中经常应用8/4/2022第22页，共30页。三、S参数仿真特殊终端条件传输线8/4/2022第23页，共30页。四、史密斯圆图的提出及应用 相量形式的反射系数用复数展开 归一化输入阻抗用反射系数实部、虚部

10、展开 输入阻抗直角坐标复数平面（实部、虚部轴正交），通过保角变换，映射为反射系数圆坐标复数平面4.1 史密斯圆图的物理意义及建立 8/4/2022第24页，共30页。四、史密斯圆图的提出及应用阻抗圆图 等电阻圆：串联电容、电感 等电抗圆：串联电阻 等反射系数圆（等驻波比圆）：与负载连接的传输线导纳圆图 等电导圆：并联电容、电感、开路线、短路线 等电纳圆：并联电阻 等反射系数圆（等驻波比圆）：与负载连接的传输线4.2 史密斯圆图的分类与应用场合 史密斯阻抗、导纳圆图是后面学习的等噪声圆图、稳定圆图、等增益圆图的基础，一定要牢固掌握。8/4/2022第25页，共30页。四、史密斯圆图的提出及应用4.3 史密斯阻抗圆图分别分析串联电容、电感、电阻，以及与负载连接的传输线8/4/2022第26页，共30页。四、史密斯圆图的提出及应用串联电容串联电阻串联电感串联传输线8/4/2022第27页，共30页。四、史密斯圆图的提出及应用4.4 史密斯阻抗圆图分别分析并联电容、电感、电阻，以及开路、短路传输线8/4/2022第28页，共30页。四、史密斯圆图的提出及应用并联电容并联电阻并联电感并联开路线并联短路线8/4/2022第29页，共30页。五、应用史密斯圆图设计匹配电路 参考ADS2008射频电路设计与仿真实例第三章内