基于ADS的射频微波元器件模型库构建

仿真是早期验证最重要、最直观的手段，也是研发过程中发现问题和优化设计的重要途径。本文针对不同类型器件，提出了基于原理图模型、行为级模型以及测试模型，建立射频微波模型库。其中，使用基于测试结果的X参数能够成功对放大模块、检波器、混频器等非线性器件进行有效建模。统一的射频元器件模型平台将使现有的元器件参数电子化，同时便于加入新元器件的设计电路或测试结果等，能够保障射频系统设计的有效开展。

1、引言

在进行通讯系统设计时，为了保证系统性能、保障研制周期，有必要在系统设计阶段充分评估系统性能、验证系统算法、合理分配分系统指标，利用先进仿真技术为总体部门提供技术支撑保障，提高各部门设计效率，增进部门之间的协作。

数字化样机研制平台建设就是基于这一需求进行的重要尝试。使用仿真技术，在系统指标分配阶段，进行系统建模及算法建模，通过仿真得到整个系统的电气性能，考虑关键指标对系统性能的影响。采用仿真技术进行模拟，可以尽早考虑分系统间的相互影响，合理进行系统指标分配，通过合理的技术手段解决问题，提高系统的稳定性。

在进行数字化样机研制过程中，必须将射频微波电路的性能加以考虑，以最大程度接近系统的实际工作状态。如何将已有电路或设计中的元器件性能加以考虑，是进行数字化样机研制的基础保障工作之一。建立射频元器件模型库的工作使现有的元器件参数电子化，同时能够快速加入新元器件的设计电路、测试结果等，保障数字化样机设计工作的开展。

2、业界现状

目前射频、微波设计人员尚处于按照指标完成设计、调试工作的阶段，没有对完成后的产品进行系统的建模、归档工作，这样会存在一些问题：

· 缺乏统一的设计、仿真平台，在进行系统仿真时缺乏器件模型支持；

· 缺乏规范的测试模型库，已有电路的使用率不高，往往是在不同的系统中，针对类似的功能元器件重复设计、调试电路，造成人力、物力的极大浪费；

· 文档管理工具匮乏，人员组织结构发生变化后，已有的电路、模块难以再次使用，已有经验的可继承性不高；

· 对于非线性器件没有适当的模型进行描述。如放大器、混频器等器件，无法进行宽频带、功率相关指标的描述。

针对目前的这些问题，选用目前市场占有率最高的射频、微波及系统设计软件，是德科技的ADS作为设计平台，进行射频元器件模型库建设，以满足在进行射频系统设计时对基本电路单元的需求。

3、模型库建立

针对射频电路设计、使用的特点，将器件模型、元器件图标、帮助及说明文档、版本控制文档等进行有机集成，形成风格统一、内容灵活多变的射频元器件模型库。模型库具体组成参考图1：

元器件库建设的重点在于选择适当的模型对元器件进行正确表征。基于射频微波元器件的特点，将元器件模型库分为三种模型进行建模。基于原理图的模型可以直接将子电路带入上一次电路、系统进行仿真，但如果加入多个子电路，会让系统仿真速度变慢。行为级模型和基于测试的模型都属于黑盒模型的范畴。基于原理图的模型是自顶向下进行系统指标规划等工作的设计流程，而基于测量的模型则是自底向上进行系统性能验证的设计流程。

3.1 基于原理图的模型

一些常用电路，可以直接对其原理图进行模型提取，将其生成子电路，在后期电路中直接进行调用。图2是个非常典型的子电路结构，通过加入此滤波器的图标，可以快速将对应子电路拓扑加入到电路中。

3.2 行为级模型

行为级模型（behavioral models）是从元器件的电学工作特性出发，把元器件看成"黑盒子"，测量其端口的电气特性，提取的器件模型，即可以用公式来描述器件的工作特性。通常情况下，使用多项式来对放大器等工作特性曲线进行拟合。

如器件厂商在产品手册中提供的某一频率的增益、噪声系数、输出功率、1dB压缩点、三阶交调截断点等指标，可以加入已有模型，系统自动拟合出器件的工作曲线。如图3中，将不同频率下器件参数输入放大器模型，可以得到放大器在不同频率、功率下的响应。

3.3 基于测量的模型

很多时候，基于知识产权保护的考虑，即使是同一个单位，同事或部门之间进行电路原理图的共享也不太可能。可以要求器件或电路的设计人员进行模型提取，提供器件的黑盒模型。

在更多时候，获得射频元器件的原理图或行为级模型非常困难。这就要求必须对已有器件或外协器件进行测试，并进行建模，创建模型库。

模型参数提取或测量可分为两类：线性模型及非线性模型。

3.3.1 线性模型提取

对于线性模型，通常可以使用n端口散射矩阵（S参数）来进行描述