利用ADS中的S参数仿真方法建立和导入S2P文件

动态仿真、静态仿真和瞬态仿真，是3类基础仿真。S参数仿真是ADS中最重要的仿真方法之一，在分析线性网络传输函数、输入输出特性方面应用广泛，也是射频二端口网络中最重要的仿真分析。

今天的内容有点多，也比较费脑子，我分别从：基本概念、S参数仿真面板与仿真控制器、S参数仿真实例目标、实验目的、电路优化、利用S参数仿真数据建立和导入S2P文件进行总结。

基本概念

1、S仿真基本原理：S参数是在入射波和反射波之间建立的一组线性关系，在射频电路中，通常用来分析和描述网络的输入输出特性。在进行S参数仿真时，一般将电路视为一个二端口网络，通过线性化和小信号分析，得到S参数、线性噪声参数、传输阻抗以及传输导纳等电路参数。ADS中S参数仿真主要包括以下功能：通过分析线性网络获得电路的S参数、Y参数、Z参数和H参数等；对电路的群时延进行仿真；对二端口网络的噪声特性进行仿真；通过扫描变量获得电路和S参数有关的参数信息。

2、什么是S参数？S参数的含义？

S参数也就是散射参数。是微波传输中的一个重要参数。S12为反向传输系数，也就是隔离。S21是正向传输系数，也就是增益。S11为反射系数，也就是输入回波损耗，S22为输出反射系数，也就是输出回波损耗。良好的传输线，讯号从一个点传送到另一个点的失真（扭曲），必须在一个可以接受的程度内。S参数是在传输线两端有终端的条件下定义出来的，一般Z0=50Ω，S11表示Port1量反射损失（return loss），主要是观测发送端看到多大的讯号反射成份；值越接近0越好（越低越好，一般-25~-40dB），表示传递过程反射越小，也称输入反射系数。S21表示讯号从Port 1传递到Port 2过程的馈入损失，主要是观测接收端的讯号剩多少；值越接近1越好（0dB），表示传递过程损失越小，也称顺向穿透系数。

3、阻抗匹配：

阻抗匹配首先来说阻抗变换网络：电抗元件不消耗功率，那么传递给负载阻抗的功率完全取决于Rl。为了使负载获得功率最大，应该使源阻抗和负载阻抗虚部相反，抵消。因此当一个恒压源阻抗和负载阻抗成共轭复数时，负载从电源上获得的功率最大，阻抗变换的目的就实现了。阻抗变换网络就是为了实现阻抗匹配。

4、史密斯圆图

史密斯圆图是一款用于电机与电子工程学的圆图，主要用于传输线的阻抗匹配上。一条传输线的电阻抗力会随其长度而改变。史密斯圆图是反射系数的极坐标图，反射系数也可以从数学上定义为端口散射参数，即S11。反射系数定义为反射波电压与入射波电压之比。

S参数仿真面板与仿真控制器

1、标准S参数仿真控制器（S-PARAMETERS）

主要设置S参数仿真的频率扫描范围、仿真选项以及噪声分析等内容。

2、S参数仿真测试控制器（S-PARAMETER TEST LAB）

其参数与标准S参数仿真控制器设置的参数基本相同。

3、S参数扫描方案控制器（SWEEP PLAN）

用户可以在控制器中设置扫描方案，对多个变量进行扫描分析。

4、参数扫描控制器 （PARAMETER SWEEP）

参数扫描控制器，在控制器中可以设置S参数仿真的扫描变量、仿真控制器等信息。其中“Sweep Var=”表示进行仿真时设置扫描变量；“SimInstanceName[1]...[6]=”表示对指定的放着呢控制器设置参数扫描，“Start”、“Stop”、“Step”参数与标准S参数仿真控制器中参数定义相同。

5、S参数仿真选项控制器（OPTION）

S仿真选项控制器，与直流仿真、交流仿真、瞬态仿真中的功能相同，对电路中的环境温度、设备温度、仿真收敛性等内容进行设置。

6、终端（Term）

在终端中可以定义网络端口和阻抗信息，默认情况下为阻抗50欧姆，该元件是进行S参数仿真不备元件。

7、最大增益控制器（MaxGain）

主要用于在仿真中的最大增益。

8、功率增益控制器（PwrGain）

主要用于在仿真中分析电路的最大功率增益。

9、电压增益控制器（VoltGain）

主要用于在仿真中分析电路的最大电压增益。

10、驻波比控制器（VSWR）

主要用于在仿真中分析电路的驻波比。

11、输入导纳控制器（YIN）

主要用于在仿真中分析电路的输入导纳，在数据显示窗口中可以显示其矩形图或数据列表。

12、输入阻抗控制器（Zin）

主要用于在仿真中分析电路的输入阻抗，在数据显示窗口中可以显示其矩形图或数据列表。

13、史密斯圆图控制器

包括增益圆图、噪声系数圆图、稳定性圆图等类型，主要用于在仿真中分析电路的不要数据的各类圆图，并进行显示。

S参数仿真实例目标

在仿真中将放大器视做一个二端口网络，以获得放大器S（2，1）和S（1，1）参数值。之后通过建立匹配电路进行优化，使放大器S参数在2.4GHz频率时满足以下要求。S(2,1)大于10dB，即放大器赠与大于10dB；S(1,1)小于-10 dB，即放大器反射小于-10dB。

实验步骤

1、在之前的基础上建立下面的原理图

2、图中的Term和表示的是阻抗为50Ω的终端，S-PARAMETERS是进行S参数仿真的参数控制器，在Simulation-S_Param中，如下图：

3、接下来，进行仿真，显示S（2，1）随频率变化的图形和S（1，1）的史密斯圆图。

4、分别标记在2.4G频率下的情况，可以看到S(2,1)唯一达到10dB的要求。

5、S(1,1)显示的是归于化后的阻抗值Z0，这里需要双击数据，把Z0设置为50欧姆，计算出S(1,1)。

由上图的S(2,1)和S(1,1)可以看出不满足条件，由史密斯圆图可以看出输入阻抗与50Ω不匹配，离原点还很远，造成反射，所以要对放大电路进行匹配电路设计。（当一个恒压源阻抗和负载阻抗成共轭复数时，负载从电源上获得的功率最大，阻抗变换的目的就实现了。）

电路优化

在电路优化仿真之前需要了解一个优化控制器面板“Optim/Stat/Yield/DOE”中的优化仿真控制器（Optim）、优化目标（Goal）等，这里我们只用到了这两个。

对电路的阻抗进行匹配，就是对匹配电路的电感和电容值进行优化，所以需要设置电感和电容值。具体的方法是：在输入端插入一个电感L3和一个电容C3组成的L型匹配电路，在输出端插入电容C4和一个电感L4组成的L型匹配电路，之后对这些值进行优化。由于之后需要对匹配电路的电感和电容值进行优化，所以需要设置电感和电容值具有一定的优化范围。以输入匹配电路中的电感L3为例，具体方法如下，双击电感，弹出设置对话框，如图所示。

1、双击L3，出现如下界面，选择Tune/Opt/Start/DOE Setup ...表示调整，优化，开始等。

在Optimization Status优化状态选择使能，填写最大值和最小值，选择OK。同样对于C3、C4电容的容值和L4的电感值也这样设置。电容的值范围设置为0.01pf到3pf，电感范围设置为1nH到40nH。

设置完成之后输入输出阻抗匹配的电路如下：

2、在原理图窗口中选择优化控制器面板“Optim/Stat/Yield/DOE”，选择优化控制器Optim插入原理图中。设置迭代的优化次数Maxlters为200。

3、优化控制器需要与优化目标配合才能，所以继续在优化控制器面板“Optim/Stat/Yield/DOE”中选择两个优化目标GOAL，插入原理图中，并双击GOAL进行设置，dB(S(1,1)、dB(S(2,2)表示优化的目标值，”SP1”表示优化的目标控制器是SP1，目标的最大值是-10dB，频率范围是2350MHz和2450MHz，分别对两个GOAL进行设置。

4、最终完成的电路图如下图所示：

5、选择Simulate->Optimize

6、点击Coutinus和Simulate，得到优化后的数据。

7、运行完成之后，选择Update Design...，点击OK,这时，就可以看到原理图中的值根据我们匹配的值进行了改变。

如果没有更新，还可以Simulate->Update Optimization Value

8、跟新之后对电路进行仿真，可以发现优化之后的S(1,1)和S(2,2)都小于-10dB，满足了要求。

9、接着继续插入史密斯圆图，添加S(1,1)和S(2,2)，修改阻抗值Z0为50，进行标注，可以发现相比与之前更接近史密斯远点，所以达到了设计的目标。

利用S参数仿真数据建立和导入S2P文件

1、写入，在实际的射频系统设计中，许多射频元件和电路都是由S2P文件格式提供的。用户在自己进行设计时，也可以生产S2P文件，以方便在系统设计时进行调用。方法如下：

在dftool/mainWindow中进行设置，根据如下，写入。

写入完成之后在eesofdftool中会显示File write was successful。

2、调用生产的S2P文件进行仿真，新建一个原理图并保存，在Data Items中选择S2P这个元件进行插入，并双击进行设置，最后进行应用和OK。

接下来，添加S参数仿真控件和输入输出端口，连线，并设置好，如下图：

接下来就可以进行S参数仿真，可以发现也之前的仿真是一样的。

好了，今天的笔记就记录就在这里了，内容有点多，希望对大家有帮助。