安捷伦X参数详解.pdf
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1、X Parameter WorkshopAgendaWhat is X parameter?Definition,Physical Meaning,AdvantageGenerate X parameter from simulation in ADS(ADS2009U1)Using X parameter in ADS(ADS2009U1)2非线性测试非线性测试非线性测试非线性测试、建模和使用建模和使用建模和使用建模和使用ADS软件进行非线性仿真的新范例软件进行非线性仿真的新范例软件进行非线性仿真的新范例软件进行非线性仿真的新范例Agilent非线性网络分析仪和非线性网络分析仪和非线性网络分
2、析仪和非线性网络分析仪和X参数参数参数参数3Copyright Agilent Technologies 2008Page 4S参数参数参数参数:线性测试线性测试线性测试线性测试,建模建模建模建模,仿真模型仿真模型仿真模型仿真模型 在高频进行测试非常方便在高频进行测试非常方便在高频进行测试非常方便在高频进行测试非常方便?使用线性网络非线性测试行波电压使用线性网络非线性测试行波电压使用线性网络非线性测试行波电压使用线性网络非线性测试行波电压?不需要进行有可能造成振荡或自毁的开路不需要进行有可能造成振荡或自毁的开路不需要进行有可能造成振荡或自毁的开路不需要进行有可能造成振荡或自毁的开路/短路测试短
3、路测试短路测试短路测试 与常用的测试特性相关与常用的测试特性相关与常用的测试特性相关与常用的测试特性相关(增益增益增益增益,损耗损耗损耗损耗,反射系数反射系数反射系数反射系数)可以将多个器件的可以将多个器件的可以将多个器件的可以将多个器件的S参数进行级联预测系统性能参数进行级联预测系统性能参数进行级联预测系统性能参数进行级联预测系统性能 可以在仿真软件中导入和使用可以在仿真软件中导入和使用可以在仿真软件中导入和使用可以在仿真软件中导入和使用S参数文件参数文件参数文件参数文件 但是但是但是但是:没有谐波没有谐波没有谐波没有谐波、失真失真失真失真、非线性信息非线性信息非线性信息非线性信息对非线性器
4、件进行大信号激励对非线性器件进行大信号激励对非线性器件进行大信号激励对非线性器件进行大信号激励,得到的得到的得到的得到的S参数意义不大参数意义不大参数意义不大参数意义不大4Copyright Agilent Technologies 2008Page 5S参数历史参数历史参数历史参数历史1965年,贝尔实验室的Kaneyuke Kurokawa在他的IEEE文章“Power Waves and the Scattering Matrix”(功率波和散射矩阵)中首次引入S参数概念 随后惠普公司推出了矢量网络分析仪进行S参数测试 1984年,EEsof公司推出的频域线性电路仿真软件中首次使用Tou
5、chstone文件格式,Touchstone文件格式被广泛使用,也被称作“SnP”文件。Touchstone文件格式成为事实上的工业标准,不仅用于电路仿真软件,同时也被用于测试仪表 Touchstone后来成为EIA的IBIS项目下的标准(I/O Buffer Information Specification)。2009年4月,IBIS开放论坛批准Touchstone版本由1.1升级为2.0注:1993年,惠普公司收购EEsof公司5Copyright Agilent Technologies 2008Page 6X参数是S参数数学上正确的超集,可以应用于大信号和小信号条件,可以应用于线性和
6、非线性元件X参数是数学上严格定义的!我们可以测试、建模和使用X参数进行仿真这样就可以将测试、建模和设计无缝的连接在一起什么是什么是什么是什么是X参数参数参数参数6对非线性元件进行测试对非线性元件进行测试对非线性元件进行测试对非线性元件进行测试7OutputOutputOutputOutput线性与非线性特性的比较线性与非线性特性的比较线性与非线性特性的比较线性与非线性特性的比较线性特性线性特性线性特性线性特性:l输入与输出频率相同(没有附加频率产生)l输出频率只有幅度和相位变化频率f1时间Sin 360o*f*t频率A相移=to*360o*f1f被测件被测件被测件被测件时间AtoA*Sin 3
7、60o*f(t-to)输入输入输入输入输出输出输出输出时间非线性特性非线性特性非线性特性非线性特性:l输出频率有可能发生频移(例如在混频器的情况下)l产生附加的频率(谐波,互调)频率f18线性特性线性特性线性特性线性特性Vin=Vacos(wat)放大器放大器放大器放大器AVout=AVinAA线性特性线性特性线性特性线性特性与与与与非线性特性非线性特性非线性特性非线性特性比较比较比较比较Vin=Vacos(wat)放大器放大器放大器放大器AVout=AVin+A1(Vin)2+A2(Vin)3+谐波失真谐波失真谐波失真谐波失真AA2A3A二次谐波二次谐波二次谐波二次谐波三次谐波三次谐波三次谐
8、波三次谐波线性与非线性特性的比较线性与非线性特性的比较线性与非线性特性的比较线性与非线性特性的比较9五阶五阶五阶五阶IMD非线性失真非线性失真非线性失真非线性失真(双音激励双音激励双音激励双音激励)Amplifier输入输出(3A-2B)(2A-B)(3B-2A)二次谐波二次谐波二次谐波二次谐波三次谐波三次谐波三次谐波三次谐波2B2AfA B三阶三阶三阶三阶IMD典型的信典型的信典型的信典型的信道带宽道带宽道带宽道带宽(2B-A)3A3BA B二阶二阶二阶二阶IMDA B(B-A)互调失真互调失真互调失真互调失真三阶三阶三阶三阶IMD五阶五阶五阶五阶IMD1011“Hot S22”描述了b2和
9、a2之间的关系 在“Hot”(热态)条件下有效(A1 足够大)在2端口,加入与1端口输入信号a1频率有一定偏离的小信号a2,测试由这个小信号产生的b2反射信号由由由由HOT-S22测试理解测试理解测试理解测试理解X参数参数参数参数f1f2f3f112详细了解详细了解详细了解详细了解hot S22测试测试测试测试:一开始一开始一开始一开始,在放大器输入端加入大信号在放大器输入端加入大信号在放大器输入端加入大信号在放大器输入端加入大信号A1,1B2,1P1P2A1,1a=入射b=散射端口号谐波项序号B2,2B2,3f1f2f3f113详细了解详细了解详细了解详细了解hot S22测试测试测试测试:
10、A1,1B2,1P1P2B2,2B2,3我们将XF(|A11|)称为“B”响应这个输出是由输入引起的,是输入信号幅度的函数f1f2f3f114详细了解详细了解详细了解详细了解hot S22测试测试测试测试:现在现在现在现在,增加输入信号幅度增加输入信号幅度增加输入信号幅度增加输入信号幅度A1,1B2,1P1P2B2,2B2,3谐波信号的增长快于基波信号的增长速度,通常来讲正好是谐波的阶数(2nd=2倍增长速度)f1f2f3f115详细了解详细了解详细了解详细了解hot S22测试测试测试测试:在端口在端口在端口在端口2 2 2 2增加小信号激励增加小信号激励增加小信号激励增加小信号激励,频率和
11、端口频率和端口频率和端口频率和端口1 1 1 1信号有一定偏置信号有一定偏置信号有一定偏置信号有一定偏置A1,1B2,1P1P2B2,2B2,3b2,1a2,1b2,1*通常,我们称 S22=b2/a2那么用什么项表示 b2*呢?b2*是转置(Transposed)到B2另外一边的信号助记符f1f2f3f116详细了解详细了解详细了解详细了解hot S22测试测试测试测试:改变改变改变改变a21a21a21a21信号的频率信号的频率信号的频率信号的频率A1,1B2,1P1P2B2,2B2,3b2,1a2,1b2,1*当a2频率增加(up),b2*频率减小(down)f1f2f3f117详细了解
12、详细了解详细了解详细了解hot S22测试测试测试测试:改变改变改变改变a21a21a21a21信号的相位信号的相位信号的相位信号的相位A1,1B2,1P1P2B2,2B2,3b2,1a2,1b2,1*如何定义相位变化与输入信号相位变化相反的项呢?共轭(CONJUGATE)项!b2*随a2相位的共轭变换b2*=T22.a2*我们可以看到T22=b2*/a2*很明显,HOT S22 并不能完整地描述的反射行为(只考虑了b2项,而忽略了b2*项)f1f2f3f118详细了解详细了解详细了解详细了解hot S22测试测试测试测试:如果如果如果如果a21a21a21a21没有频率偏置呢没有频率偏置呢没
13、有频率偏置呢没有频率偏置呢?A1,1B2,1P1P2B2,2B2,3b2,1a2,1b2,1*由a2引起的b2 散射信号的全部响应,是b2 和b2*的组合:b2=S22 x a2+T22 x a2*a2,1*b2=XS22(|A11|)a2+XT22(|A11|)a2*;b2=X22(|A11)a2f1f2f3f119A1,1B2,1P1P2B2,2B2,3b2,1a2,1b2,1*改变a2输入信号的相位,改变了b2反射信号的幅度,但是并没有改变每一个分量 b2和b2*信号的幅度详细了解详细了解详细了解详细了解hot S22测试测试测试测试:如果如果如果如果a21a21a21a21没有频率偏置
14、呢没有频率偏置呢没有频率偏置呢没有频率偏置呢?f1f2f3f120A1,1B2,1P1P2B2,2B2,3b2,1a2,1b2,1*在各次谐波上也成立详细了解详细了解详细了解详细了解hot S22测试测试测试测试:如果如果如果如果a21a21a21a21没有频率偏置呢没有频率偏置呢没有频率偏置呢没有频率偏置呢?21与功率相关的与功率相关的与功率相关的与功率相关的S参数参数参数参数ADS软件中还包含了与功率相关的P2D模型和模型文件进行非线性器件建模仿真但是,这些文件模型除了S11和S21外,并不能正确捕捉非线性行为P2D模型也无法预测谐波和交调特性22X参数可以捕捉与功率相关的大信号S参数行为
15、与功率相关的参数需要新的项 共轭项,才能在数学上正确。这表面X参数在加入了”重复项”(XS11-XT11,XS21-XT21)来捕捉这种共轭行为后,对S参数进行了扩展。另外,大信号响应可以包括是输入大信号函数的谐波响应,以及谐波到谐波的交调产物。最后,除了与输入功率有关外,还可以与其它参数如偏置电压,控制电压和温度相关。X参数如何对参数如何对参数如何对参数如何对S参数进行扩展参数进行扩展参数进行扩展参数进行扩展23X参数来源于参数来源于参数来源于参数来源于Poly-Harmonic Distortion(多谐波失真多谐波失真多谐波失真多谐波失真-PHD)框架框架框架框架1111122122(,
16、.,.)kkBFDC AAAA=2211122122(,.,.)kkBFDC AAAA=端口序号谐波或载波序号谱映射等式-将大信号复数输入矢量映射到大信号复数输出矢量上这种黑盒子模型对晶体管,放大器,射频系统都成立2A1A1B2B24X参数概念参数概念参数概念参数概念:+线性线性线性线性 非分析映射()()*11(,)(,)STkllkllXDC AaXDC Aa+入射散射多变量非线性映射123(,.)kBD CAAA简化的非线性非线性非线性非线性映射()1(,0,0,0,.)FkXDC A25将将将将S参数扩展到非线性系统参数扩展到非线性系统参数扩展到非线性系统参数扩展到非线性系统111 1
17、122221 1222bS aS abS aS a=+=+定义定义定义定义 i=输出端口序号输出端口序号输出端口序号输出端口序号 j=输入端口序号输入端口序号输入端口序号输入端口序号 k=输出频率序号输出频率序号输出频率序号输出频率序号 l=输入频率序号输入频率序号输入频率序号输入频率序号(),11,1*,1()()k lk li kj lSTij klj ljillj kbPaPaaaXX+=+最后,在每个谐波和交调产物上进行添加()()11ijjijbSaa=加入共轭转置项,成为正确的X参数:()ijijjSba=加入与功率相关()2121ijijjbaS=以两端口开始表示相加扩展到多端口
18、()1111*,()()ij lSTijijjj laabaaXX=+26散射参数散射参数散射参数散射参数 非线性系统非线性系统非线性系统非线性系统X参数参数参数参数定义定义定义定义i=输出端口序号j=输入端口序号k=输出频率序号l=输入频率序号(),11,1*,1()()k lk li kj lSTij klj ljillj kbPaPaaaXX+=+描述描述描述描述X参数对输入/输出频率进行映射27X参数的实验设计参数的实验设计参数的实验设计参数的实验设计理想的实验设计理想的实验设计理想的实验设计理想的实验设计进行3次独立的实验,使用固定的A11和正交相位的a21输出端口 i,输出谐波 k
19、;输入端口 j,输入谐波 l ()()()(1)()()(1)()(1)*11,11,11FkSk lTk likikik jljlik jljlBXAPXAP AXAP A+=+()()()(2)()()(2)()(2)*11,11,11FSk lTk likikik jljlik jljlBXA Pk XA P AXA P A+=+输入 Ajl输出 BikImReReIm()(0)()11FkikikBXAP=()()()*11,11,11()()()FkSk lTk likikik jljlik jljlBXAPXAPaXAPa+=+28X参数简化为参数简化为参数简化为参数简化为S参数参
20、数参数参数11()211121|0()FAXAs11()21,2111|0()0TAXA-60-25-20-15-10-50510|A11|(dBm)-4040200-20dB()21,21SX()21,21TX()2111/|FXA在一定条件下,X参数简化为线性S参数11()21,211122|0()SAXAs+11|A()211()21,212*2111()21,21112111121()()()(TFSXBXAAPAAAAXP=+iiiiLets back to ADS Define the X-parameters Measure X-parameters Use X-paramete
21、rs Advantages of X-parameters29Large Signals ExcitationSignals on new frequencies appear in the responseFrequencies can be easily predicted(IM products)Difficult to predict the correct levelsMany practical applications large signals+small signalsx_1_AmpDUTAmp1VCCRF outRF in0.51.01.52.02.53.03.54.00.
22、04.5-160-140-120-100-80-60-40-200-18020freq,GHzdBm(vin_inc)0.51.01.52.02.53.03.54.00.04.5-70-50-30-10-9010freq,GHzdBm(vout)30Combined Excitation:Large and Small SignalsThe IM products with higher-order versus the SS have negligible powerOnly the first IM-products in the side-bands are relevantQuasi-
23、linear behavior with respect to the small-signalx_1_AmpDUTAmp1VCCRF outRF in0.51.01.52.02.53.03.54.00.04.5-160-140-120-100-80-60-40-200-18020freq,GHzdBm(vin_inc)0.51.01.52.02.53.03.54.00.04.5-70-50-30-10-9010freq,GHzdBm(vout)5.0E81.0E91.5E92.0E92.5E93.0E90.03.5E9-80-70-60-50-40-30-20-100-9010freqvou
24、t5.0E81.0E91.5E92.0E92.5E93.0E90.03.5E9-80-70-60-50-40-30-20-100-9010freqvout31What Does Quasi-Linear Mean?One SS excitation produces many SS responses Non-linear aspect New frequencies appearBut superposition still applies to SS Linear aspect“dB-to-dB”level relationship between excitation and respo
25、nse Response to(sum of excitations)=sum of(individual responses)5.0E81.0E91.5E92.0E92.5E93.0E93.5E94.0E94.5E95.0E95.5E90.06.0E9-250-200-150-100-50-3000indep(dB(A1)dB(A1)indep(dB(a1)dB(a1)5.0E81.0E91.5E92.0E92.5E93.0E93.5E94.0E94.5E95.0E95.5E90.06.0E9-250-200-150-100-50-3000indep(dB(B2)dB(B2)indep(dB
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