ADS基本操作之微波器件基本参数的仿真（三）

  前面两篇文章，介绍了二端口网络S参数的仿真测量、驻波比的仿真测量、稳定性相关参数的仿真测量以及稳定性分析、输入阻抗的仿真测量以及各种类型增益的仿真测量，本文将继续为大家介绍如何通过仿真测量网络的噪声系数以及如何测量网络的谐波分量。

一、噪声系数的定义

  在微波通信系统中，噪声具有举足轻重的地位。对于接收机而言，若接收到的信号淹没在噪声中，那么有用信号就不会被接收机所检测到。因此，系统中的噪声决定着接收机能够接收到最小信号的门限。如何衡量一个系统中的噪声呢？我们首先想到利用下列关系式：

这样显然是不行的，我们知道，像功率放大器这类器件，它们能够将输入功率进行放大，同时，输入信号中的噪声功率也会被放大，因此仅仅使用输入输出噪声功率之差是不能衡量系统噪声效应的。

  在通信系统中，我们常常使用输入输出信噪比的比值来描述系统的噪声效应。什么是信噪比呢？顾名思义，信噪比定义为信号功率与噪声功率的比值。在功率放大器中，噪声功率和信号功率是以相同比例进行放大的，假如一个功放系统内部无噪声，则输入输出的信噪比是不会发生改变的。因此用输入输出信噪比的变化作为系统噪声的量度可以完美规避上述问题。这就引入了噪声系数的定义：

二、噪声系数的仿真测量

  在ADS中，内置了噪声系数的测量方式，我们只需要双击S参数仿真器S_Param，在弹出的对话框中勾选噪声计算的选项即可，如图：

然后在仿真结果中加入噪声系数，如图：

可以看到，有3个参数和噪声系数相关：nf(1),nf(2)以及NFmin。nf(1)是从1端口测量到的噪声系数，nf(2)是从2端口测量到的噪声系数，NFmin是这个系统达到最优状态时，最小的噪声系数。对于我们的电路来说，一般情况下1端口为输入，2端口为输出，所以一般情况下nf(2)才是我们需要的噪声系数。我们在对系统进行优化时，只需要调整电路，使nf(2)尽可能地靠近NFmin即可。

三、谐波的测量

  对于一些非线性器件来说，输入输出信号的谐波变化情况非常值得我们关注。因为非线性器件会产生非线性失真，非线性失真在频域上的体现就是谐波分量发生变化。因此，对系统中的谐波分量进行仿真有助于我们对系统的非线性失真进行分析。

  在ADS中，我们可以使用谐波平衡仿真器对信号的谐波进行测量。本文的实验可以直接在之前的电路上进行修改，也可以重新搭建电路。

  首先，我们将输入终端替换为功率源，为了简化实验，本文使用单音的功率源进行实验。单音功率源在Sources-Freq Domain列表中，如图：

如图，该控件在原理图中显示了3个参数：Z、P和Freq。Z就是我们输入端口的阻抗，P就是输入信号的功率，可以看到，P默认等于polar(dbmtow(0),0)，这里介绍一下polar这个函数，它有两个参数，第一个参数是输入信号的幅值，dbmtow()函数是将输入参数dbm值转换为瓦特（w）值；第二个参数就是输入功率信号的相位。Freq就是输入信号的频率。我们定义一个变量，方便后续对输入功率进行扫参。加入变量控件，定义一个变量Pin，如图：

它的初始值设为-10，即我们初始输入一个-10dBm的功率信号。然后修改P_1Tone控件，我们本次实验的基波频率为2GHz，输入端口阻抗为50欧姆，修改完成后如图：

为了观察输出电压（功率），也就是观察输出信号的谐波，我们在输出节点加入一个标签，用来显示节点上的电位，如图：

接着，我们添加谐波平衡仿真器，该控件在Simulation-HB列表里，如图：

添加完成后，我们设置它的基本参数。如图：

我们可以看到它有两个基本参数，Freq[1]是基波频率，我们设置为2GHz；Order[1]是仿真到几次谐波，我们保持默认，即仿真到5倍的基波频率，也就是10GHz谐波。

  完成所有设置之后我们点击仿真按钮，开始仿真。待仿真完成后，我们在仿真结果中加入刚才我们加入的标签值V_RFout，如图，这个标签的名称可以自定义，只要在仿真结果中添加相对应的名称即可：

格式选择dBm，如图：

添加完成后，可以看到输出信号谐波的dBm值：

我们在基波上加入marker，测量到基波值为4.319，再来看我们S21的值（dB）：

我们发现，2GHz处的S21为14.319dB，而输入频率为-10dBm，刚好符合我们的理论分析：输出（dBm）=输入（dBm）+增益（dB）。

  接下来，我们观察一下当功率放大器发生非线性失真时，输出信号谐波的变化情况。首先我们需要在谐波平衡仿真器中设置输入功率的扫参，我们双击谐波平衡仿真器，选择Sweep选项，在Parameter to sweep中填写我们需要扫描的参数，然后设置扫描起始范围以及步进，如图：

设置完成后，进行仿真，然后在仿真结果中加入输入功率随输出功率的变化曲线：

如上图，进行输入功率的扫描后，我们再次添加V_RFout，这时我们发现，在显示格式里多出来几个选项，如图：

我们选择第二个选项，即输出信号的基波分量对于所有扫参的变化曲线，我们只对输入功率进行了扫描，所以这个选项就是基波分量随着输入功率的变化曲线。添加后我们就可以看到仿真结果：

可以看到，在25dBm的输入信号左右，发生了非线性的饱和失真，我们再来观察谐波分量：

我们可以看到谐波分量确实发生了变化，高次谐波的变化最明显，这也印证了本文开头的说法，即非线性失真伴随着谐波分量的改变。

四、总结

  截至目前，我们所有关于微波器件基本参数的仿真操作将介绍到这里，其他的ADS操作将继续在后续的文章中进行介绍。微波器件的基本参数如S参数，回波损耗、增益、噪声系数等参数的仿真测量的基本操作我们一共分了三篇文章进行介绍，如果有错误的地方，烦请各位读者朋友及时指出，也欢迎各位朋友能够积极与我交流，大家一起学习，共同进步！在后续的文章中，我将继续为大家介绍ADS其他的一些基本操作。