射频可调谐器件及子系统的建模分析与应用/清华开发者书库

作者简介

[美] 顾其诤（Qizheng Gu） 曾获复旦大学学士学位，后在日本获博士学位。1983—1993年在美国麻省理工学院任研究科学家；1993—1998年在美国太平洋通信公司和美国罗克韦尔半导体系统等机构工作，主管射频系统设计和整机集成；1998—2006年在诺基亚移动通信公司任技术院士（Technology Fellow）；2006—2013年在美国WiSpry公司担任射频系统设计部主管。

内容简介

第3章射频可调器件与网络的电路建模 建立一个精确的射频可调器件模型对于在电路或网络设计中恰当使用该器件是必不可少的。器件建模有许多种方法，使用FDTD、MRTD、FEM等EM建模法； 基于全波技术求解麦克斯韦方程组的数值建模方法； 建立在不同数学和不同处理方法模型参数的紧凑建模方法［115］； 拟合测量数据电路建模方法［16,17］。在这些建模方法中，对于大部分建模任务而言，最精确的建模方法是拟合测量数据电路建模方法。这种方法不仅仅能建立射频可调器件的模型，也能精确地建立由射频可调器件组成的复杂网络模型。 本章将讨论拟合测量数据电路建模方法和串并联连接的单器件，以及射频可调网络的建模示例。实际上，拟合测量数据电路建模方法是另一个提取射频可调器件和网络特性的有效方法。 3.1电路建模的理论背景 为了简便，假设串联射频可调器件可以用图3.1中的集总参数等效电路来描述。其中Cse代 图3.1串联可调电容的等效电路模型 表该器件的可调电容，其余参数为寄生参数。在图3.1所示的等效电路中，主要有6个参数需要确定： Cse,min、Cse,max、Csh1、Csh2、Lse和QC（电容的品质因数）。为了确定这6个参数（或变量），需要6个等式。 图3.1所示是一个二端口网络，其特性为一系列在可调电容Cse处于不同状态［不导通（断开）状态Cmin，或导通（闭合）状态Cmax］时的S参数，S11、S12=S21和S22。在可调电容Cse给定某个状态时，三个S参数需要三个等式来描述该二端口网络的特性。这6个参数（或变量）可以用以下6个等式来表达： S11,model（Cse_state，Csh1，Csh2，Lse，QC）=S11,test_state（3.1） S21,model（Cse_state，Csh1，Csh2，Lse，QC）=S21,test_state（3.2） S22,model（Cse_state，Csh1，Csh2，Lse，QC）=S22,test_state（3.3） 其中，指定的state是min（最小值）或max（最大值），Sij,model(i,j=1,2)是由电路模型产生的S参数，Sij,state_test(i,j=1,2)是串联可调电容测量所得的S参数。实际上，也可以从上述的测量值中得到S参数的6个相频响应等式。当决定的参数（或变量）数目比上述幅频响应等式的数量要多时，可以利用这些相频响应等式来决定这些参数。 建模过程中，需要手动调整图3.1中等效电路的寄生元件值，使可调电容在断开（min）和闭合（max）状态下的S参数幅频响应曲线和测量出的S参数幅频响应曲线尽可能匹配。例如，将图3.1等效电路模型中的元件值调整至式（3.4）和式（3.5）中给出的值后，电路模型的S参数幅频响应能与图3.2（a）、（b）中测试所得的S参数结果几乎完美匹配： Cse_off=0.88pF，Cse_on=7.5pF，Csh1=1.05pF（3.4） Csh2=2.12pF，Lse=0.46nH（3.5） 在含有射频可调电容的复杂网络中还有更多的寄生电感Li(i=1,2,3,4)以及寄生电感之间还存在互耦K12、K14和K24，如图3.3所示。含有更多变量模型的S参数表达式见式（3.6）~式（3.8）： S11,model（Ci_state,Li,K12,K14,K24,QC）=S11,test_state（i=1,2,3,4）（3.6） S21,model（Ci_state,Li,K12,K14,K24,QC）=S21,test_state（i=1,2,3,4）（3.7） S22,model（Ci_state,Li,K12,K14,K24,QC）=S22,test_state（i=1,2,3,4）（3.8） 图3.2电路模型得出的S参数幅频响应 曲线与测量所得曲线的结果拟合 图3.3含有可调电容的复杂 网络的等效电路模型 在该示例中，有8个状态值Ci_state，4个Li变量，以及变量K12、K14、K24和QC，一共16个参数（变量）需要确定。需要6种测试状态来产生18条S参数幅频响应曲线（或方程），比如说4个可调电容都是不导通（即断开）状态或都是导通（即闭合）状态，4个可调电容中有一个是导通状态，其余三个都是不导通状态，因为每一种状态都包含S11、S21和S22三个频率响应。但是，6种测试状态所得的结果并不是完全独立的，而且除16个参数（变量）外仍需要额外一个测试状态，比如说4个可调电容中的两个是导通状态，另外两个是不导通状态。 对诸如SOI/SOS数字可调电容和MEMS可调电容的数字可调器件而言，电路建模主要决定了建模器件的Cmin和Cmax以及寄生参数。假设可调电容的模型中，Cmin和Cmax之间的离散调谐步进ΔC由式（3.9）决定，即 ΔC=Cmax-Cmin2n-1（3.9） 式中，n是数字可调电容控制位的数量。 对于连续可调BST电容使用该电路建模方法时，不仅仅要确定调频限制Cmin和Cmax，同时也需要在Cmin和Cmax之间的几个中间频率值Cm,k(k=1,2,…,m)建模，且要使由电路模型和测量值产生的非线性CV曲线尽可能拟合。 使用这种电路建模方法需要有射频和微波工程与电路的一定的知识和经验，才能创建一个初始且合适的等效电路模型拓扑结构。 本书可以作为射频可调谐器件、电路和子系统的设计指南。书中系统描述了射频可调器件和基于网络的创新建模方法，并提出了可调谐算法、自适应匹配控制方法、新颖的滤波器频率自动控制环路。同时，书中还根据无线通信的实际应用环境，提供了设计和开发可调谐射频电路、射频网络和射频前端的必要基础知识。全书主要内容如下： 讨论了射频可调谐器件和子系统的表征、建模、分析和应用； 讨论了使用射频可调谐器件和子系统的方法； 讨论了射频可调谐器件中的MEMS可调电容，并给出了应用方法； 论述了采用解析的方法来提供数值解与闭式解； 给出了可调谐器件和基于网络的创新建模方法、新可调谐算法、自适应匹配控制方法、新颖的滤波器频率自动控制环路。