1、電磁工程設計與仿真電磁工程設計與仿真第五章第五章 ADS仿真原理與使用方法仿真原理與使用方法主要內容主要內容5.3 ADS仿真仿真環境、元件模型環境、元件模型 與仿真功能與仿真功能5.4 ADS使用方法與技巧使用方法與技巧5.2 ADS仿真原理與過程仿真原理與過程5.1 微波電路微波電路與與系統概述系統概述5.1 微波電路與系統概述微波電路與系統概述一、微波電路一、微波電路微波：300MHz3000GHz（廣義）微波電路：由微波傳輸線傳輸線、不連續性不連續性、有源器件有源器件構成的 集成在微波基板上的電路（MIC），或者 集成在半導體材料上的電路（MMIC）。微波電路：分布參數電路，本課程以微

2、帶MIC電路為主。 1. 微帶線及其不連續性微帶線及其不連續性 2. 無源微波電路無源微波電路功分器、耦合器、濾波器、衰減器等等功分器、耦合器、濾波器、衰減器等等由微帶線、不連續性構成由微帶線、不連續性構成微波放大器、混頻器、振蕩器、開關等等微波放大器、混頻器、振蕩器、開關等等介質諧振器(a)3. 有源微波電路有源微波電路由微帶線、不連續性、有源器件構成由微帶線、不連續性、有源器件構成二、微波系統二、微波系統微波系統 = 微波無源器件 + 微波有源器件 = 微波發射機 + 微波接收機三、微波電路與系統仿真內容三、微波電路與系統仿真內容章節章節主要內容主要內容學時學時CH5ADS仿真原理與使用方

3、法3CH6ADS無源器件設計與仿真微波功分器、耦合器、濾波器6CH7ADS有源器件設計與仿真微波放大器、混頻器、振蕩器6CH8ADS微波系統設計與仿真 微波接收機與發射機3ADSADS仿真實驗：無源、有源、系統任選仿真實驗：無源、有源、系統任選1 1題設計仿真。題設計仿真。一、一、ADS概述概述 5.2 ADS仿真原理與過程仿真原理與過程1.ADS1.ADS-Advanced Design System, 美國安 捷倫（Agilent）公司開發的EDA軟件。 版本：20112.ADS2.ADS功能：功能：進行模擬、射頻、微波、數字信 號處理電路（DSP）及系統的設計與仿真。模擬電路 數字電路低

4、頻電路 射頻、微波電路單個電路 微波系統微波MIC 微波MMIC功能十分強大，最好電路仿真軟件。一、一、ADS概述概述 時域方法：時域方法： A. 高頻SPICE分析與卷積分析(Transient) 分析線性與非線性電路的瞬態效應，包括瞬態響應 和瞬態噪聲。 3. ADS3. ADS仿真方法仿真方法 豐富多樣：豐富多樣：時域仿真、頻域仿真、系統仿真、電磁仿真。一、一、ADS概述概述 頻域方法：頻域方法： A. 線性分析（Linear Analysis） 對小信號射頻及微波電路線性分析，如S參數分析 B. 諧波平衡分析（Harmonic Balance） 對大信號非線性功放、混頻電路分析，得到其

5、噪聲、 功率壓縮點、諧波失真等電路響應。 C. 電路包絡分析（Envelope） 調制、解調電路分析， 頻域分析 + 時域分析一、一、ADS概述概述 系統仿真方法：系統仿真方法： 采用線性分析、諧波平衡分析、電路包絡分析對系統信 號行為級分析。 電磁仿真方法（電磁仿真方法（EMEM）：）： 采用電磁全波分析方法（分層介質矩量法MOM、有限元法 FEM），用以分析微波電路的寄生、耦合效應，可獲得的 局部或者全局電路的S參數。 本課程重點：本課程重點：S參數仿真、諧波平衡仿真、 系統仿真、電磁仿真二、二、ADS S參數仿真原理參數仿真原理1. S1. S參數仿真基礎參數仿真基礎 傳輸線理論傳輸線理

6、論: 長線理論，微帶線長線理論，微帶線 傳輸線傳輸線微波網絡理論：微波網絡理論：不連續性或有源器件不連續性或有源器件 微波網絡微波網絡S參數參數S, Z基礎基礎: “等效電路理論等效電路理論” 電路分解：電路分解：分解為傳輸線、不連續性和有源等基本元件基本元件二、二、ADS S參數仿真原理參數仿真原理2. S2. S參數仿真原理（以實例說明）參數仿真原理（以實例說明） 微波電路：微波電路：由微帶線、不連續性、有源器件構成。微帶線段MLIN(5)、T接頭MTEE(4)、開路線MLOC(4)二、二、ADS原理原理基本元件建模基本元件建模 模型等效電路網絡參數 Si ADS有大量的元件模型，包括器件

7、廠商提供的模型模型是關鍵，比如：MTEE模型二、二、ADS S參數仿真原理參數仿真原理網絡參數級聯網絡參數級聯 S S3 S2 S4 S1 11122122SSSS二、二、ADS S參數仿真原理參數仿真原理微波電路特性微波電路特性 S 11122122SSSSS11,S22：當2(1)端口匹配時，1(2)口反射系數 回波損耗RL，駐波比VSWR等S21,S12：當2(1)端口匹配時，2-1(1-2)口傳輸系數 插入損耗，插入相移等三、三、ADS設計仿真過程設計仿真過程 設計指標設計指標選定實現方案選定實現方案原理與設計公式原理與設計公式Matlab初步設計初步設計得到電路參數得到電路參數ADS

8、仿真仿真得到性能參數得到性能參數是否滿足是否滿足指標？指標？建立建立ADS原理圖原理圖選擇控制器選擇控制器YN參數調諧參數調諧或優化或優化ADS版圖仿真版圖仿真（場仿真驗證）（場仿真驗證） 工程設計工程設計 原理圖、版圖仿真與優化原理圖、版圖仿真與優化一、一、ADS仿真環境仿真環境 5.3 ADS仿真環境、元件模型與仿真功能仿真環境、元件模型與仿真功能1. ADS Main Window1.1.主窗口主窗口2.2.原理圖原理圖(Schematic)(Schematic)設計窗口設計窗口元器件庫元器件面板FileNew- Schematic2.2.原理圖設計窗口原理圖設計窗口2.2.原理圖設計窗

9、口原理圖設計窗口3.3.版圖版圖(Layout)(Layout)設計窗口設計窗口File New - Layout4. 4. 數據顯示（數據顯示（Data DisplayData Display）窗口）窗口File New - Data Display二、二、ADS元件模型元件模型ADS元件種類：元件種類：Components-Signal Processing (略)Components-Analog RF:Circuit Components(電路元件)Distributed Components（分布元件）Nonlinear Devices（非線性元件）System Models（系統模

10、型）Sources（信號源）二、二、ADS元件模型元件模型使用元件幫助文件：使用元件幫助文件：HelpTopic and IndexContentsComponent二、二、ADS元件模型元件模型1. 集總參數元件集總參數元件（Lumped-Components）電阻（R）：電容（一般C,含Q值CAPQ）：電感（一般L,含Q值INDQ）：并聯RLC（PRLC）：串聯RLC（SRLC）：變壓器：理想饋電電感:理想隔直電容：2. 分布參數元件（分布參數元件（TLines-）微帶元件（微帶元件（TLines-MicrostripTLines-Microstrip）常用元件：常用元件：MSUBMLIN

11、MSTEPMTEETFR注意問題：注意問題：結構、端口號和參考面位置求助求助Help(F1)Help(F1)：MTEE為例Symbol: Illustration:3. 有源元件（有源元件（Devices -）二極管（Diodes）結型三極管（BJT）場效應管（GaAs、MOS、JFET）等Devices and Models, DiodeDevices and Models, BJTDevices and Models, GaAsDevices and Models, JFETDevices and Models, MOSDevices and Models, NXP SiMKitLinea

12、r DevicesEquation-Based Non-Linear Components4. 信號源（信號源（Sources-）Sources, ControlledSources, Frequency DomainSources, ModulatedSources, Modulated-DSP-BasedSources, NoiseSources, Time Domain5. 系統元件系統元件(System-) 放大器和混頻器（System-Amps/Mixers） 濾波器（Filters-Bandpass，Hightpass，Lowpass） 調制解調模塊（System-Mod/Demo

13、d） 鎖相環模塊（System-PLL components） 收發機子系統模塊（Tx/Rx Subsystems）三、三、ADS仿真功能仿真功能三、三、ADS仿真功能仿真功能S-Parameter Simulation:一、仿真實例一、仿真實例 5.4 ADS使用方法與技巧使用方法與技巧1. 阻抗變換器阻抗變換器 L1 W1 Zc1=50 Ohm Zc3=100 Ohm L2 W2 L3 W3 Zc2? 目的：目的：用g/4 阻抗變換器將100微帶線變換到50線基板：基板：er=2.2，h=1.0mm，t=0.035mm, tan=0頻率：頻率：f0=6.5GHz達到匹配L1=L3=15mm

14、一、仿真實例一、仿真實例 L1 W1 Zc1=50 Ohm Zc3=100 Ohm L2 W2 L3 W3 Zc2? 2. 初步設計初步設計 阻抗變換段：Zc2=？21370 7.cccZZ ZL2=？L1=L3=15mm輸入微帶線：W1=? 輸出微帶線：W3=?224gLW2=？ 微帶線分析設計工具：微帶線分析設計工具：Tool -LineCalc - Start LineCalc一、仿真實例一、仿真實例 設置基板參數：設置基板參數：H：1mmEr:2.2Mur:1Cond:defaultHu: defaultT: 0.035mmTanD：0 計算結果：計算結果： 50 ohm: W1=3.

15、05mm, L1=15mm 70.7 ohm: W2=1.72mm, L2=8.53mm 100 ohm: W3=0.85mm, L3=15mm一、仿真實例一、仿真實例 二、新建工程和設計二、新建工程和設計1. Creating a New WorkspaceFile -New - WorkSpaceWorkspace Name: ZMatch_wrk 2. 新建一個原理圖設計新建一個原理圖設計進入原理圖設計窗口，設置單位：進入原理圖設計窗口，設置單位：Options-Preferences-Units/Scale: length = mm File New Schematic 3. 放置元件

16、：放置元件：MSub，設置參數（，設置參數（Double Click）三、構建原理圖三、構建原理圖1. 電路分解成基本元件：電路分解成基本元件：MSub，MLIN，MLOC，MSTEP2. 選擇元件庫：選擇元件庫：TLines - Microstrip 4.4.放置元件：放置元件：MLINMLIN，3 3個，設置參數個，設置參數WiWi，LiLi三、構建原理圖三、構建原理圖MLIN - Double ClickSubst=MSub1W=W1 mmL=L1 mmHelp: 幫助 5.放置元件：放置元件：MSTEP，階梯不連續性，階梯不連續性（重要）（重要），設置參數，設置參數三、構建原理圖三、構

17、建原理圖Help：MStep - Double Click - HelpSymbol:Illustration:Equivalent Circuit（伸長效應）（伸長效應） Insert-VAR三、構建原理圖三、構建原理圖6.6.設置變量設置變量VARVAR： 7.7.連線連線WireWire：Wire = 短線，電長度 = 0三、構建原理圖三、構建原理圖 8. 放置放置S參數仿真控制器參數仿真控制器，并設置參數，并設置參數三、構建原理圖三、構建原理圖 9. 放置負載（放置負載（Termination）和地（）和地（GND）：）： 目的滿足S參數定義條件：當#匹配時，三、構建原理圖三、構建原理

18、圖Term (Port Impedance for S-parameters): 四、原理圖仿真與結果四、原理圖仿真與結果1. Simulate: 2. Data Display: 直角坐標圖 四、原理圖仿真與結果四、原理圖仿真與結果 四、原理圖仿真與結果四、原理圖仿真與結果結果結果: : 匹配點匹配點 fm=6.4GHz, fm6.5GHz6.5GHz，為什么？，為什么？ 四、原理圖仿真與結果四、原理圖仿真與結果3.3.分析分析: : 階梯不連續性的影響階梯不連續性的影響 L1 W1 Zc1=50 Ohm Zc3=100 Ohm L2 W2 L3 W3 Zc2? 6 56 522222244

19、ggGGLLdLdLdLdL.結果：結果：頻率降低，在f=6.4GHz處為四分之一波長。措施：措施：減少長度L2 五、調諧與優化五、調諧與優化1. 手動調諧：手動調諧：改變L2，L2 L2*6.4/6.5, 比例變化L2=8.40mm 五、調諧與優化五、調諧與優化2. 參數掃描：參數掃描：SP PrmSwp 五、調諧與優化五、調諧與優化2. 參數掃描：參數掃描：Results 3. 調諧（調諧（Tuning）: #_SP save as #_Tune將“L2”設置可調諧參數：Simulate-Simulation Varibles Setup五、調諧與優化五、調諧與優化 調諧（Tuning）:

20、 Simulate - Tuning五、調諧與優化五、調諧與優化 4. 優化（優化（Optimization）: #_SP save as #_Opt五、調諧與優化五、調諧與優化將“L2”設置可優化參數 設置優化目標GOAL：五、調諧與優化五、調諧與優化 設置優化控制器：五、調諧與優化五、調諧與優化 執行優化：五、調諧與優化五、調諧與優化優化Cockpit： 五、調諧與優化五、調諧與優化優化結果： 六、版圖六、版圖(電磁電磁EM)仿真仿真1.Generate Layout: 1.Generate Layout: #_SP save as #_EMLayout Generate/Update L

21、ayoutDe-active Component : Term, GND 六、版圖仿真六、版圖仿真2. Substrates in EM SimulationSubstrate Editor: ADS Main Window: File New Substrate ADS Main Window: File Import Substrate from SchLayout Window: EM Substrate 六、版圖仿真六、版圖仿真2. Substrates in EM SimulationLayers of metal tracesLayers of insulating material between the tracesGround planesVias connecting traces on different layersAir surrounding the circuit boardThe substrate describes the media where the circuit exists: 六、版圖仿真六、版圖仿真2. Substrates in E