CH5 ADS仿真原理与使用方法

1、电磁工程设计与仿真电磁工程设计与仿真第五章第五章 ADS仿真原理与使用方法仿真原理与使用方法主要内容主要内容5.3 ADS仿真仿真环境、元件模型环境、元件模型 与仿真功能与仿真功能5.4 ADS使用方法与技巧使用方法与技巧5.2 ADS仿真原理与过程仿真原理与过程5.1 微波电路微波电路与与系统概述系统概述5.1 微波电路与系统概述微波电路与系统概述一、微波电路一、微波电路微波：300MHz3000GHz（广义）微波电路：由微波传输线传输线、不连续性不连续性、有源器件有源器件构成的 集成在微波基板上的电路（MIC），或者 集成在半导体材料上的电路（MMIC）。微波电路：分布参数电路，本课程以微

2、带MIC电路为主。 1. 微带线及其不连续性微带线及其不连续性 2. 无源微波电路无源微波电路功分器、耦合器、滤波器、衰减器等等功分器、耦合器、滤波器、衰减器等等由微带线、不连续性构成由微带线、不连续性构成微波放大器、混频器、振荡器、开关等等微波放大器、混频器、振荡器、开关等等介质谐振器(a)3. 有源微波电路有源微波电路由微带线、不连续性、有源器件构成由微带线、不连续性、有源器件构成二、微波系统二、微波系统微波系统 = 微波无源器件 + 微波有源器件 = 微波发射机 + 微波接收机三、微波电路与系统仿真内容三、微波电路与系统仿真内容章节章节主要内容主要内容学时学时CH5ADS仿真原理与使用方

3、法3CH6ADS无源器件设计与仿真微波功分器、耦合器、滤波器6CH7ADS有源器件设计与仿真微波放大器、混频器、振荡器6CH8ADS微波系统设计与仿真 微波接收机与发射机3ADSADS仿真实验：无源、有源、系统任选仿真实验：无源、有源、系统任选1 1题设计仿真。题设计仿真。一、一、ADS概述概述 5.2 ADS仿真原理与过程仿真原理与过程1.ADS1.ADS-Advanced Design System, 美国安 捷伦（Agilent）公司开发的EDA软件。 版本：20112.ADS2.ADS功能：功能：进行模拟、射频、微波、数字信 号处理电路（DSP）及系统的设计与仿真。模拟电路 数字电路低

4、频电路 射频、微波电路单个电路 微波系统微波MIC 微波MMIC功能十分强大，最好电路仿真软件。一、一、ADS概述概述 时域方法：时域方法： A. 高频SPICE分析与卷积分析(Transient) 分析线性与非线性电路的瞬态效应，包括瞬态响应 和瞬态噪声。 3. ADS3. ADS仿真方法仿真方法 丰富多样：丰富多样：时域仿真、频域仿真、系统仿真、电磁仿真。一、一、ADS概述概述 频域方法：频域方法： A. 线性分析（Linear Analysis） 对小信号射频及微波电路线性分析，如S参数分析 B. 谐波平衡分析（Harmonic Balance） 对大信号非线性功放、混频电路分析，得到其

5、噪声、 功率压缩点、谐波失真等电路响应。 C. 电路包络分析（Envelope） 调制、解调电路分析， 频域分析 + 时域分析一、一、ADS概述概述 系统仿真方法：系统仿真方法： 采用线性分析、谐波平衡分析、电路包络分析对系统信 号行为级分析。 电磁仿真方法（电磁仿真方法（EMEM）：）： 采用电磁全波分析方法（分层介质矩量法MOM、有限元法 FEM），用以分析微波电路的寄生、耦合效应，可获得的 局部或者全局电路的S参数。 本课程重点：本课程重点：S参数仿真、谐波平衡仿真、 系统仿真、电磁仿真二、二、ADS S参数仿真原理参数仿真原理1. S1. S参数仿真基础参数仿真基础 传输线理论传输线理

6、论: 长线理论，微带线长线理论，微带线 传输线传输线微波网络理论：微波网络理论：不连续性或有源器件不连续性或有源器件 微波网络微波网络S参数参数S, Z基础基础: “等效电路理论等效电路理论” 电路分解：电路分解：分解为传输线、不连续性和有源等基本元件基本元件二、二、ADS S参数仿真原理参数仿真原理2. S2. S参数仿真原理（以实例说明）参数仿真原理（以实例说明） 微波电路：微波电路：由微带线、不连续性、有源器件构成。微带线段MLIN(5)、T接头MTEE(4)、开路线MLOC(4)二、二、ADS原理原理基本元件建模基本元件建模 模型等效电路网络参数 Si ADS有大量的元件模型，包括器件

7、厂商提供的模型模型是关键，比如：MTEE模型二、二、ADS S参数仿真原理参数仿真原理网络参数级联网络参数级联 S S3 S2 S4 S1 11122122SSSS二、二、ADS S参数仿真原理参数仿真原理微波电路特性微波电路特性 S 11122122SSSSS11,S22：当2(1)端口匹配时，1(2)口反射系数 回波损耗RL，驻波比VSWR等S21,S12：当2(1)端口匹配时，2-1(1-2)口传输系数 插入损耗，插入相移等三、三、ADS设计仿真过程设计仿真过程 设计指标设计指标选定实现方案选定实现方案原理与设计公式原理与设计公式Matlab初步设计初步设计得到电路参数得到电路参数ADS

8、仿真仿真得到性能参数得到性能参数是否满足是否满足指标？指标？建立建立ADS原理图原理图选择控制器选择控制器YN参数调谐参数调谐或优化或优化ADS版图仿真版图仿真（场仿真验证）（场仿真验证） 工程设计工程设计 原理图、版图仿真与优化原理图、版图仿真与优化一、一、ADS仿真环境仿真环境 5.3 ADS仿真环境、元件模型与仿真功能仿真环境、元件模型与仿真功能1. ADS Main Window1.1.主窗口主窗口2.2.原理图原理图(Schematic)(Schematic)设计窗口设计窗口元器件库元器件面板FileNew- Schematic2.2.原理图设计窗口原理图设计窗口2.2.原理图设计窗

9、口原理图设计窗口3.3.版图版图(Layout)(Layout)设计窗口设计窗口File New - Layout4. 4. 数据显示（数据显示（Data DisplayData Display）窗口）窗口File New - Data Display二、二、ADS元件模型元件模型ADS元件种类：元件种类：Components-Signal Processing (略)Components-Analog RF:Circuit Components(电路元件)Distributed Components（分布元件）Nonlinear Devices（非线性元件）System Models（系统模

10、型）Sources（信号源）二、二、ADS元件模型元件模型使用元件帮助文件：使用元件帮助文件：HelpTopic and IndexContentsComponent二、二、ADS元件模型元件模型1. 集总参数元件集总参数元件（Lumped-Components）电阻（R）：电容（一般C,含Q值CAPQ）：电感（一般L,含Q值INDQ）：并联RLC（PRLC）：串联RLC（SRLC）：变压器：理想馈电电感:理想隔直电容：2. 分布参数元件（分布参数元件（TLines-）微带元件（微带元件（TLines-MicrostripTLines-Microstrip）常用元件：常用元件：MSUBMLIN

11、MSTEPMTEETFR注意问题：注意问题：结构、端口号和参考面位置求助求助Help(F1)Help(F1)：MTEE为例Symbol: Illustration:3. 有源元件（有源元件（Devices -）二极管（Diodes）结型三极管（BJT）场效应管（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. 信号源（信号源（Sources-）Sources, ControlledSources, Frequency DomainSources, ModulatedSources, Modulated-DSP-BasedSources, NoiseSources, Time Domain5. 系统元件系统元件(System-) 放大器和混频器（System-Amps/Mixers） 滤波器（Filters-Bandpass，Hightpass，Lowpass） 调制解调模块（System-Mod/Demo

13、d） 锁相环模块（System-PLL components） 收发机子系统模块（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、仿真实例一、仿真实例 5.4 ADS使用方法与技巧使用方法与技巧1. 阻抗变换器阻抗变换器 L1 W1 Zc1=50 Ohm Zc3=100 Ohm L2 W2 L3 W3 Zc2? 目的：目的：用g/4 阻抗变换器将100微带线变换到50线基板：基板：er=2.2，h=1.0mm，t=0.035mm, tan=0频率：频率：f0=6.5GHz达到匹配L1=L3=15mm

14、一、仿真实例一、仿真实例 L1 W1 Zc1=50 Ohm Zc3=100 Ohm L2 W2 L3 W3 Zc2? 2. 初步设计初步设计 阻抗变换段：Zc2=？21370 7.cccZZ ZL2=？L1=L3=15mm输入微带线：W1=? 输出微带线：W3=?224gLW2=？ 微带线分析设计工具：微带线分析设计工具：Tool -LineCalc - Start LineCalc一、仿真实例一、仿真实例 设置基板参数：设置基板参数：H：1mmEr:2.2Mur:1Cond:defaultHu: defaultT: 0.035mmTanD：0 计算结果：计算结果： 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、仿真实例一、仿真实例 二、新建工程和设计二、新建工程和设计1. Creating a New WorkspaceFile -New - WorkSpaceWorkspace Name: ZMatch_wrk 2. 新建一个原理图设计新建一个原理图设计进入原理图设计窗口，设置单位：进入原理图设计窗口，设置单位：Options-Preferences-Units/Scale: length = mm File New Schematic 3. 放置元件

16、：放置元件：MSub，设置参数（，设置参数（Double Click）三、构建原理图三、构建原理图1. 电路分解成基本元件：电路分解成基本元件：MSub，MLIN，MLOC，MSTEP2. 选择元件库：选择元件库：TLines - Microstrip 4.4.放置元件：放置元件：MLINMLIN，3 3个，设置参数个，设置参数WiWi，LiLi三、构建原理图三、构建原理图MLIN - Double ClickSubst=MSub1W=W1 mmL=L1 mmHelp: 帮助 5.放置元件：放置元件：MSTEP，阶梯不连续性，阶梯不连续性（重要）（重要），设置参数，设置参数三、构建原理图三、构

17、建原理图Help：MStep - Double Click - HelpSymbol:Illustration:Equivalent Circuit（伸长效应）（伸长效应） Insert-VAR三、构建原理图三、构建原理图6.6.设置变量设置变量VARVAR： 7.7.连线连线WireWire：Wire = 短线，电长度 = 0三、构建原理图三、构建原理图 8. 放置放置S参数仿真控制器参数仿真控制器，并设置参数，并设置参数三、构建原理图三、构建原理图 9. 放置负载（放置负载（Termination）和地（）和地（GND）：）： 目的满足S参数定义条件：当#匹配时，三、构建原理图三、构建原理

18、图Term (Port Impedance for S-parameters): 四、原理图仿真与结果四、原理图仿真与结果1. Simulate: 2. Data Display: 直角坐标图 四、原理图仿真与结果四、原理图仿真与结果 四、原理图仿真与结果四、原理图仿真与结果结果结果: : 匹配点匹配点 fm=6.4GHz, fm6.5GHz6.5GHz，为什么？，为什么？ 四、原理图仿真与结果四、原理图仿真与结果3.3.分析分析: : 阶梯不连续性的影响阶梯不连续性的影响 L1 W1 Zc1=50 Ohm Zc3=100 Ohm L2 W2 L3 W3 Zc2? 6 56 522222244

19、ggGGLLdLdLdLdL.结果：结果：频率降低，在f=6.4GHz处为四分之一波长。措施：措施：减少长度L2 五、调谐与优化五、调谐与优化1. 手动调谐：手动调谐：改变L2，L2 L2*6.4/6.5, 比例变化L2=8.40mm 五、调谐与优化五、调谐与优化2. 参数扫描：参数扫描：SP PrmSwp 五、调谐与优化五、调谐与优化2. 参数扫描：参数扫描：Results 3. 调谐（调谐（Tuning）: #_SP save as #_Tune将“L2”设置可调谐参数：Simulate-Simulation Varibles Setup五、调谐与优化五、调谐与优化 调谐（Tuning）:

20、 Simulate - Tuning五、调谐与优化五、调谐与优化 4. 优化（优化（Optimization）: #_SP save as #_Opt五、调谐与优化五、调谐与优化将“L2”设置可优化参数 设置优化目标GOAL：五、调谐与优化五、调谐与优化 设置优化控制器：五、调谐与优化五、调谐与优化 执行优化：五、调谐与优化五、调谐与优化优化Cockpit： 五、调谐与优化五、调谐与优化优化结果： 六、版图六、版图(电磁电磁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、版图仿真六、版图仿真2. Substrates in EM SimulationSubstrate Editor: ADS Main Window: File New Substrate ADS Main Window: File Import Substrate from SchLayout Window: EM Substrate 六、版图仿真六、版图仿真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、版图仿真六、版图仿真2. Substrates in E