CH5 ADS仿真原理與使用方法

1、電磁工程設(shè)計(jì)與仿真電磁工程設(shè)計(jì)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(nèi)容主要內(nèi)容5.3 ADS仿真仿真環(huán)境、元件模型環(huán)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(tǒng)概述系統(tǒng)概述5.1 微波電路與系統(tǒng)概述微波電路與系統(tǒng)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(xù)性不連續(xù)性、有源器件有源器件構(gòu)成的 集成在微波基板上的電路（MIC），或者 集成在半導(dǎo)體材料上的電路（MMIC）。微波電路：分布參數(shù)電路，本課程以微

2、帶MIC電路為主。 1. 微帶線及其不連續(xù)性微帶線及其不連續(xù)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(xù)性構(gòu)成由微帶線、不連續(xù)性構(gòu)成微波放大器、混頻器、振蕩器、開關(guān)等等微波放大器、混頻器、振蕩器、開關(guān)等等介質(zhì)諧振器(a)3. 有源微波電路有源微波電路由微帶線、不連續(xù)性、有源器件構(gòu)成由微帶線、不連續(xù)性、有源器件構(gòu)成二、微波系統(tǒng)二、微波系統(tǒng)微波系統(tǒng) = 微波無源器件 + 微波有源器件 = 微波發(fā)射機(jī) + 微波接收機(jī)三、微波電路與系統(tǒng)仿真內(nèi)容三、微波電路與系統(tǒng)仿真內(nèi)容章節(jié)章節(jié)主要內(nèi)容主要內(nèi)容學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)CH5ADS仿真原理與使用方

3、法3CH6ADS無源器件設(shè)計(jì)與仿真微波功分器、耦合器、濾波器6CH7ADS有源器件設(shè)計(jì)與仿真微波放大器、混頻器、振蕩器6CH8ADS微波系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 微波接收機(jī)與發(fā)射機(jī)3ADSADS仿真實(shí)驗(yàn)：無源、有源、系統(tǒng)任選仿真實(shí)驗(yàn)：無源、有源、系統(tǒng)任選1 1題設(shè)計(jì)仿真。題設(shè)計(jì)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(fā)的EDA軟件。 版本：20112.ADS2.ADS功能：功能：進(jìn)行模擬、射頻、微波、數(shù)字信 號處理電路（DSP）及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。模擬電路 數(shù)字電路低

4、頻電路 射頻、微波電路單個(gè)電路 微波系統(tǒng)微波MIC 微波MMIC功能十分強(qiáng)大，最好電路仿真軟件。一、一、ADS概述概述 時(shí)域方法：時(shí)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(tài)效應(yīng)，包括瞬態(tài)響應(yīng) 和瞬態(tài)噪聲。 3. ADS3. ADS仿真方法仿真方法 豐富多樣：豐富多樣：時(shí)域仿真、頻域仿真、系統(tǒng)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(shù)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(diǎn)、諧波失真等電路響應(yīng)。 C. 電路包絡(luò)分析（Envelope） 調(diào)制、解調(diào)電路分析， 頻域分析 + 時(shí)域分析一、一、ADS概述概述 系統(tǒng)仿真方法：系統(tǒng)仿真方法： 采用線性分析、諧波平衡分析、電路包絡(luò)分析對系統(tǒng)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(zhì)矩量法MOM、有限元法 FEM），用以分析微波電路的寄生、耦合效應(yīng)，可獲得的 局部或者全局電路的S參數(shù)。 本課程重點(diǎn)：本課程重點(diǎn)：S參數(shù)仿真、諧波平衡仿真、 系統(tǒng)仿真、電磁仿真二、二、ADS S參數(shù)仿真原理參數(shù)仿真原理1. S1. S參數(shù)仿真基礎(chǔ)參數(shù)仿真基礎(chǔ) 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(wǎng)絡(luò)理論：微波網(wǎng)絡(luò)理論：不連續(xù)性或有源器件不連續(xù)性或有源器件 微波網(wǎng)絡(luò)微波網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)參數(shù)S, Z基礎(chǔ)基礎(chǔ): “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(xù)性和有源等基本元件基本元件二、二、ADS S參數(shù)仿真原理參數(shù)仿真原理2. S2. S參數(shù)仿真原理（以實(shí)例說明）參數(shù)仿真原理（以實(shí)例說明） 微波電路：微波電路：由微帶線、不連續(xù)性、有源器件構(gòu)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?；驹?模型等效電路網(wǎng)絡(luò)參數(shù) 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(guān)鍵，比如：MTEE模型二、二、ADS S參數(shù)仿真原理參數(shù)仿真原理網(wǎng)絡(luò)參數(shù)級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)級聯(lián) S S3 S2 S4 S1 11122122SSSS二、二、ADS S參數(shù)仿真原理參數(shù)仿真原理微波電路特性微波電路特性 S 11122122SSSSS11,S22：當(dāng)2(1)端口匹配時(shí)，1(2)口反射系數(shù) 回波損耗RL，駐波比VSWR等S21,S12：當(dāng)2(1)端口匹配時(shí)，2-1(1-2)口傳輸系數(shù) 插入損耗，插入相移等三、三、ADS設(shè)計(jì)仿真過程設(shè)計(jì)仿真過程 設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)指標(biāo)選定實(shí)現(xiàn)方案選定實(shí)現(xiàn)方案原理與設(shè)計(jì)公式原理與設(shè)計(jì)公式Matlab初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)得到電路參數(shù)得到電路參數(shù)ADS

8、仿真仿真得到性能參數(shù)得到性能參數(shù)是否滿足是否滿足指標(biāo)？指標(biāo)？建立建立ADS原理圖原理圖選擇控制器選擇控制器YN參數(shù)調(diào)諧參數(shù)調(diào)諧或優(yōu)化或優(yōu)化ADS版圖仿真版圖仿真（場仿真驗(yàn)證）（場仿真驗(yàn)證） 工程設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì) 原理圖、版圖仿真與優(yōu)化原理圖、版圖仿真與優(yōu)化一、一、ADS仿真環(huán)境仿真環(huán)境 5.3 ADS仿真環(huán)境、元件模型與仿真功能仿真環(huán)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(shè)計(jì)窗口設(shè)計(jì)窗口元器件庫元器件面板FileNew- Schematic2.2.原理圖設(shè)計(jì)窗口原理圖設(shè)計(jì)窗口2.2.原理圖設(shè)計(jì)窗

9、口原理圖設(shè)計(jì)窗口3.3.版圖版圖(Layout)(Layout)設(shè)計(jì)窗口設(shè)計(jì)窗口File New - Layout4. 4. 數(shù)據(jù)顯示（數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)元件集總參數(shù)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(lián)RLC（PRLC）：串聯(lián)RLC（SRLC）：變壓器：理想饋電電感:理想隔直電容：2. 分布參數(shù)元件（分布參數(shù)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(jié)構(gòu)、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(jié)型三極管（BJT）場效應(yīng)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(tǒng)元件系統(tǒng)元件(System-) 放大器和混頻器（System-Amps/Mixers） 濾波器（Filters-Bandpass，Hightpass，Lowpass） 調(diào)制解調(diào)模塊（System-Mod/Demo

13、d） 鎖相環(huán)模塊（System-PLL components） 收發(fā)機(jī)子系統(tǒng)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(shí)例一、仿真實(shí)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(dá)到匹配L1=L3=15mm

14、一、仿真實(shí)例一、仿真實(shí)例 L1 W1 Zc1=50 Ohm Zc3=100 Ohm L2 W2 L3 W3 Zc2? 2. 初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)工具：微帶線分析設(shè)計(jì)工具：Tool -LineCalc - Start LineCalc一、仿真實(shí)例一、仿真實(shí)例 設(shè)置基板參數(shù)：設(shè)置基板參數(shù)：H：1mmEr:2.2Mur:1Cond:defaultHu: defaultT: 0.035mmTanD：0 計(jì)算結(jié)果：計(jì)算結(jié)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(shí)例一、仿真實(shí)例 二、新建工程和設(shè)計(jì)二、新建工程和設(shè)計(jì)1. Creating a New WorkspaceFile -New - WorkSpaceWorkspace Name: ZMatch_wrk 2. 新建一個(gè)原理圖設(shè)計(jì)新建一個(gè)原理圖設(shè)計(jì)進(jìn)入原理圖設(shè)計(jì)窗口，設(shè)置單位：進(jìn)入原理圖設(shè)計(jì)窗口，設(shè)置單位：Options-Preferences-Units/Scale: length = mm File New Schematic 3. 放置元件

16、：放置元件：MSub，設(shè)置參數(shù)（，設(shè)置參數(shù)（Double Click）三、構(gòu)建原理圖三、構(gòu)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(gè)，設(shè)置參數(shù)個(gè)，設(shè)置參數(shù)WiWi，LiLi三、構(gòu)建原理圖三、構(gòu)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(xù)性，階梯不連續(xù)性（重要）（重要），設(shè)置參數(shù)，設(shè)置參數(shù)三、構(gòu)建原理圖三、構(gòu)

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

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

19、ggGGLLdLdLdLdL.結(jié)果：結(jié)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(diào)諧與優(yōu)化五、調(diào)諧與優(yōu)化1. 手動調(diào)諧：手動調(diào)諧：改變L2，L2 L2*6.4/6.5, 比例變化L2=8.40mm 五、調(diào)諧與優(yōu)化五、調(diào)諧與優(yōu)化2. 參數(shù)掃描：參數(shù)掃描：SP PrmSwp 五、調(diào)諧與優(yōu)化五、調(diào)諧與優(yōu)化2. 參數(shù)掃描：參數(shù)掃描：Results 3. 調(diào)諧（調(diào)諧（Tuning）: #_SP save as #_Tune將“L2”設(shè)置可調(diào)諧參數(shù)：Simulate-Simulation Varibles Setup五、調(diào)諧與優(yōu)化五、調(diào)諧與優(yōu)化 調(diào)諧（Tuning）:

20、 Simulate - Tuning五、調(diào)諧與優(yōu)化五、調(diào)諧與優(yōu)化 4. 優(yōu)化（優(yōu)化（Optimization）: #_SP save as #_Opt五、調(diào)諧與優(yōu)化五、調(diào)諧與優(yōu)化將“L2”設(shè)置可優(yōu)化參數(shù) 設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)GOAL：五、調(diào)諧與優(yōu)化五、調(diào)諧與優(yōu)化 設(shè)置優(yōu)化控制器：五、調(diào)諧與優(yōu)化五、調(diào)諧與優(yōu)化 執(zhí)行優(yōu)化：五、調(diào)諧與優(yōu)化五、調(diào)諧與優(yōu)化優(yōu)化Cockpit： 五、調(diào)諧與優(yōu)化五、調(diào)諧與優(yōu)化優(yōu)化結(jié)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