第1章 射频电路与ADS
随着通信手段的日益丰富和通信技术的不断发展，通信领域经历了从有线到无线、从固定到移动、从低频到高频的巨大变化。在需求的强大激励和技术的有力支持下，与现代通信相匹配的射频（RF）和微波（MW）电路得到了广泛的应用。目前应用日趋广泛的移动通信（GSM、3G和4G）、全球定位（GPS）、无线局域网（WLAN）、宽带无线接入系统（WIMAX）和射频识别（RFID）等领域，工作频率都已经达到 GHz 频段；此外新型半导体器件和计算机的工作频率也已经达到GHz频段。近年来美国、日本、澳大利亚、中国以及欧洲等国家相继在60GHz附近划分出免许可的ISM频段，其中我国开放了59GHz～64GHz频段，这非常大的频率范围将主要用于微功率、短距离和高速率的无线电技术，GiFi就是使用了60GHz。
从20世纪80年代开始，射频和微波电路的应用已逐渐由传统的波导和同轴器件转向微波平面电路。微波平面电路是电与磁的场分布理论与传统电子学技术的融合，它将电磁场的波动理论引入电路之中，形成了射频和微波电路的理论体系。微波平面电路设计一直比较复杂，现在随着市场需求的不断提升，指标要求越来越高，而设计周期却越来越短，这要求设计者使用 EDA（电子设计自动化）软件工具。目前国外各种商业化的射频和微波 EDA 软件工具不断涌现，使用软件工具已经成为微波平面电路设计的必然趋势。在深入理解射频和微波电路理论的基础上，结合EDA软件工具进行设计，是通向射频和微波电路设计成功的最佳路线。
先进设计系统（Advanced Design System，ADS）软件由美国安捷伦（Agilent）公司开发，是当前射频和微波电路设计的首选工程软件，可以支持从模块到系统的设计，能够完成射频和微波电路设计、通信系统设计、射频集成电路（RFIC）设计和数字信号处理设计。该软件仿真手段丰富多样，可实现包括时域和频域、模拟和数字、线性和非线性等多种仿真手段，并可进行电磁仿真，从而大大提高了复杂电路的设计效率。ADS是当今业界最流行的射频和微波电路设计工具，已经在国内高校、科研院所和大型IT公司中推广使用。
1.1 射频概念和射频应用
广义地说，可以向外辐射电磁信号的频率称为射频。而在电路设计中，当频率较高、电路的尺寸可以与波长相比拟时，电路可以称为射频电路。一般认为，当频率高于 30MHz 时电路的设计就需要考虑射频电路理论，而射频电路应用的典型频段为几百MHz至几GHz。在这个频率范围内，电路需要考虑波动特性和分布参数的影响，低频的基尔霍夫电路理论不再适用。
微波是频率从300MHz到3 000GHz的电磁波，对应的波长从1m到0.1mm，分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波4个波段。从上面的频率划分可以看出，微波的低频端与射频频率相重合，目前射频频率与微波频率之间没有定义出明确的频率分界点。
在电子通信领域，信号采用的传输方式和信号的传输特性主要是由工作频率决定的。对于电磁频谱，按照频率从低到高（波长从长到短）的次序，可以划分为不同的频段。电通信的容量几乎与所使用的频率成正比，对通信容量的要求越高，使用的频率就越高。由于应用领域众多，所以对频谱的划分有多种方式，而今较为通用的频谱分段法是由IEEE建立的（见表1.1）。
表1.1 IEEE频谱
目前使用射频和微波频率的无线通信应用越来越多，射频和微波技术在各个领域越来越显示出其重要性。几种重要的无线通信系统的工作频率见表1.2。
表1.2 无线通信系统的工作频率
续表
1.2 ADS概述
ADS 具有各种设计仿真功能。ADS 还允许与其他软件和测试设备连接，并允许将厂商的元件模型读入。ADS每年都有更新，其中ADS 2008～ADS 2013增加了许多新功能。
1.2.1 ADS设计仿真功能
ADS可以提供原理图设计和layout版图设计。在设计中，ADS不仅提供了从无源到有源、从器件到系统的设计面板，而且提供设计工具、设计向导和设计指南等。ADS的仿真功能十分强大，可以提供直流仿真、交流仿真、S 参数仿真、谐波平衡仿真、增益压缩仿真、电路包络仿真、瞬态仿真、预算仿真和电磁仿真等。ADS可以进行线性和非线性仿真、电路和系统仿真、频域和时域仿真、电磁仿真等，还可以在数据显示视窗看到仿真结果。
1.ADS设计功能
（1）设计面板。在原理图设计中，ADS提供了多种元件面板，同一类元件位于同一个元件面板上，每个元件面板上有几个到几十个不等的元件。这些元件面板上有时域源、频域源、调制源等各种类型的源；微带线、带状线等各种类型的传输线；集总参数元件、分布参数元件等各种无源器件；砷化镓器件、双极结型器件等各种有源器件；滤波器、放大器、混频器等各种系统级部件等。利用元件面板上提供的元部件，使用者可以进行电路设计和系统设计。
（2）设计工具。在原理图设计中，ADS提供了多种设计工具，使用者可以利用设计工具提供的图形化界面进行计算和设计。设计工具包括各种类型的传输线计算（例如，微带线尺寸和特性阻抗的计算）、史密斯圆图的使用（例如，用史密斯圆图显示反射系数和设计匹配网络）等。
（3）设计向导。在原理图设计中，ADS提供了多种设计向导。设计向导提供设定界面，使用者可以利用图形化界面设定参数，设计向导会自动完成电路响应模型。ADS提供的设计向导包括匹配负载设计向导、滤波器设计向导、放大器设计向导、混频器设计向导和振荡器设计向导等。
（4）设计指南
设计指南以范例与指令说明的形式示范电路的设计流程，使用者可以利用这些范例，学习如何利用ADS进行高效的设计。目前ADS提供的设计指南包括GSM设计指南、WLAN设计指南、CDMA设计指南和RFIC设计指南等。使用者也可以通过ADS中的Design Guide Developer Studio建立自己的设计指南。
（5）仿真与数据显示
ADS能对已经设计完成的原理图进行仿真分析，仿真结果在数据显示视窗中显示。为增加仿真分析的方便性，ADS提供了仿真模板功能，仿真模板将经常重复使用的设计仿真设定成一个模板直接使用，避免了重复设定所需的时间和步骤。使用者也可以通过软件建立自己的仿真模板。
ADS可以将原理图设计转换成layout版图设计，对layout版图也可以进行编辑和仿真，仿真结果同样可以在数据显示视窗中显示。
（6）电子笔记本
用户使用电子笔记本，可以在所设计的电路和仿真结果中加入文字说明，制成一份网页的报告。电子笔记本制成的报告，无需执行ADS即可在浏览器上浏览。
2.ADS仿真功能
（1）线性分析。线性分析为频域、小信号电路的仿真分析方法，可以对线性和非线性射频电路进行线性分析。在进行线性分析时，ADS首先计算电路中每个元件的线性参数，如S参数、Z参数、Y参数、电路阻抗、反射系数、稳定系数、增益与噪声等；然后对进行整个电路进行分析和仿真，得到线性电路的幅频、相频、群时延、线性噪声等特性。
（2）谐波平衡和增益压缩分析。谐波平衡和增益压缩为频域、大信号、非线性、稳态电路的仿真分析方法，可以用来分析具有多频输入信号的非线性电路，得到谐波失真、功率压缩点、三阶交调点、非线性噪声等参数。与时域瞬态SPICE仿真分析相比，ADS谐波平衡和增益压缩仿真是一个有效的频域分析工具，可以给非线性电路提供快速有效的分析方法，对现今频率越来越高的通信系统来说尤为重要，填补了时域瞬态SPICE仿真和小信号S参数仿真的不足。
（3）高频SPICE瞬态分析。ADS高频SPICE瞬态分析可以分析线性与非线性电路的瞬态响应，是一种时域的仿真分析方法。瞬态仿真是传统SPICE软件采用的最基本仿真方法，SPICE软件可以说是所有电路仿真软件的鼻祖，能够对模拟和数字电路进行仿真。但与传统SPICE软件相比，ADS高频SPICE瞬态分析有很多优点，例如可以直接使用频域分析模型，对微带线和分布参数滤波器等进行分析，这是因为 ADS 在仿真时可以将频域分析模型进行拉氏变换后再进行瞬态分析，因此高频SPICE瞬态仿真分析能够对频域模型进行分析。
（4）电路包络分析。ADS电路包络仿真是近年来通信系统的一项标志性技术，可以将高频调制信号分解为时域和频域两个部分进行处理，非常适合对数字调制射频信号进行快速、全面的分析。在时域上，电路包络仿真对相对低频的调制信息用时域SPICE方法仿真分析；而对相对高频的载波成分，电路包络仿真则采用类似谐波平衡法的仿真方法，在频域进行处理。这样的处理，使仿真器的速度和效率都得到了一个质的飞跃。
（5）电磁仿真分析。ADS采用矩量法（Momentum）对电路进行电磁仿真分析，近年来又增加了基于有限元算法（FEM）的电磁仿真分析。矩量法和有限元法都是一种数值计算方法，可以对微分方程和积分方程进行数值求解，因此在电磁场的数值计算中应用十分广泛。其中，矩量法是将激励和加载分割成若干个部分，并将一个泛函方程化为矩阵方程，从而得到射频电路电磁分布的数值解，若激励和加载分割的部分越多，矩量法的电磁数值解就越精确。ADS采用矩量法可以对layout版图进行电磁仿真分析，得到电路版上的寄生和耦合效应，能对原理图的设计结果加以验证。
1.2.2 ADS与其他软件、测量仪器和厂商元件模型的连接
现在商业化的电子软件不断涌现，各种软件的主要功能和侧重点也有所不同，因此软件的开放和兼容是不容忽视的问题，软件和软件、软件和硬件、软件和测试设备、软件和元器件生产商之间的联系和沟通在设计中值得关注。
1.与其他软件的连接
ADS提供了丰富的接口，允许与其他软件连接。例如，ADS的SPICE电路转换器可以将SPICE格式的电路图转换成ADS格式的电路图进行仿真分析，ADS格式的电路图也可以转换成SPICE格式的电路图进行仿真分析。又例如，ADS的layout版图转换器可以将其他EDA或CAD产生的版图文件导入ADS中进行编辑。可以与ADS连接的有CST、Mentor Graphics、Cadence、Matlab、EMPro、HSPICE等。
（1）ADS的SPICE电路转换器可以将Cadence、Spectre、PSPICE、HSPICE和Berkeley SPICE等产生的电路转换成ADS格式。
（2）电路与布局文件格式转换器可以将不同EDA产生的文件，转换成ADS可以使用的文件格式。
（3）布局转换器可以将其他 CAD 或 EDA 产生的布局文件导入 ADS 编辑使用。Cadence Allegro是著名的高速电路板设计与仿真软件，ADS支持Allegro版图的导入和导出。
（4）SPICE模型产生器可以将频域分析得到的或是测量仪器得到的S参数转换为SPICE可以使用的格式，以弥补SPICE仿真软件无法使用S参数的不足。
2.与测量仪器的连接
ADS的仪器伺服器提供了与测量仪器连接的功能。用户可以通过仪器伺服器，将网络分析仪测量得到的资料或SnP格式的文件导入ADS中进行仿真分析；也可以将软件仿真所得的结果输出到仪器设备（例如，信号发生器），作为待测元件的测试信号。
3.与厂商元件模型间的沟通
ADS允许得到厂商的元件模型，并能将其读入ADS，供使用者在设计和仿真中使用。Agilent公司和多家半导体厂商合作，提供最新的设计工具箱（Design Kit）给用户使用，用户可以得到最新的设计资源。Design Kit扮演了ADS与厂商元件模型间沟通的重要角色，ADS利用Design Kit可以将半导体厂商的元件模型读入，供用户进行电路设计、仿真和分析。
1.2.3 ADS2008～ADS2013新增加的功能
ADS每年都有更新。近几年来，ADS（ADS 2008～ADS 2013）增加了许多新功能，下面给出简要的介绍。
1.工作窗口的更新和改进
（1）提供了新的工作界面，优化了对工作窗口文件的管理效率。
（2）提供了新的Design Kit管理系统，可以对每个设计项目的Design Kit单独管理。
（3）提供了新的停靠窗口和选项卡窗口，并配有相应的对话框。
（4）提供了灵活的归档和解档，实现了工作区的资源共享。
（5）提供了新的网络领航员，能够确认节点的连通性。
2.电路模型仿真的更新和改进
（1）提高了直流仿真、交流仿真、瞬态仿真的速度。
（2）更新了S参数仿真控制器。
（3）提供了新的良品率仿真模板。
（4）增加了半导体厂商的最新元件库。
（5）更新了功率放大器负载牵引和设计指南。
（6）提供了新的ADS电热仿真器，结合动态温度效应，可提高热感知电路的仿真精度。
（7）提供了从IC到封装直至PCB的一体化仿真，能够实现多重技术协同设计（可以与ADS协同仿真的软件有CST、Mentor Graphics、Cadence、Matlab等）。
（8）提供了高速数字电路仿真，并提供了全新的通道仿真。
（9）提供了X参数仿真，满足了高频领域非线性模型的需求，可让MMIC、RF-SIP和RF模块设计针对非线性装置提供精确的预制原型模型，以进一步实现同步设计并保障初期设计的成功。
3.版图的更新和改进
（1）改进了版图的视觉效果，使用了更醒目的颜色和标记。
（2）多层版图设计时可自动生成过孔。
（3）提供了多层板的半透明视图效果，方便用户查看各层电路之间的互连状况。
（4）对标尺和尺寸线进行了改进。
（5）启用了剪刀器，能够移除版图中的全部导线。
（6）重新设计版图图标，拥有更宽泛的数据显示功能。
（7）版图可以进行预处理，消除网格剖分中的错误。
4.电磁仿真的更新和改进
（1）Momentum仿真中采用更先进的算法，可以支持分布式多处理器多线程的计算；ADS可以仿真比以前更大的结构，仿真速度更高，而内存的需求量却降低了。
（2）ADS新增了基于有限元算法（FEM）的3D电磁场仿真器EMDS，提高了软件的3D仿真能力。例如，多芯片模块可以用有限元方法电磁仿真分析IC和互连之间的电磁场交互，并对功率放大器等可获得更精确的建模和仿真结果。
5.完整性分析的更新和改进
（1）对信号完整性分析进行了改进，增加了新的信号完整性模型以及新的数据显示窗口。
（2）对电源完整性分析进行了改进，可用于分析电源接地层严重穿孔的PCB和套件。
1.3 启动和退出ADS
1.3.1 启动ADS
这里介绍的是ADS 2013版本。最常见的是从Windows【开始】菜单启动ADS，启动的方法和启动时出现的画面如下。
1.从【开始】菜单启动ADS
在Windows系统中，执行菜单命令【开始】→【所有程序】→【Advanced Design System 2013.06】→【Advanced Design System 2013.06（32-bit Simulations）】，启动ADS，如图1.1所示。
图1.1 从开始菜单启动ADS
2.启动ADS时出现的画面
启动ADS后，出现图1.2所示的画面。这个画面持续存在几秒种，然后自动消失，接着系统自动弹出图1.3所示的画面。图1.2是进入ADS的标志，并能显示出ADS的版本。由图1.2可以看出，这是2013版本。图1.3是Advanced Design System 2013.06 Product Selection对话框，在这个对话框中可以进行选择。
图1.2 进入ADS的标志和2013版本标志
图1.3 ADS中的选项
3.进入主视窗
在图1.3中，选择“ADS Design Environment”项，然后单击“确定”按钮，将同时出现图1.4和图1.5所示的画面。图1.4是ADS开始窗口，图1.5是ADS主视窗。
（1）ADS开始窗口
图1.4中的“Getting Started with ADS”表明，这是ADS开始窗口。在窗口顶部的“Search the Knowledge Center”对话框可以执行ADS的搜索功能，搜索对象包括ADS中所有Help文档中的内容。在“Workspaces”区域，可以直接新建一个工作空间，或是打开已有的工作空间，或是打开已有实例的工作空间，或是将一个项目（project）转换为一个工作空间。在“open recently used workspaces”区域，可以打开最近编辑过的工作空间。在“Help Center”区域，可以根据主题查阅ADS的Help文档。如果勾选窗口下部的“Don’t display this dialog box automatically”选项，以后将不会出现这个对话框。单击窗口下部的Close按钮，关闭窗口，就进入ADS主视窗。
用户若需要查看Help文档，也可以直接从各窗口菜单栏中的【Help】进入“Help Center”窗口，或者是直接按F1进入“Help Center”窗口。
（2）ADS主视窗
图1.5中的“Advanced Design System 2013.06（Main）”表明，这是ADS主视窗。ADS主视窗主要用来进行工作空间和文件的创建和管理。ADS最常用的视窗有4个，分别是主视窗、原理图视窗、数据显示视窗和layout版图视窗。ADS主视窗将在第2章详细介绍。
图1.4 ADS开始窗口
图1.5 ADS主视窗
1.3.2 退出ADS
退出ADS常用的方法有如下几种。
（1）单击主视窗标题栏上的关闭按钮
，退出ADS。
（2）在主视窗中，执行菜单命令【File】→【Exit...】，退出ADS。
（3）在主视窗中，按Alt+F4组合键退出ADS。
1.4 ADS 2013的4种工作视窗
ADS主要有4种工作视窗，分别为主视窗、原理图视窗、layout版图视窗和数据显示视窗。启动ADS后，首先弹出主视窗，由主视窗可以进入原理图视窗、layout版图视窗和数据显示视窗；也可以由原理图视窗进入layout版图视窗和数据显示视窗。下面分别介绍主视窗、原理图视窗、layout版图视窗和数据显示视窗。
1.4.1 主视窗
主视窗是进入和退出 ADS 的桥梁。在主视窗上，不能做任何射频电路的设计工作。主视窗主要用于浏览文件和管理工作空间。主视窗如图1.6所示。
图1.6 ADS主视窗
1.4.2 原理图视窗
原理图视窗提供了设计、编辑和仿真各种原理图的环境，是进行设计时使用最多的视窗。原理图视窗如图1.7所示。
图1.7 ADS原理图视窗
在原理图视窗上，可以进行射频电路和系统的设计。作为一个例子，这里给出一个在原理图视窗上设计微带线分支定向耦合器的案例，如图1.8所示。
图1.8 在原理图视窗上设计微带线分支定向耦合器
1.4.3 数据显示视窗
当完成设计与仿真后，可以在数据显示视窗中看到仿真结果，数据显示视窗如图1.9所示。
图1.9 ADS数据显示视窗
在数据显示视窗，可以用多种图表和格式显示仿真数据。例如，在图1.8 中设计的微带线分支定向耦合器，其仿真结果可以在数据显示视窗中给出，如图1.10所示。
图1.10 微带线分支定向耦合器原理图的仿真结果
1.4.4 layout版图视窗
layout版图视窗用来进行layout版图的设计、编辑和仿真。layout版图视窗如图1.11所示。
图1.11 layout版图视窗
在设计时，一般首先给出原理图设计，然后再将原理图设计转换为layout版图设计。图1.8中的微带线分支定向耦合器的原理图设计对应的layout版图设计如图1.12所示。
虽然图1.12中的微带线分支定向耦合器的layout版图设计是由原理图1.8直接转换而来的，但两幅图的仿真数据不相同，这是因为layout版图的仿真数据采用了矩量法的电磁仿真，因此layout版图设计需要重新给出仿真数据。图1.12中微带线分支定向耦合器的layout版图仿真在数据显示视窗中给出，如图1.13所示。
图1.12 layout版图视窗中的微带线分支定向耦合器
图1.13 微带线分支定向耦合器layout版图的仿真结果
比较图1.10与图1.13可以看出，微带线分支定向耦合器原理图的仿真结果与layout版图的仿真结果有一定差异。因此，当原理图设计完成后，对应的 layout 版图需要做一定的修改和调整。
习题
1.1 举例说明目前有哪些无线通信系统使用射频频率，并给出其工作频率范围。
1.2 ADS有哪些设计仿真功能？
1.3 ADS可以与其他软件、测量仪器和厂商元件模型连接吗？
1.4 举例说明ADS 2008～ADS 2013新增加的功能。
1.5 说明启动和退出ADS的方法。
1.6 给出ADS常用的4种工作视窗的名称。