1.2 有源器件工程设计和仿真软件ADS介绍

微波有源器件主要包括放大器、有源混频器和频率源等器件。主要以晶体管、场效应管、SiGe管等为基础搭建的微波器件，对于有源器件设计，我们需要熟悉晶体管、场效应管、SiGe管的特性，了解其直流工作点和交流特性，熟悉常见RFIC厂家的有源芯片，熟悉常见电路的搭建。

传统有源器件的设计仿真软件往往缺乏全面的技术来开发完整的系统，现可以通过ADS来仿真所搭建的电路。ADS功能十分强大，包含时域电路仿真（SPICE-like Simulation）、频域电路仿真（Harmonic Balance、Linear Analysis）、三维电磁仿真（EM Simulation）、通信系统仿真（Communication System Simulation）和数字信号处理仿真设计（DSP），如图1-1所示。同时，Agilent公司和多家半导体厂商合作建立ADS Design Kit及Model File供设计人员使用。使用者可以利用ADS Design Kit及软件仿真功能进行通信系统的设计、规划与评估，以及MMIC/RFIC、模拟与数字电路设计。

图1-1 仿真模型

为了降低信号在封装、印制电路板、连接器和背板中的损伤（如衰减、反射和串扰），须进行器件损伤仿真，如图1-2所示，可以很直观地反映出高速数字芯片I/O引脚逐渐开始使用精密的信号处理技术（例如，预加重、自适应均衡和时钟数据恢复锁相环）。要想充分发挥新的I/O功能，信号完整性工程师需要精确的IC模型，以便在EDA工具中进行系统仿真。当任何一级仿真结果不理想时，都必须回到原理图中重新进行优化，并再次进行仿真，直到仿真结果满意为止，这样可以保证实际电路与仿真电路的一致性。

图1-2 器件损伤仿真

为了完成一个成功的设计，设计者必须考虑系统中射频部分的干扰。不同于传统的射频模块分析，ADS软件不再是简单地用表格的方式计算出射频系统增益和功率预算，而是对射频器件级进行深入的仿真分析，从而尽可能早地发现问题所在。工程师现在利用ADS软件可以精确分析系统中的噪声、阻抗、互调、隔离、谐波等对系统的影响，如图1-3所示。

图1-3 子电路仿真模型

ADS可以为电路设计者提供进行模拟、射频与微波等电路和通信系统设计的仿真分析方法，其提供的仿真分析方法大致可以分为时域仿真、频域仿真、系统仿真和电磁仿真。对于初学者，熟悉ADS各种分析控件的使用可以使系统仿真分析更完善。与其他仿真软件不同，ADS需要调用不同的分析控件加入仿真界面。理解、掌握这些方法很有用处，下面介绍几类常用的ADS仿真分析控件。

S参数分析：S参数表征的系统特性如下。

S21、S31是传输参数，反映传输损耗；S11、S22、S33分别是输入、输出端口的反射系数；S23反映了两个输出端口之间的隔离度。

S参数分析控件在ADS仿真界面的图标如图1-4所示。设定起始、终止（Start、Stop）扫描频率可以得到系统在设定频率范围内的频域增益响应曲线。仿真结果体现了系统的频带选择性。仿真时需要注意的是：SP模型属于小信号线性模型，模型中已经带有了确定的直流工作点和在一定范围内的S参数，仿真时要注意适用范围。SP模型只能得到初步的结果，对于某些应用来说已经足够，但不能用来做大信号的仿真，或者直流馈电电路的设计，不能直接生成板图。

图1-4 S参数分析控件在ADS仿真界面的图标

瞬态分析：瞬态分析控件在ADS仿真界面的图标如图1-5所示。设定StopTime将控制时域仿真的时间范围，MaxTimeStep决定了后台数据产生的数量精度，也将影响系统完成仿真所需的时间。仿真完成后，可以得到在0～StopTime时间内系统各目标输出点的时域图像。

图1-5 瞬态分析控件在ADS仿真界面的图标

交流分析：交流分析控件在ADS仿真界面的图标如图1-6所示。交流分析可以设定目标交流源参数的变化范围，同时完成系统预测增益预算分析。

图1-6 交流分析控件在ADS仿真界面的图标

谐波平衡分析：谐波平衡分析控件在ADS仿真界面的图标如图1-7所示。设定谐波个数（Order）可以观察系统离散频率幅度分布情况。

图1-7 谐波平衡分析控件在ADS仿真界面的图标