【正文】 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 題 目 基于 ADS 的射頻環(huán)行器仿真設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 院 系 電子與信息工程學(xué)院 專 業(yè) 通信工程 指導(dǎo)教師 二Ｏ一二年五月二十日 目 錄 第一章 引言 ............................................. 4 ADS概 述 ........................................ 4 ADS 的設(shè)計(jì)功能 ............................... 4 ADS的仿真功能 ............................... 5 ADS與其他軟件廠商元件模型的連接 .............. 6 環(huán)行器概述 ....................................... 7 射頻環(huán)行器的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) ................... 8 鐵氧體環(huán)行器的相關(guān)原理 ....................... 8 環(huán)行器的相關(guān)應(yīng)用 ............................. 9 本文環(huán)行器的研究意義 ........................ 11 第二章 環(huán)行器相關(guān)原理 ................................... 11 環(huán)行器的 S 參數(shù) .................................. 12 本文環(huán)行器的設(shè)計(jì)指標(biāo) ............................. 13 第三章 環(huán)行器的設(shè)計(jì)與仿真 ............................. 14 利用 ADS 設(shè)計(jì)環(huán)行器 .............................. 14 創(chuàng)建項(xiàng)目 .................................... 14 設(shè)計(jì)原理圖 ...................................... 15 搭建電路 ................................. 15 設(shè)置微帶線參 數(shù)控件 .......................... 17 原理圖仿真及顯示仿真數(shù)據(jù) ........................ 18 生成版圖并仿真 .................................. 20 生成版圖 ................................... 21 版圖仿真 .................................... 22 第四章 環(huán)行器設(shè)計(jì)向?qū)У睦门c仿真 ...................... 24 創(chuàng)建環(huán)行器設(shè)計(jì)向?qū)У脑韴D ...................... 24 創(chuàng)建新設(shè)計(jì) ................................. 24 搭建原理圖 ................................. 24 設(shè)置微帶線的參數(shù) ............................ 26 設(shè)置環(huán)行器參數(shù) .............................. 27 利用設(shè)計(jì)向?qū)森h(huán)行器原理圖 .................... 27 對(duì)環(huán)行器原理圖仿真 ............................. 32 生成版圖并仿真 .................................. 34 生成版圖 .................................... 34 版圖仿真 ................................... 35 第五章 結(jié) 束語(yǔ) ………………………………… ..36 基于 ADS 的射頻 環(huán)行器 仿真 設(shè)計(jì) 楊 杰 南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院通信工程系 ， 南京 210044 摘要： 射頻環(huán)行器作為一種重要的器件 ， 廣泛應(yīng)用于通信以及雷達(dá)系統(tǒng)中的收發(fā)組件上 。 傳統(tǒng)的環(huán)行器通常利用鐵氧體材料的特性構(gòu)成 ， 因而需要外加磁場(chǎng)才能工作 ， 而鐵氧體器件 的體積和重量通常都比較大 ，且不利于集成 ， 給使用帶來(lái)不便 。 而微帶 環(huán)行器具有體積小、 重量輕、不需要外加磁場(chǎng) ,易與 MMIC 技術(shù)兼容的特點(diǎn) 。 本文的主要目的是通過(guò) ADS 軟件仿真設(shè)計(jì)射頻段環(huán)形器 。 本文設(shè)計(jì)的環(huán)行器為 四端口 微帶 環(huán)行器 ， 首先介紹其設(shè)計(jì)理論 ， 重點(diǎn)分析環(huán)行器的 S 參數(shù) ， 然后利用 ADS 軟件設(shè)計(jì)微帶 環(huán)行器 。 本設(shè)計(jì) 中心頻率選擇射頻段 的 ,帶寬 為 10%， 在通帶內(nèi) ， 設(shè)計(jì)出 11S 和 41S 小于 25dB， 21S 大于 ， 31S 大于 的 環(huán)行器 ， 而通過(guò)仿真設(shè)計(jì)出的環(huán)行器完全達(dá)到指標(biāo) 。 關(guān)鍵詞： 微帶環(huán)行器 ； 射頻 ； ADS 仿真 第一章 引言 ADS概 述 ADS 軟件支持所有類型射頻 電路設(shè)計(jì) ， 包括時(shí)域電路設(shè)計(jì)、頻域電路設(shè)計(jì)、電路布局圖設(shè)計(jì)和通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) ， 同時(shí)提供各種電流的時(shí)域仿真分析、頻域仿真分析和電磁仿真分析 ，并可與其他 EDA軟件進(jìn)行連接 。 ADS 的設(shè)計(jì)功能 ADS可以提供原理圖設(shè)計(jì)和布局圖設(shè)計(jì) ， 在原理圖設(shè)計(jì)中 ， ADS不僅提供了無(wú)源到有源、從器件到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面板 ， 而且提供設(shè)計(jì)工具 、設(shè)計(jì)向?qū)Ш驮O(shè)計(jì)指南等 ， 原理圖設(shè)計(jì)可以在數(shù)據(jù)顯示視窗看到仿真結(jié)果 。 原理圖 設(shè)計(jì)提供了 62 類元件面板 ， 每個(gè)元件面板上有幾個(gè)到幾十個(gè)不等的元件 ， 這些元件面板包括時(shí)域源、頻域源、調(diào)制源和各種類型的源 ， 微帶線、帶狀線等各種類型的傳輸線 ， 集總參數(shù)元件、分布參數(shù)元件等各種無(wú)源器件 ， 砷化鎵器件、雙極結(jié)型器件等各種有源器件 ， 濾波器、放大器、混頻器等各種系統(tǒng)級(jí)部件等 ， 使用者利用元件面板上提供的元部件可以進(jìn)行設(shè)計(jì) 。 原理圖設(shè)計(jì)中提供了多種設(shè)計(jì)工具 ， 使用者可以利用設(shè)計(jì)工具提供的圖形化界面進(jìn)行傳 輸線計(jì)算、史密斯圓圖使用、阻抗匹配等輔助設(shè)計(jì) 。 在原理圖設(shè)計(jì)中 ， 設(shè)計(jì)向?qū)峁┰O(shè)定界面供設(shè)計(jì)人員進(jìn)行電路分析與設(shè)計(jì) ， 使用者可以利用圖形化界面設(shè)定參數(shù) ， 設(shè)計(jì)向?qū)?huì)自動(dòng)完成電路響應(yīng)模型 。 ADS提供的設(shè)計(jì)向?qū)Оㄘ?fù)載電路設(shè)計(jì)向?qū)АV波器設(shè)計(jì)向?qū)?、放大器設(shè)計(jì)向?qū)?、混頻器設(shè)計(jì)向?qū)Ш驼袷幤髟O(shè)計(jì)向?qū)У?。 設(shè)計(jì)指南以范例與指令說(shuō)明的形式師范電路的設(shè)計(jì)流程 ， 使用者可以利用這些范例 ， 學(xué)習(xí)如何利用 DAS高效進(jìn)行電路設(shè)計(jì) 。 目前 ADS提供設(shè)指南包括 GSM設(shè)計(jì)指南、 WLAN設(shè)計(jì)指南、CDMA設(shè)計(jì)指南和 RFIC設(shè)計(jì)指南等 。 使用者也可以通過(guò)軟件建立自己的設(shè)計(jì)指南 。 ADS可以對(duì)原理圖設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析 ， 仿真結(jié)果在數(shù)據(jù)顯示窗口中顯示 。 為增加仿真分析的方便性 ， ADS提供了仿真模板功能 ， 仿真模板將經(jīng)常重復(fù)使用的設(shè)計(jì)仿真設(shè)定成一個(gè)模板直接使用 ， 避免了重復(fù)設(shè)定所需的時(shí)間和步驟 。 使用者也可以通過(guò)軟件建立自己的仿真模板 。 ADS的仿真功能 ADS的仿真功能十分強(qiáng)大 ， 可以提供直流仿真、交流仿真、 S參數(shù)仿真、諧波平衡仿真、增益壓縮仿真、電路包絡(luò)仿真、瞬態(tài)仿真、預(yù)算仿真和電磁仿真等 ， 這些仿真可以 進(jìn)行線性和非線性仿真 ， 電路和系統(tǒng)仿真 ， 頻域、時(shí)域和電磁仿真 。 1. 線性分析 線性分析為頻域、小信號(hào)電路的仿真分析方法 ， 可以對(duì)線性和非線性射頻電路進(jìn)行線性分析 。 在進(jìn)行線性分析時(shí) ， 軟件首先計(jì)算電路中每個(gè)元件的線性參數(shù) ， 如 S參數(shù)、 Z 參數(shù)、 Y參數(shù)、電路阻抗、反射系數(shù)、穩(wěn)定系數(shù)、增益與噪聲等 ， 然后對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行分析和仿真 ，得到線性電路的幅頻、相頻、群延時(shí)、線性噪聲等特性 。 2. 諧波平衡和增益壓縮分析 諧波平衡和增益壓縮分析為頻域、大信號(hào)、非線性、穩(wěn)態(tài)電路的仿真分析方法 ， 可以用來(lái)分析具有多頻輸入信號(hào)的非線性電路 ， 得到諧波 失真、功率壓縮點(diǎn) 。 三階交調(diào)點(diǎn)、非線性噪聲等參數(shù) 。 諧波平衡和增益壓縮仿真是一個(gè)有效的頻域分析工具 ， 與時(shí)域瞬態(tài) SPICE仿真分析相比 ， 諧波平衡和增益壓縮仿真可以給非線性電路提供一個(gè)比較快速有效的分析方法 ， 對(duì)現(xiàn)今頻率越來(lái)越高的通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō) ， 顯得尤為重要 ， 填補(bǔ)了時(shí)域瞬態(tài) SPICE仿真和小信號(hào) S參數(shù)仿真的不足 。 3. 高頻 SPICE瞬態(tài)分析 高頻 SPICE 瞬態(tài)分析可以分析線性和非線性電路的瞬態(tài)響應(yīng) ， 是一種時(shí)域的仿真分析方法 。 瞬時(shí)仿真是傳統(tǒng) SPICE軟件采用的最基本的仿真方法 ， SPICE軟件可以說(shuō)是所有電路仿真軟件的鼻祖 ， 能 夠?qū)δM和數(shù)字電路進(jìn)行仿真 。 但與傳統(tǒng) SPICE 軟件相比 ， 高頻 SPICE瞬態(tài)分析有很多的優(yōu)點(diǎn) ， 例如可以直接使用頻域分析模型 ， 對(duì)微帶線和分布參數(shù)濾波器等進(jìn)行分析 ， 這是因?yàn)?ADS在仿真時(shí)可以將頻域分析模型進(jìn)行拉氏變換后在瞬態(tài)分析 ， 因?yàn)楦哳lSPICE瞬態(tài)仿真分析能夠?qū)︻l域模型進(jìn)行分析 。 4. 電路包絡(luò)分析 電路包絡(luò)仿真是近年來(lái)通信系統(tǒng)的一項(xiàng)標(biāo)志性技術(shù) ， 可以講高頻調(diào)制信號(hào)分解為時(shí)域和頻域兩部分進(jìn)行處理 ， 非常適合對(duì)數(shù)字調(diào)制射頻信號(hào)進(jìn)行快速、全面的分析 。 在時(shí)域上 ，電路包絡(luò)仿真對(duì)相對(duì)低頻的調(diào)制信息用時(shí)域 SPICE方法來(lái)仿真分析 ， 而對(duì)相對(duì)高頻的載波成分 ， 電路包絡(luò)仿真則采用類似諧波平衡法的仿真方法 ， 在頻域進(jìn)行處理 ， 這樣的處理使仿真器的速度和效率得到了質(zhì)的飛躍 。 5. 電磁仿真分析 ADS 軟件采用矩量法 (Momentum)對(duì)電路進(jìn)行電磁仿真分析 。 矩量法與有限元法和時(shí)域有限差分法等一樣 ， 是一種數(shù)值計(jì)算方法 ， 可以對(duì)微分方程和積分方程進(jìn)行數(shù)值求解 ， 因此在電磁場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用十分廣泛 。 矩量法將激勵(lì)和加載分割成若干部分 ， 并將一個(gè)泛函方程化為矩陣方程 ， 從而得