1.8. ADS 仿真思路与流程

ADS（Advanced Design System）是安捷伦/是德科技推出的射频与微波电路仿真工具，在 RF 设计中占据主导地位。

1.8.1. ADS 仿真流程总览

完整的 ADS 仿真流程：

1. 项目建立
   └── 选择工艺库与技术文件

2. 原理图设计
   ├── 调用元件库（S 参数、集总元件、传输线）
   ├── 设置仿真模板（S 参数 / 谐波平衡 / 瞬态）
   └── 设置参数扫描（频率、功率等）

3. 仿真运行
   ├── 小信号分析（S 参数）
   ├── 大信号分析（谐波平衡 HB）
   ├── 瞬态分析（时域）
   └── 电磁仿真（Momentum / FEM）

4. 数据显示
   ├── Smith 圆图
   ├── 幅度/相位曲线
   ├── 星座图 / EVM
   └── 大信号特性

5. 优化
   ├── 目标设定（S₁₁ < -20 dB, S₂₁ > 10 dB）
   ├── 参数调谐（Tuning）
   ├── 自动优化（Optimization）
   └── 良率分析（Yield）

6. 版图生成（Layout）
   ├── 原理图 → 版图（Layout）
   ├── EM 协同仿真
   └── 导出 Gerber / GDSII

1.8.2. ADS 仿真类型选择

仿真类型	控制器	用途	典型场景
S 参数	`S_Param`	线性小信号分析	滤波器、匹配网络、LNA
谐波平衡	`HB` / `HBBalance`	非线性稳态分析	功放、混频器、振荡器
包络仿真	`Envelope`	调制信号分析	调制失真、EVM
瞬态	`Transient`	时域	开关电路
电磁仿真	`Momentum` / `FEM`	全波 3D EM	天线、PCB 寄生提取
电路级联	`Cascade`	多级系统预算	链路预算分析

1.8.3. 常见仿真模板

1.8.3.1. S 参数仿真模板

S 参数仿真（示例：微带滤波器）：

          ┌──────────────┐
Port 1 ──┤   微带滤波器   ├── Port 2
 50 Ω    │    (DUT)      │   50 Ω
          └──────────────┘

ADS 原理图中的设置：

1. 放置 S_Param 控件
   S_Param
   Start=1.0 GHz
   Stop=3.0 GHz
   Step=1.0 MHz

2. 设置 Term 组件（端口终端，通常 50 Ω）

3. 运行仿真 → 查看 S₁₁、S₂₁ 曲线

1.8.3.2. 谐波平衡仿真模板

谐波平衡仿真（示例：功率放大器）：

┌──────────┐    ┌──────────────┐    ┌──────────┐
│ 源端     ├─── │     PA       ├─── │  负载    │
│ P_1Tone  │    │   (DUT)      │    │ Term     │
└──────────┘    └──────────────┘    └──────────┘

HB 控制器设置：
Freq[1] = 2 GHz (基频)
Order[1] = 5 (谐波阶数)
使用 Sweep 扫描输入功率

| 输出：Pout(dBm) vs Pin(dBm)
| Gain(dB) vs Pin(dBm)
| PAE(%) vs Pin(dBm)
| IMD3 vs Δf (双音)

1.8.4. ADS 调谐与优化

1.8.4.1. 调谐（Tuning）

手动调谐——调整元件参数实时观察结果变化：

步骤：
1. 选中要调谐的元件（如 L、C 值）
2. 点击工具栏里的 Tuning 按钮（或 View → Tuning）
3. 在弹出的调谐面板中滑动滑条
4. 结合史密斯圆图直观地观察匹配变化

调谐技巧：
- 先调大趋势（数量级），再微调
- 观察 S₁₁ 在史密斯圆图上的轨迹
- 每次只调一个参数，理解参数的影响

1.8.4.2. 优化（Optimization）

自动优化——设置目标后让 ADS 自动寻参：

优化步骤：
1. 在原理图中加入 Goal 控件

   Goal
   OptimGoal[1] = S11_dB
   SimInstanceName[1] = "SP1"
   Min[1] = -100
   Max[1] = -20
   RangeVar[1] = "freq"
   RangeMin[1] = 2.0 GHz
   RangeMax[1] = 2.5 GHz

2. 在元件参数后加变量名（如 L=3 nH 改为 L=var_L nH）
3. 在 VAR 控件中定义变量和范围

   VAR
   var_L = 2.0 (1.0 to 5.0)
   var_C = 1.0 (0.5 to 3.0)

4. 选择优化算法

   - Random（随机）：全局搜索，适合初始探索
   - Gradient（梯度）：局部搜索，收敛快
   - Genetic（遗传）：全局搜索，适合复杂问题
   - Minimax（极小极大）：适合多目标

5. 运行优化 → 查看优化结果

小技巧

优化的**黄金法则**： - 先手动粗调，再用自动优化精调 - 限制变量范围避免物理不可实现的值 - 分步优化（先匹配、后增益、再线性度） - 最终验证优化结果在极端工艺角下的表现

1.8.5. 电磁仿真（Momentum / FEM）

原理图 → 版图 → EM 仿真的完整流程：

1. 在原理图中完成电路设计并仿真
2. 选中设计 → Layout → Generate/Update Layout
3. 在版图窗口中设置：
   - 衬底（Substrate）定义
   - 端口（Port）设置
   - 网格（Mesh）密度
4. 运行 Momentum（2.5D EM 仿真，适合平面结构）
   或 FEM（3D EM 仿真，适合非平面结构）
5. EM 仿真完成后，生成 EM 模型符号
6. 将 EM 模型放回原理图 → 协同仿真

DS 与 Momentum 的协同仿真

1.8.6. 常用的 ADS 设计示例

1.8.6.1. 示例：L 型匹配网络

目标：将 Z_L = 25 + j10 Ω @ 1 GHz 匹配到 50 Ω

ADS 实现步骤：

1. 新建原理图，添加 S_Param 控件
   Start=0.5 GHz, Stop=1.5 GHz

2. 放置负载和匹配元件：
   ┌────────────┬────────────┬────────────┐
   │ TermG      ┝ L=3.98 nH ┝ C=3.18 pF ┝ TermG
   │ Z=50 Ω     │           │           │ Z=25 Ω
   └────────────┴────────────┴────────────┘

3. 在负载端加自定义阻抗（使用 Z1P_Eqn 控件）
   Z_L = 25 + j*10

4. 仿真并查看 S₁₁ ← 验证匹配效果

5. 运行 Tuning 微调 L、C 补偿寄生

1.8.6.2. 示例：S 参数提取（去嵌入）

EM 仿真 + 去嵌入流程：

                  ┌── 去嵌入区域 ──┐
                  │                │
 ───── Port ────▓▓▓── DUT ──▓▓▓── Port ─────

去嵌入原理：
1. 分别仿真：
   - 直通结构（Thru）
   - 开路结构（Open）
   - 短路结构（Short）
2. 使用 ADS 的去嵌入模板减去夹具寄生
3. 得到 DUT 的纯 S 参数

在 ADS 中可通过 "Simulation → De-embed" 向导完成。

1.8.6.3. 示例：单级放大器的设计

步骤大纲（以 BJT 放大器为例）：

选择晶体管（如 ATF-34143）
DC 仿真确定偏置点（Vds = 3V, Ids = 20 mA）
在偏置点进行 S 参数仿真
评估稳定性 K 因子（若 K<1，加稳定网络）
设计输入/输出匹配网络
在原理图中仿真：S 参数 + HB 大信号
优化匹配元件值
生成版图并运行 EM 协同仿真
最终验证：增益、NF、P1dB、PAE

1.8.7. ADS 快捷键与效率技巧

快捷键	功能
`F2`	放置元件
`F4`	连线
`F7`	仿真
`F8`	重新仿真
`Ctrl+T`	调谐面板
`Ctrl+R`	旋转元件
`Ctrl+M`	添加标记（Marker）
`F12`	生成版图