基于ADS的射频环行器仿真设计(很全面)

毕业论文(设计)题目基于ADS的射频环行器仿真设计学生姓名学号院系电子与信息工程学院专业通信工程指导教师目录第一章引言..............................................41.1ADS概述.........................................41.1.1ADS的设计功能...............................41.1.2ADS的仿真功能................................51.1.3ADS与其他软件厂商元件模型的连接..............61.2环行器概述.......................................71.2.1射频环行器的发展现状及趋势...................81.2.2铁氧体环行器的相关原理.......................81.2.3环行器的相关应用.............................91.2.4本文环行器的研究意义........................11第二章环行器相关原理...................................112.1环行器的S参数..................................122.2本文环行器的设计指标.............................13第三章环行器的设计与仿真.............................143.1利用ADS设计环行器...............................143.1.1创建项目....................................143.2设计原理图......................................153.2.1搭建电路.................................153.2.2设置微带线参数控件..........................173.3原理图仿真及显示仿真数据.........................183.4生成版图并仿真...................................203.4.1生成版图...................................213.4.2版图仿真....................................22第四章环行器设计向导的利用与仿真.......................244.1创建环行器设计向导的原理图......................244.1.1创建新设计.................................244.1.2搭建原理图.................................244.1.3设置微带线的参数............................264.1.4设置环行器参数..............................274.2利用设计向导生成环行器原理图.....................274.3对环行器原理图仿真.............................324.4生成版图并仿真..................................344.4.1生成版图....................................344.4.2版图仿真...................................35第五章结束语…………………………………..37基于ADS的射频环行器仿真设计摘要：射频环行器作为一种重要的器件，广泛应用于通信以及雷达系统中的收发组件上。传统的环行器通常利用铁氧体材料的特性构成，因而需要外加磁场才能工作，而铁氧体器件的体积和重量通常都比较大，且不利于集成，给使用带来不便。而微带环行器具有体积小、重量轻、不需要外加磁场,易与MMIC技术兼容的特点。本文的主要目的是通过ADS软件仿真设计射频段环形器。本文设计的环行器为四端口微带环行器，首先介绍其设计理论，重点分析环行器的S参数，然后利用ADS软件设计微带环行器。本设计中心频率选择射频段的2.4GHz,带宽为10%，在通带内，设计出11S和41S小于-25dB，21S大于-3.2dB，31S大于-3.1dB的环行器，而通过仿真设计出的环行器完全达到指标。关键词：微带环行器；射频；ADS仿真第一章引言1.1ADS概述ADS软件支持所有类型射频电路设计，包括时域电路设计、频域电路设计、电路布局图设计和通信系统设计，同时提供各种电流的时域仿真分析、频域仿真分析和电磁仿真分析，并可与其他EDA软件进行连接。1.1.1ADS的设计功能ADS可以提供原理图设计和布局图设计，在原理图设计中，ADS不仅提供了无源到有源、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，原理图设计可以在数据显示视窗看到仿真结果。1.设计面板原理图设计提供了62类元件面板，每个元件面板上有几个到几十个不等的元件，这些元件面板包括时域源、频域源、调制源和各种类型的源，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，使用者利用元件面板上提供的元部件可以进行设计。2.设计工具原理图设计中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传输线计算、史密斯圆图使用、阻抗匹配等辅助设计。3.设计向导在原理图设计中，设计向导提供设定界面供设计人员进行电路分析与设计，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负载电路设计向导、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师范电路的设计流程，使用者可以利用这些范例，学习如何利用DAS高效进行电路设计。目前ADS提供设指南包括GSM设计指南、WLAN设计指南、CDMA设计指南和RFIC设计指南等。使用者也可以通过软件建立自己的设计指南。5.仿真与数据显示ADS可以对原理图设计进行仿真分析，仿真结果在数据显示窗口中显示。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。1.1.2ADS的仿真功能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，这些仿真可以进行线性和非线性仿真，电路和系统仿真，频域、时域和电磁仿真。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，软件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，然后对整个电路进行分析和仿真，得到线性电路的幅频、相频、群延时、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分析为频域、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。谐波平衡和增益压缩仿真是一个有效的频域分析工具，与时域瞬态SPICE仿真分析相比，谐波平衡和增益压缩仿真可以给非线性电路提供一个比较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，显得尤为重要，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瞬态分析高频SPICE瞬态分析可以分析线性和非线性电路的瞬态响应，是一种时域的仿真分析方法。瞬时仿真是传统SPICE软件采用的最基本的仿真方法，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，高频SPICE瞬态分析有很多的优点，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在瞬态分析，因为高频SPICE瞬态仿真分析能够对频域模型进行分析。4.电路包络分析电路包络仿真是近年来通信系统的一项标志性技术，可以讲高频调制信号分解为时域和频域两部分进行处理，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方法来仿真分析，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得到了质的飞跃。5.电磁仿真分析ADS软件采用矩量法(Momentum)对电路进行电磁仿真分析。矩量法与有限元法和时域有限差分法等一样，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。矩量法将激励和加载分割成若干部分，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，若激励和加载分割成越来越多个部分，矩量法的电磁数值解就越精确。ADS软件采用矩量法可以对布局图进行电磁仿真分析，得到电路板上的寄生和耦合效应，对原理图的设计结果加以验证。1.1.3ADS与其他软件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。ADS软件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。1.与其他软件的连接ADS软件提供了丰富的接口，允许与其他软件连接。ADS软件的SPICE电路转换器可以讲SPICE格式的电路图转换成DAS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。ADS软件的布局转换器可以将其他EDA或者CAD软件产生的布局文件导入到ADS软件中进行编辑。2.与厂商元件模型间的沟通ADS软件允许都得到厂商的元件模型，并将其读入到ADS软件，供使用者在电路的设计和仿真中使用。1.2环行器概述环行器，一种只允许信号从一个端口到另一个端口单向流动的三端器件，在通信系统或者雷达中用于隔离发射和接收通道。其工作原理就是利用中心结构在射频场和外加偏置磁场之间满足一定关系时产生的谐振效应,从而获得环行效果。目前环行器大致上使用的是圆盘结,Y型结,双Y结,三角结的中心谐振导体。在二次世界大战中，环行器、隔离器等器件的应用，解决了雷达系统的级间隔离、阻抗以及共用等一系列实际问题，极大的提高了雷达系统的性能，成为系统中的关键器件。此后，环行器得到了快速的发展，它被广泛的应用于通信和雷达系统中的收发组件上。在雷达、微波通信、无线通信以及无线局域网系统中，射频前端部分主要完成无线信号的收发，因此它占有非常重要的作用。大家都知道，无线通信系统中的任一条通信线路包括发射系统和接收系统。收、发系统它们共用一副天线，因此就要将收、发信号分开，所以在天线和接收与发射设备系统连接的地方就必须装置环行器。下图1-1就是无线收、发信机(transceiver)的射频前端部分的示意图。图1-1：射频收发信机结构框图由上图可知，射频环行器是微波/射频收发系统中非常重要的组成部分，环行器用作收发信号两边的重要器件，既要连接着天线又要连接收、发链路，在移动通信系统中扮演着“上传下达”的重要角色，即通过环行器的功能使信号的收发可有一对天线完成。对一个环行器而言，当一端口接发射机，二端口接天线，三端口接接收机时，发射机发射的微波信号大部分只能通过二端口的天线发送出去，只有少量的信号泄漏到三端口进入接收机；天线收到的微波信号大部分只能传送到三端口的接收机，从