ADS实验报告

射频微波EDA课程报告
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2015年5月
一、本课设学习目的
通过射频微波EDA课程设计的学习，在学习EDA仿真软件ADS使用方法的基础上，掌握最基本的射频无源/有源电路的工作原理与系统仿真设计。

加深对于EDA的理解，并将理论与实践相结合，用实践证明理论，更深入掌握EDA。

二、本课设报告内容
（一）、利用ADS进行放大器匹配电路设计。

要求：1）使用晶体管为bjt_pkg （参数beta=50），2）中心频率为1900MHz，对应的S21>30dB，S11和S22<-30dB。

1）相关电路原理简介：
（一）1.导入ac_vcc.dns，按照书本所示更改电路图，添加终端负载等元件，写入改变终端阻抗的方程：
2）必要的设计参数、步骤、仿真电路图
2.开始仿真，引入S21的矩形图，并插入标志，得到如下：
3.运行仿真，输出portZ （2）数据列表，可以看出，当频率大于等于400MHz 时，负载阻抗为35欧：
4.在数据显示窗中计算感抗，容抗值：
（3）插入列表，显示电感值和感抗范围:
freq
100.0 M Hz
200.0 M Hz 300.0 M Hz 400.0 M Hz 500.0 M Hz 600.0 M Hz 700.0 M Hz 800.0 M Hz 900.0 M Hz 1.000 GHz 1.100 GHz 1.200 GHz 1.300 GHz 1.400 GHz 1.500 GHz 1.600 GHz 1.700 GHz 1.800 GHz 1.900 GHz 2.000 GHz 2.100 GHz 2.200 GHz 2.300 GHz 2.400 GHz 2.500 GHz 2.600 GHz 2.700 GHz
2.800 GHz
2.900 GHz
3.000 GHz 3.100 GHz 3.200 GHz 3.300 GHz 3.400 GHz 3.500 GHz 3.600 GHz 3.700 GHz
PortZ(2)
50.000 / 0.000 50.000 / 0.000 50.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000 35.000 / 0.000
(二)1.代入L 和C 的计算值并仿真，电路图如下：
2.在数据显示窗口显示，对传输参数S12和S21，和反射参数s11和S22仿真数据绘图并做标志，如下图所示：
freq, GHz
d B (S (2,2))
d B (S (1,1))d B (S (2,1))m3
freq=dB(S(1,1))=-1.827
1.900GHz
（三）匹配电路设计：
1.启动史密斯原图工具，由上可知ZL 阻抗值为419627-j*154419，设置完成后，并联相应的电容和电感，使之达到匹配点：
2.频率范围为0~
3.8GHz 时，S11参数曲线如下图所示：
freq (100.0MHz to 4.000GHz)S (1,1)
S (2,2)m4
freq=S(1,1)=0.810 / -4.472
impedance = Z0 * (8.393 - j3.088)
1.900GHz
freq (100.0MHz to 4.000GHz)
S (1,1)
S (2,2)
m4
freq=
S(1,1)=0.810 / -4.472
impedance = 419.627 - j154.419
1.900GHz
3.完成匹配之后，单击史密斯控件，并单击按钮，进入子电路，如下图所示：
4.将史密斯控件直接进入电路输入端，如图所示：
5.进行仿真，添加S11，S21，S22数据显示，输入端已经达到匹配，但输出端没有匹配：
0.5
1.0
1.5
0.0
freq, GHz d B (S (2,2))
d B (S (1,1))d B (S (2,1))m3freq=dB(S(1,1))=-34.424
1.900GHz
（四）输出端阻抗匹配：
1.引入S11和S22的史密斯圆图，并在1900MHz 处插入标志，如图所示;
2.通过史密斯圆图可得知S22的实际阻抗值，输入并进行阻抗匹配，可得如下结果：
3.将史密斯控件插入电路并仿真得出如下结果：
freq (100.0MHz to 4.000GHz)
S (1,1)
S (2,2)m4
freq=S(1,1)=0.019 / -84.736
impedance = 50.139 - j1.898
1.900GHz
m5
freq=S(2,2)=0.955 / -3.341
impedance = Z0 * (16.721 - j20.985)1.900GHz
0.5
1.0
1.5
0.0
freq, GHz d B (S (2,2))
d B (S (1,1))d B (S (2,1))m3freq=dB(S(1,1))=-11.317
1.900GHz
由图可看出，尽管S22达到了指标要求，但S11,没有达到要求。

这时需要用参数优化功能，进一步完善电路要求：
（五）参数优化
1.设定Goal 和optim 控件， 对Goal 进行设置：
2.对电容进行设置，将optimization status 选项改为enable ，使之能进行优化，并以此为基础，对L3，L4，C3，C4进行设置：
.
freq (100.0MHz to 4.000GHz)
S (1,1)
S (2,2)
m4
freq=S(1,1)=0.272 / -108.132
impedance = 37.256 - j20.776
1.900GHz
m5
freq=S(2,2)=0.005 / 102.786
impedance = 49.881 + j0.5141.900GHz
3.完成设置后的电路图如下：
4.对电路进行仿真，可看到仿真状态显示窗口
5.在数据显示窗口中插入矩形图，找到最后一次迭代的仿真数据，并显示S11，S21，S22仿真曲线。

如下图所示：
6.在数据显示窗口中，插入史密斯圆图并绘制S11和S22仿真曲线，同时利用Z0=50欧进行阻抗替换：
7.在将各优化变量的值更新为最终优化值后，最终电路图如下所示：
freq, GHz
d B (O p t i m 1.S P 1.S P .S (1,1))
d B (O p t i m 1.S P 1.S P .S (2,
1))d B (O p t i m 1.S P 1.S P .S (2,2))m6
freq=dB(Optim1.SP1.SP.S(2,1))=32.037optIter=114
1.900GHz
m7
freq=dB(Optim1.SP1.SP.S(1,1))=-34.194optIter=114
1.900GHz
m8
freq=dB(Optim1.SP1.SP.S(2,2))=-22.664optIter=114
1.900GHz
freq (100.0MHz to 4.000GHz)
m10
freq=Optim1.SP1.SP.S(1,1)=0.020 / -22.289optIter=114
impedance = 51.833 - j0.768
1.900GHz
8.双击电感L3，将电感的optimization status参数设置为“disable”，并单击ok，并以同样的方法使其他的电容和电感禁止优化，并修正4个L和C匹配元件值，得到如下电路图：
9.进行仿真。

得到如下：
数据显示窗口打开后，插入S11，S12，S22数据，并在史密斯圆图上对S11和S22绘图，得到如下：
（二）、 利用ADS 进行Wilkinson 功分器设计。

要求：1）通频带为1.1~1.3GHz ，2）功分比1：1，3）带内各端口反射系数S11，S22，S33小于-20dB ，两输出端隔离度S23小于-25dB ，传输损耗S21和S31小于3.1dB ，4）要求S 参数在带宽内尽量呈对称分布。

1）相关电路原理简介：
freq, GHz
d B (S (1,1))
d B (S
(2,1))d B (S (2,2))m1
freq=dB(S(2,1))=30.170
1.900GHz
m2
freq=dB(S(1,1))=-12.5861.900GHz
m3
freq=dB(S(2,2))=-13.1101.900GHz
freq (100.0MHz to 4.000GHz)
S (1,1)
S (2,2)
m4
freq=S(2,2)=0.221 / 101.146
impedance = Z0 * (0.839 + j0.382)
1.900GHz
m5
freq=S(1,1)=0.235 / 43.475
impedance = Z0 * (1.323 + j0.452)1.900GHz
2）必要的设计参数、步骤、仿真电路图：
1、计算微带线的宽和长：
中心频率为1.2GHz，z0=50Ω：
2、设置VAR的参数，依次添加微带线的W，L，S参数如下图所示：
3、添加三个端口，选择SP控件，并设置扫描频率范围和步长。

再选择控件Optim，并设置优化方法及优化次数。

选择优化目标Goal，并设置优化目标，如下图：
4、单击仿真按钮进行优化仿真，仿真结束后，执行菜单命令【Simulate】/【Update Optimization Values】开始优化,弹出优化窗口，保存优化后的变量值。

3）结果及分析
关掉优化控件再观察仿真的曲线如下：
由上图可看出，在频率为1.2GHz时，S11小于-20dB,满足设计要求，S21、S31小于3.1dB，均满足设计数值要求，但从图中可看出仿真结果曲线不对称，S23为-22.213大于-25dB,未达设计要求，因S参数曲线不满足指标要求，故无法进行版图仿真。

（三）、设计LC切比雪夫型低通滤波器。

要求：1）截止频率100MHz，衰减为3dB，2）带内波纹为1dB，3）频率大于125MHz，衰减大于20dB，4）Z0=50 Ohm。

1）相关电路原理简介
2）必要的设计参数、步骤、仿真电路图：
（一)：低通滤波器的设计与仿真：
（1）由要求所得，截止频率为100MHz，衰减为3dB，波纹为1dB，频率大于125MHz，衰减大于20dB，特性阻抗为50欧。

元件级数为n=5；
（2）根据元件值和低通原型向低通滤波器转化公式可得出各元件值的参数分别为：C1=70pf; L2=90nH ; C3=99pf ;L4=90nH ;C5=70pf:
（3）根据元件参数及书本画出原理图：
（4）进行仿真，单击仿真按钮，输出S（1,1），S（1,2），S（2,1），S（2,2）的
参数随频率变化的曲线：
（5）结论：由于S(1,1)和S（2,2）曲线相同，S（1,2）和S（2,1）曲线相同，所以所见只有两条曲线。

（二)：带通滤波器的设计与仿真：
根据元件参数及书本画出原理图：
进行仿真，单击仿真按钮，输出S（1,1），S（1,2），S（2,1），S（2,2）的参数随频率变化的曲线：
（5）结论：由于S(1,1)和S（2,2）曲线相同，S（1,2）和S（2,1）曲线相同，所以所见只有两条曲线。

（三）利用ads设计集总参数滤波器：
（1）在组件面板中选择双端口低通滤波器控件，插入到原理图：
（2）在窗口中选择“Filter Control Window…”进行滤波器参数设计。

在滤波器设计导向窗口中，输入滤波器的三个详细特征参数：Ap=3; Fp=1GHz ; Fs=2GHz:
（3）改变“Response Type”项内容，可以看到滤波器的响应曲线发生了变化：
（4）单击design，开始滤波器的设计，系统将自动设计一个集总参数滤波器：
（5）如下图，可以观测到滤波器的各个集总参数元件值：
（6）滤波器的组件的子电路：
（7）如图：插入端口和接地，组件如图所示的原理图;
（8）单击仿真按钮进行仿真：
出现如图的S(1,1)和S（2,1）的参数输出：
3）结果及分析：
结论：由上图可以发现：S21曲线，滤波器在1.7GHz处的S21参数接近阻带衰减-20.056dB，这满足设计要求，m1在1GHz处的通带内损耗为-3dB，也满足设计要求；
S11曲线：滤波器在1GHz的频点处插入反射系数为-3.021dB，也满足要求。

（四）.设计1.8GHz的低噪声放大器。

要求：1）S11和S22<-10dB，2）噪声系数nf<2。

1）相关电路原理简介：
2）必要的设计参数、步骤、仿真电路图：
低噪声放大器的设计;
（一）晶体直流工作点扫描：
（1）如书本所示画出原理图，并按照书本配置各控件参数：
（2）单击仿真按钮进行仿真，得到如图所示结果图：
（二）S 参数扫描：
（1）查找元件pb_mot_MMBR941_19961020(此处教材为2012版)，并插入至原理图中。

（2）按照书本选择控件，并放至原理图中，改变其参数，将控件用导线连接，按照书本所示画出原理图：
（3）单击仿真按钮进行仿真，得出如下所示图形：
IBB=2.000E-5
IBB=3.000E-5IBB=4.000E-5IBB=5.000E-5IBB=6.000E-5IBB=7.000E-5IBB=8.000E-5IBB=9.000E-5IBB=1.000E-4VCE
I C .i , m A
m1
VCE=IC.i=0.009
IBB=0.000060
3.000
（4）放置矩形框到数据窗口中，画出S （1,1）随率变化的曲线：可见S11随频率的增加而减少，在3GHZ 时开始减缓递减:
(5)插入以dB 形式给出的S11参数随频率变化的关系：
（6）放置矩形图到数据窗口中，画出nf （2）参数随率变化曲线：
freq
100.0 MHz 150.0 MHz 200.0 MHz 250.0 MHz 300.0 MHz 350.0 MHz 400.0 MHz 450.0 MHz 500.0 MHz 550.0 MHz 600.0 MHz 650.0 MHz 700.0 MHz 750.0 MHz 800.0 MHz 850.0 MHz 900.0 MHz 950.0 MHz 1.000 GHz 1.050 GHz 1.100 GHz 1.150 GHz 1.200 GHz 1.250 GHz 1.300 GHz 1.350 GHz 1.400 GHz 1.450 GHz 1.500 GHz 1.550 GHz
S(1,1)
0.999 / -5.328 0.998 / -7.991 0.997 / -10.654 0.995 / -13.316 0.993 / -15.977 0.990 / -18.638 0.987 / -21.297 0.984 / -23.955 0.980 / -26.612 0.976 / -29.268 0.972 / -31.924 0.967 / -34.578 0.962 / -37.232 0.957 / -39.885 0.952 / -42.539 0.946 / -45.192 0.940 / -47.846 0.934 / -50.502 0.928 / -53.159 0.922 / -55.818 0.916 / -58.479 0.909 / -61.144 0.903 / -63.812 0.897 / -66.485 0.890 / -69.162 0.884 / -71.846 0.877 / -74.535 0.871 / -77.232 0.865 / -79.936 0.858 / -82.647
（三）：输入阻抗测试：
由图可得出1.8GHz的输入阻抗为18.615+j3.772
(四)输入阻抗测试：
（1）如书本所示选择控件及连接电路图：修改SSmatch控件的频率参数为1.8GHz，根据输入阻抗测试可得知，1.8GHz时的输入阻抗为18.615+j3.772，因此，修改
控件的输入阻抗属性为18.615+j3.772 ohm：
（2）执行菜单命令，生成匹配网络：
（3）进入匹配网络。

可得到如图所示子电路：
（4）单击仿真按钮进行仿真，放置矩形图到图形显示窗口中，显示S11，S12，S21，S22随频率变化的曲线：
可见，电路的已经达到了比较好的性能，输入匹配良好
（5）放置列表窗口到显示窗口中，选择Zin1, Nfmin ,nf(2),的参数对应频率的值，可得出，增益，稳定系数和噪声系数都比较好：
（五）输出匹配设计：
（1）如书本所示连接电路图，修改参数，同时修改微带线SSMatch 的频率为1.8GHz ，修改它的输入阻抗为18.615+j3.772：
（2）进行优化仿真：
（3）完成优化后，保存优化成果：
freq
0.0000 Hz
100.0 M Hz 200.0 M Hz 300.0 M Hz 400.0 M Hz 500.0 M Hz 600.0 M Hz 700.0 M Hz 800.0 M Hz 900.0 M Hz 1.000 GHz 1.100 GHz 1.200 GHz 1.300 GHz 1.400 GHz 1.500 GHz 1.600 GHz 1.700 GHz 1.800 GHz 1.900 GHz 2.000 GHz 2.100 GHz 2.200 GHz 2.300 GHz 2.400 GHz 2.500 GHz 2.600 GHz 2.700 GHz 2.800 GHz 2.900 GHz 3.000 GHz 3.100 GHz 3.200 GHz 3.300 GHz 3.400 GHz 3.500 GHz 3.600 GHz 3.700 GHz 3.800 GHz 3.900 GHz 4.000 GHz 4.100 GHz 4.200 GHz
4.300 GHz 4.400 GHz 4.500 GHz 4.600 GHz 4.700 GHz 4.800 GHz 4.900 GHz
5.000 GHz 5.100 GHz 5.200 GHz
Zi n1
22.744 / 9.547 23.751 / 11.812 24.546 / 13.253 25.409 / 14.392 26.364 / 15.261 27.425 / 15.861 28.600 / 16.177 29.893 / 16.187 31.310 / 15.863 32.851 / 15.171 34.513 / 14.068 36.283 / 12.505 38.135 / 10.425 40.021 / 7.768 41.863 / 4.477 43.542 / 0.504 44.894 / -4.164 45.719 / -9.490 45.814 / -15.361 45.026 / -21.580 43.309 / -27.880 40.758 / -33.972 37.576 / -39.593 34.014 / -44.543 30.306 / -48.693 26.632 / -51.967 23.109 / -54.309 19.805 / -55.647 16.750 / -55.852 13.960 / -54.678 11.449 / -51.680 9.247 / -46.074 7.429 / -36.607 6.144 / -21.877 5.600 / -2.350 5.890 / 17.384 6.841 / 32.646 8.190 / 42.883 9.759 / 49.506 11.455 / 53.808 13.237 / 56.624 15.087 / 58.456 17.004 / 59.604 18.990 / 60.253 21.053 / 60.520 23.204 / 60.478 25.457 / 60.174 27.827 / 59.635 30.329 / 58.874 32.984 / 57.896 35.809 / 56.697 38.826 / 55.264 42.055 / 53.579
NFm i n
0.0220.0400.0680.0990.1310.1660.2030.2410.2830.3270.3740.4250.4800.5400.6050.6780.7580.8470.9481.0611.1901.3361.5021.6931.9132.1692.4692.8263.2583.7914.4555.2786.2387.1507.5587.1306.1955.2334.4363.8163.3372.9632.6662.4262.2292.0651.9271.8111.7111.6251.5501.4861.429
nf(2)
0.3280.3710.3940.4160.4410.4680.5000.5370.5790.6270.6820.7450.8170.8990.9931.0991.2221.3621.5231.7081.9232.1732.4652.8083.2133.6934.2664.9535.7796.7737.9619.34910.86512.22812.85812.33911.0289.5258.1386.9525.9655.1524.4833.9323.4773.1002.7862.5252.3062.1231.9691.8391.729
（4）单击仿真按钮后，出现数据显示窗口，显示S11，S22，S12，S21的频率变化的曲线，如下图所示：
3）结果及分析
由仿真结果得出，S11，S22的参数结果小于-10dB在频率为1.8GHz时，nf 为0.016小于2可得:该低噪声放大器满足要求。

三．总结与展望
经过这几周的ADS软件实验操作，通过自己摸索与教师同学的指导，我熟悉了这个应用软件的操作步骤，也熟练掌握了EDA的理论运用。

在实验具体操作中，我对于EDA射频电路的设计与仿真有了初步的理解，也能解决在实际设计与仿真中出现的一些问题和注意点，从而对ADS这款软件的熟悉度和操作性有了更深的了解。

相信在这次EDA电路设计与仿真实验结束以后，我仍然会对ADS，对EDA产生浓厚的兴趣。