射频仿真技术
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.
Transient仿真
Tansient Simulation全称是Transient/Convolution Simulation，从本质上讲，Transient Simulation是时域的仿 真工具，它基于KCL/KVL定理，利用各种积分/微分方程来进行 求解，得到的结果是一个信号的时间域的结果（也就是电压和电 流）。它的基础模型是Spice模型，所以它也是一个Spice类型的 时间域的仿真，一般应用于电路或子系统的瞬态响应仿真。
.
Budget仿真及结果
Meas_Name
Cmp_NF_dB Cmp_S21_dB Cmp_OutTOI_dBm NF_RefIn_dB OutNPwrTotal_dBm OutPwr_dBm OutPGain_dB OutN0_dBm OutSNR_Total_dB OutPGainChange_dB OutTOI_dBm OutP1dB_dBm Cmp_Ctrb_SysNF_NoImage... Cmp_Ctrb_SysTOI_dB
SystemPGain_dB SystemPOut_dBm
SystemS11_dB SystemS11_mag SystemS11_phase
SystemS12_dB SystemS12_mag SystemS12_phase
SystemS21_dB SystemS21_mag SystemS21_phase
f req, MHz
4.7566899
4.7566899
4.7566899
4.7566899 4.7566899
200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400
f req, MHz
基于S参数仿真的线性噪声分析
Budget仿真
用于对一个由两端口器件构成的网络或系统进行线性和 非线性仿真，确定系统设计的余量，及系统设计的瓶颈。
9.742E-14 89.606
-400.000
0.000 0.000
9.999 3.162
-0.649 -400.000
0.000 0.000
大信号S参数仿真
作用：用于计算大信号条件下的非线性器件的S参数。 与普通小信号S参数仿真不同，仿真基于Harmonic
Balance技术。因为仿真可以包含压缩等非线性过程，所以仿真结 果是与功率相关的。
系统级
System_Name
SystemInN0_dBm SystemInNPwr_dBm SystemInP1dB_dBm
SystemInSOI_dBm SystemInTOI_dBm
SystemNF_dB SystemOutN0_dBm SystemOutNPwr_dBm SystemOutP1dB_dBm SystemOutSOI_dBm SystemOutTOI_dBm SystemPGain_SS_dB
m2
freq=120.0MHz
2.0
0
dB(fs(vin[1],,,,,"Kaiser"))=-20.990
mm312
m3
1.5
-20
freq=80.00MHz
dB(fs(vin[1],,,,,"Kaiser"))=-20.518
-40 1.0
-60 0.5
-80
0.0 0
10
20
30
40
50
time, nsec
Envelop 仿真是一个比较特殊的仿真引擎。虽然将现 在多数是将它用于时域仿真，但是其本身却有很强的频域仿 真能力。在ADS的早期版本中，很多使用HB Simulation 的场合，都是用Envelop Simulation来替代的。
通过Envelop仿真可以得到一个复杂信号通过电路/系 统后的包络变化情况。
.
射频仿真软件
在技术革命不断深化的今天，不断增加的实际应用对系统设计 提出了更高的要求，具体表现在体积的小型化、模块化和功能的集 成化。这些需求也进而体现在了射频系统的设计上。在现阶段，仅 靠人工计算进行的设计方式无论是在速度上还是计算的准确性上都 已不再适应射频的系统设计。那么选择一款合适的CAD软件来加快 设计进度，提高设计的准确性已成了必然的选择。
pnoise.pnmx, dBc
-40
m3
-50
-60
m3 noisefreq=1.010kHz pnoise.pnmx=-51.96 dBc
-70
m4
-80
-90
m4 noisefreq=10.01kHz pnoise.pnmx=-81.84 dBc
-100
-110
-120 0
10
20
30
40
50
.
仿真软件的应用领域
三维电 磁场
多物理 场
二维平面 电磁场
仿真软件
有源电 路设计
无源电 路设计
.
仿真软件的起源
Touchstone
HP MIT
.
仿真软件中的仿真引擎
数据类型区分：时域、频域、电磁域 仿真类型区分：线性、非线性 应用类型区分：设计、验证
.
仿真引擎的应用
DC仿真的应用： 确定电路的工作点 确定电路的功耗 通过验证I-V传输曲线判断电路是否正常 计算电路中各节点的电压和电流关系
SystemS22_dB SystemS22_mag SystemS22_-173.975
-170.965 10.937
1000.000 20.600
6.973 -157.002
-157.002 19.938
1000.000 30.600
10.000 9.999
-10.001 -260.227
.
接收链路的HB仿真
dBm(vout)
dBm(IF)
m3
m4 f req=303.0MHz
f req=304.0MHz dBm(IF)=-21.800
dBm(IF)=-124.087
0
m3
0
-100
m4
-100
dBm(BIt)
-200
-200
-300
-300
-400 300
50 0 -50 -100 -150 -200 -250
m1 f req=250.0MHz dB(load_spectrum)=-28.920
dB(load_spectrum)
-100
-150 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 f req, GHz
Gilbert混频器的仿真及仿真结果t
Envelop仿真
m5
310
freq, MHz
freq <i n va l i d >Hz
ipo1 40.733
m1
10 0
-10
-20 m2
-30
m1 noisefreq=10.00 Hz pnoise.pnmx=8.168 dBc
m2 noisefreq=110.0 Hz pnoise.pnmx=-23.07 dBc
-100
-6
-4
-2
0
2
4
6
freq, GHz
mag(Vif[1]) dB(fs(vin[1],,,,,"Kaiser"))
脉冲调制信号通过放大器后的包络与频谱
HB-Balance仿真
HB Simulation全称是Harmonic Balance Simulation，它
也是一种频域的仿真技术，主要用来计算电路/系统的非线性
.
在Envelop Simulation中，必须 确定如下几个参数：起始时间、中 止时间与时间步进（这与 Transient Simulation是一致的） 和仿真频率与阶数（这与后面详细 介绍的HB Simulation是一致的）。
m1 freq=100.0MHz dB(fs(vin[1],,,,,"Kaiser"))=-15.783
元件级
BPF1
0.000 -2.656E-6 1000.000
0.000 -173.975 -20.000 -2.656E-6 -173.975 153.975
0.000 1000.000 1000.000
0.000 0.000
M2
3.000 0.000 1000.000 4.758 -169.217 -20.000 -2.656E-6 -169.217 149.217 0.000 1000.000 1000.000 3.000 0.000
射频仿真技术
.
CAD、CAE与数字样机
数字样机是以CAX/DFX技术为基础，以机械系统运 动学、动力学和控制理论为核心，融合虚拟现实、仿真技 术、三维计算机图形技术，将分散的产品设计开发和分析 过程集成在一起，使产品的设计者、制作者和使用者在产 品的早期可以直观形象的对数字化的虚拟产品原型进行设 计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真，为产品的研发 提供全新的数字化设计方法。
.
单点直流仿真原理图与计算结果 静态工作点直流仿扫描真原理图与计算结果
.
AC仿真
AC仿真： 用于计算电路或系统的小信号条件下的频率响应特性 用于计算电路或系统的线性噪声
.
功放的AC仿真原理图结果与仿真结果
线性噪声指的是系统或电路内部元件由于温度等产生的固有噪声！ 电源噪声、传输噪声的影响不在计算范围之内!
300
freq, MHz
m1 f req=304.0MHz dBm(vout)=3.995
m1
310
m2 ind Delta=-1-.10.00E06E6 dep Delta=-73.477 delta mode ON
-400 300
m2
310
freq, MHz
m5 f req=304.0MHz dBm(BIt)=-19.800
Eqn spectrum=fs(Vif,,,,,,,24ns,32ns)
0
-50
-100
-150 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 f req, GHz
0
m1
-50
Eqn load_spectrum=fs(Vload,,,,,,,24ns,52ns)
60
70
80
90
100
非线性噪声响应的仿真原理图与结果
noisefreq, KHz
S Parameter仿真
仿真过程与设置与矢量网络分析仪相同，是最常用的 射频仿真引擎！
.
NFmin nf(2)
3.4348325
3.4348325 3.4348325 3.4348325
3.4348325 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400
.
功放电路的S12仿真及结果
.
Batch 仿真
传统的仿真引擎一次只能处理一组数据，当需要比较同 一个电路拓扑，在不同参数下的响应的区别时，可以利用 Batch仿真！
.
Batch仿真及结果
dB(S(2,1))[2,::] dB(S(2,1))[1,::] dB(S(2,1))[0,::]
40
30
BPF2
0.000 2.007E-6 1000.000
4.758 -169.217 -20.000 -6.482E-7 -169.217 149.217
0.000 1000.000 1000.000
0.000 0.000
AMP2
3.000 10.000 30.600 6.973 -157.002 -10.001 9.999 -157.002 147.001 -0.001 30.600 19.938 1.757 1000.000
.
对任意电路而言，其响应都 需要一个建立时间，必须确 保中止时间大于建立时间， 才可以得到准确的结果。对 于本例而言，此时间大概在 22ns左右。
Vload, mV Vif, mV
150 100
50 0
-50 -100
0
10 20 30 40 50 60 70 time, nsec
dB(spectrum)
失真特性。相比于传统的时域仿真而言，频域仿真有着巨大的
优势：可以根据通路中的电压/电流，求出相应的频谱分布，
而且对于大多数线性模型而言，在频域中的表达要比时域中的
更加精确。
利用HB Simulation可以得到以下参数：
➢得到电压/电流的频谱分量
➢计算3阶距点、总谐波失真和交调失真分量
➢非线性噪声分析
dB(S(2,1))[0,::]
20
dB(S(2,1))[1,::]
10
dB(S(2,1))[2,::]
0
-10
-20
-30
-40 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
.
freq, GHz
Yield仿真
YIELD 分析能够按照变量元件的离散分布分析 出产品达到性能目标的合格率。通过给出所采用的 器件的连续或离散变化特性，（它们符合电子产品 的分布特性正态分布、高斯分布或其他分布）。 YIELD 分析基于Monte Carlo 方法，需要建立一 定数量的随机试验。设计变量在容差范围内变化， 随机试验中符合设计目标需要的试验次数 （PASSNUMBER）和失败的实验次数将会得到， 从而估算出产品的试验合格率。
Transient仿真
Tansient Simulation全称是Transient/Convolution Simulation，从本质上讲，Transient Simulation是时域的仿 真工具，它基于KCL/KVL定理，利用各种积分/微分方程来进行 求解，得到的结果是一个信号的时间域的结果（也就是电压和电 流）。它的基础模型是Spice模型，所以它也是一个Spice类型的 时间域的仿真，一般应用于电路或子系统的瞬态响应仿真。
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Budget仿真及结果
Meas_Name
Cmp_NF_dB Cmp_S21_dB Cmp_OutTOI_dBm NF_RefIn_dB OutNPwrTotal_dBm OutPwr_dBm OutPGain_dB OutN0_dBm OutSNR_Total_dB OutPGainChange_dB OutTOI_dBm OutP1dB_dBm Cmp_Ctrb_SysNF_NoImage... Cmp_Ctrb_SysTOI_dB
SystemPGain_dB SystemPOut_dBm
SystemS11_dB SystemS11_mag SystemS11_phase
SystemS12_dB SystemS12_mag SystemS12_phase
SystemS21_dB SystemS21_mag SystemS21_phase
f req, MHz
4.7566899
4.7566899
4.7566899
4.7566899 4.7566899
200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400
f req, MHz
基于S参数仿真的线性噪声分析
Budget仿真
用于对一个由两端口器件构成的网络或系统进行线性和 非线性仿真，确定系统设计的余量，及系统设计的瓶颈。
9.742E-14 89.606
-400.000
0.000 0.000
9.999 3.162
-0.649 -400.000
0.000 0.000
大信号S参数仿真
作用：用于计算大信号条件下的非线性器件的S参数。 与普通小信号S参数仿真不同，仿真基于Harmonic
Balance技术。因为仿真可以包含压缩等非线性过程，所以仿真结 果是与功率相关的。
系统级
System_Name
SystemInN0_dBm SystemInNPwr_dBm SystemInP1dB_dBm
SystemInSOI_dBm SystemInTOI_dBm
SystemNF_dB SystemOutN0_dBm SystemOutNPwr_dBm SystemOutP1dB_dBm SystemOutSOI_dBm SystemOutTOI_dBm SystemPGain_SS_dB
m2
freq=120.0MHz
2.0
0
dB(fs(vin[1],,,,,"Kaiser"))=-20.990
mm312
m3
1.5
-20
freq=80.00MHz
dB(fs(vin[1],,,,,"Kaiser"))=-20.518
-40 1.0
-60 0.5
-80
0.0 0
10
20
30
40
50
time, nsec
Envelop 仿真是一个比较特殊的仿真引擎。虽然将现 在多数是将它用于时域仿真，但是其本身却有很强的频域仿 真能力。在ADS的早期版本中，很多使用HB Simulation 的场合，都是用Envelop Simulation来替代的。
通过Envelop仿真可以得到一个复杂信号通过电路/系 统后的包络变化情况。
.
射频仿真软件
在技术革命不断深化的今天，不断增加的实际应用对系统设计 提出了更高的要求，具体表现在体积的小型化、模块化和功能的集 成化。这些需求也进而体现在了射频系统的设计上。在现阶段，仅 靠人工计算进行的设计方式无论是在速度上还是计算的准确性上都 已不再适应射频的系统设计。那么选择一款合适的CAD软件来加快 设计进度，提高设计的准确性已成了必然的选择。
pnoise.pnmx, dBc
-40
m3
-50
-60
m3 noisefreq=1.010kHz pnoise.pnmx=-51.96 dBc
-70
m4
-80
-90
m4 noisefreq=10.01kHz pnoise.pnmx=-81.84 dBc
-100
-110
-120 0
10
20
30
40
50
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仿真软件的应用领域
三维电 磁场
多物理 场
二维平面 电磁场
仿真软件
有源电 路设计
无源电 路设计
.
仿真软件的起源
Touchstone
HP MIT
.
仿真软件中的仿真引擎
数据类型区分：时域、频域、电磁域 仿真类型区分：线性、非线性 应用类型区分：设计、验证
.
仿真引擎的应用
DC仿真的应用： 确定电路的工作点 确定电路的功耗 通过验证I-V传输曲线判断电路是否正常 计算电路中各节点的电压和电流关系
SystemS22_dB SystemS22_mag SystemS22_-173.975
-170.965 10.937
1000.000 20.600
6.973 -157.002
-157.002 19.938
1000.000 30.600
10.000 9.999
-10.001 -260.227
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接收链路的HB仿真
dBm(vout)
dBm(IF)
m3
m4 f req=303.0MHz
f req=304.0MHz dBm(IF)=-21.800
dBm(IF)=-124.087
0
m3
0
-100
m4
-100
dBm(BIt)
-200
-200
-300
-300
-400 300
50 0 -50 -100 -150 -200 -250
m1 f req=250.0MHz dB(load_spectrum)=-28.920
dB(load_spectrum)
-100
-150 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 f req, GHz
Gilbert混频器的仿真及仿真结果t
Envelop仿真
m5
310
freq, MHz
freq <i n va l i d >Hz
ipo1 40.733
m1
10 0
-10
-20 m2
-30
m1 noisefreq=10.00 Hz pnoise.pnmx=8.168 dBc
m2 noisefreq=110.0 Hz pnoise.pnmx=-23.07 dBc
-100
-6
-4
-2
0
2
4
6
freq, GHz
mag(Vif[1]) dB(fs(vin[1],,,,,"Kaiser"))
脉冲调制信号通过放大器后的包络与频谱
HB-Balance仿真
HB Simulation全称是Harmonic Balance Simulation，它
也是一种频域的仿真技术，主要用来计算电路/系统的非线性
.
在Envelop Simulation中，必须 确定如下几个参数：起始时间、中 止时间与时间步进（这与 Transient Simulation是一致的） 和仿真频率与阶数（这与后面详细 介绍的HB Simulation是一致的）。
m1 freq=100.0MHz dB(fs(vin[1],,,,,"Kaiser"))=-15.783
元件级
BPF1
0.000 -2.656E-6 1000.000
0.000 -173.975 -20.000 -2.656E-6 -173.975 153.975
0.000 1000.000 1000.000
0.000 0.000
M2
3.000 0.000 1000.000 4.758 -169.217 -20.000 -2.656E-6 -169.217 149.217 0.000 1000.000 1000.000 3.000 0.000
射频仿真技术
.
CAD、CAE与数字样机
数字样机是以CAX/DFX技术为基础，以机械系统运 动学、动力学和控制理论为核心，融合虚拟现实、仿真技 术、三维计算机图形技术，将分散的产品设计开发和分析 过程集成在一起，使产品的设计者、制作者和使用者在产 品的早期可以直观形象的对数字化的虚拟产品原型进行设 计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真，为产品的研发 提供全新的数字化设计方法。
.
单点直流仿真原理图与计算结果 静态工作点直流仿扫描真原理图与计算结果
.
AC仿真
AC仿真： 用于计算电路或系统的小信号条件下的频率响应特性 用于计算电路或系统的线性噪声
.
功放的AC仿真原理图结果与仿真结果
线性噪声指的是系统或电路内部元件由于温度等产生的固有噪声！ 电源噪声、传输噪声的影响不在计算范围之内!
300
freq, MHz
m1 f req=304.0MHz dBm(vout)=3.995
m1
310
m2 ind Delta=-1-.10.00E06E6 dep Delta=-73.477 delta mode ON
-400 300
m2
310
freq, MHz
m5 f req=304.0MHz dBm(BIt)=-19.800
Eqn spectrum=fs(Vif,,,,,,,24ns,32ns)
0
-50
-100
-150 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 f req, GHz
0
m1
-50
Eqn load_spectrum=fs(Vload,,,,,,,24ns,52ns)
60
70
80
90
100
非线性噪声响应的仿真原理图与结果
noisefreq, KHz
S Parameter仿真
仿真过程与设置与矢量网络分析仪相同，是最常用的 射频仿真引擎！
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NFmin nf(2)
3.4348325
3.4348325 3.4348325 3.4348325
3.4348325 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400
.
功放电路的S12仿真及结果
.
Batch 仿真
传统的仿真引擎一次只能处理一组数据，当需要比较同 一个电路拓扑，在不同参数下的响应的区别时，可以利用 Batch仿真！
.
Batch仿真及结果
dB(S(2,1))[2,::] dB(S(2,1))[1,::] dB(S(2,1))[0,::]
40
30
BPF2
0.000 2.007E-6 1000.000
4.758 -169.217 -20.000 -6.482E-7 -169.217 149.217
0.000 1000.000 1000.000
0.000 0.000
AMP2
3.000 10.000 30.600 6.973 -157.002 -10.001 9.999 -157.002 147.001 -0.001 30.600 19.938 1.757 1000.000
.
对任意电路而言，其响应都 需要一个建立时间，必须确 保中止时间大于建立时间， 才可以得到准确的结果。对 于本例而言，此时间大概在 22ns左右。
Vload, mV Vif, mV
150 100
50 0
-50 -100
0
10 20 30 40 50 60 70 time, nsec
dB(spectrum)
失真特性。相比于传统的时域仿真而言，频域仿真有着巨大的
优势：可以根据通路中的电压/电流，求出相应的频谱分布，
而且对于大多数线性模型而言，在频域中的表达要比时域中的
更加精确。
利用HB Simulation可以得到以下参数：
➢得到电压/电流的频谱分量
➢计算3阶距点、总谐波失真和交调失真分量
➢非线性噪声分析
dB(S(2,1))[0,::]
20
dB(S(2,1))[1,::]
10
dB(S(2,1))[2,::]
0
-10
-20
-30
-40 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
.
freq, GHz
Yield仿真
YIELD 分析能够按照变量元件的离散分布分析 出产品达到性能目标的合格率。通过给出所采用的 器件的连续或离散变化特性，（它们符合电子产品 的分布特性正态分布、高斯分布或其他分布）。 YIELD 分析基于Monte Carlo 方法，需要建立一 定数量的随机试验。设计变量在容差范围内变化， 随机试验中符合设计目标需要的试验次数 （PASSNUMBER）和失败的实验次数将会得到， 从而估算出产品的试验合格率。