第4 章 射频 电路 设计 与 仿真

对于微波网络而言,最重要的参数就是 S 参数。在个人计算机平台迈入 GHz 阶段之后,从计算机的中央处理器、显示界面、存储器总线到 I/O 接口,全部走入高频传送的阶段,所以现在不但进行射频微波电路设计时需要了解 S 参数相关知识,进行计算机系统甚至消费电子系统设计时也需要对相关知识有所掌握。本节通过实例介绍 ADS2017 实现 S 参数仿真的原理和方法。

4.1.1 S 参数的概念

在低频电路中，元器件的尺寸相对于信号的波长而言可以忽略（通常小于波长的1/10），这种情况下的电路被称为节点（lump）电路，这时可以采用常规的电压、电流定律来进行电路计算。

但在高频/微波电路中，由于波长较短，组件的尺寸就无法再视为一个节点，某一瞬间组件上所分布的电压、电流会不一致。因此基本的电路理论不再适用，而必须采用电磁场理论中的反射及传输模式来分析电路。元器件内部电磁波的进行波与反射波的干涉使电压和电流失去了一致性，电压电流比为稳定状态的固有特性也不再适用，取而代之的是“分布参数”的特性阻抗观念，此时的电路以电磁波传送与反射为基础要素，即反射系数、衰减系数、传送的延迟时间。

分布参数电路采用场分析法，但场分析法过于复杂，因此需要一种简化的分析方法。微波网络法广泛运用于微波系统的分析，是一种

等效电路法，在分析场分布的基础上，用路的方法将微波元器件等效为电抗或电阻器件，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实际的微波系统简化为微波网络，将场的问题转化为路的问题来解决。

一般地，对于一个有 Y、Z 和 S 参数的网络是可以实际测量和分析的，其中 Y 称为导纳参数，Z 称为阻抗参数，S 称为散射参数。Z 和 Y 参数对于集总参数电路分析非常有效，各参数可以很方便地测试。但是在微波系统中，由于确定非 TEM 波电压、电流的困难性，而且在微波频率测量电压和电流也存在实际困难，因此，在处理高频网络时，等效电压和电流以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。与直接测量入射、反射及传输波概念更加一致的是散射参数，即 S 参数矩阵，它更适合于分布参数电路。

S 参数是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。同 W 端口网络的阻抗和导纳参数一样，用散射参数亦能对 W 端口网络进行完善的描述。阻抗和导纳参数反映了端口的总电压和电流的关系，而散射参数则反映端口的入射电压波和反射电压波的关系。散射参数可以直接用网络分析仪测量得到，而且可以用网络分析法来计算。

下面以二端口网络为例说明 S 参数的含义，如图 4-1 所示。

二端口网络有四个 S 参数，Sij 表示能量从 j 口注入，在 i 口测得的能量，如 S11 定义为从端口 1 口反射的能量与输入能量比值的平方根，也经常被简化为等效反射电压和等效入射电压的比值。各参数的物理含义和特殊网络的特性如下：

（1）S11：端口2匹配时，端口1的反射系数。

（2）S22：端口1匹配时，端口2的反射系数。

（3）S12：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数。

（4）S21：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数。

（5）对于互易网络，S12=S21。

（6）对于对称网络，S11=S22。

（7）对于无耗网络， $ \mathrm{(S11)^{2}+(S22)^{2}=1} $

通常可以将单根传输线或一个过孔等效成一个二端口网络。一端端口1接输入信号，另一端端口2接输出信号，那么S11表示回波损耗，即有多少能量被反射回源端（端口1），该值越小越好，一般建议S11<0.1，即-20dB；S21表示插入损耗，即有多少能量被传输到目的端（端口2），该值越大表示传输的效率越高，理想值是1，即0dB。一般建议S21>0.7，即-3dB。如果网络是无耗的，那么只要端口1上的S11很小就可以使S21>0.7的要求得到满足，但通常传输线是有耗的，尤其在GHz以上时，损耗很显著，即使在

端口1上没有反射，经过长距离的传输线后 S21 的值会变得很小，说明能量在传输过程中受到消耗。

4.1.2 S 参数在电路仿真中的应用

S 参数自问世以来已在电路仿真中得到广泛使用。针对射频和微波应用的综合和分析工具几乎都具有使用 S 参数进行仿真的能力，这其中包括安捷伦公司的 ADS。

ADS仿真器中都可以找到S参数模块，用户可以对每个S参数进行设置完成相应的仿真。同时，用户也可以通过网络分析仪对要生产的PCB进行精确的S参数测量。用户还可以采用元器件厂家提供的S参数进行仿真，据安捷伦EDA部门的一位应用工程师在文章中介绍：“这些数据通常是在与最终应用环境不同的环境中测得的。这可能在仿真中引入误差。”他举例，当电容器安装在不同类型的印制电路板上时，电容器会因为安装焊盘和电路板材料（如厚度、介电常数等）而存在不同的谐振频率。固态器件也会遇到类似问题（如LNA应用中的晶体管）。为避免这些问题，最好在实验室中测量S参数。但无论如何，为了进行射频系统仿真，无法回避使用S参数模型，而这些数据是来自设计师的亲自测量还是直接从元器件厂家获得，则是由高频电子电路的特性所决定的。

S 参数仿真的主要功能包括以下几个方面：

（1）获得器件或电路的 S 参数，并可以将该参数转换成 Y 参数或 Z 参数。

（2）仿真群延时。

（3）仿真线性噪声。

（4）分析频率改变对小信号的影响。

（5）仿真混频器电路的 S 参数。

4.1.3 S参数仿真面板与仿真控制器

ADS 中有专门针对 S 参数仿真的元器件面板，在 Simulation-S_Param 类元器件面板中提供了所有 S 参数仿真需要的控件，如图 4-2 所示。

常用的控件名称如下：SP（S参数仿真控制器）、Sweep Plan（参数扫描计划控制器）、Options（S参数仿真设置控制器）、RefNet（参考网络控件）、NdSet Name（节点名控件）、Disp Temp（显示模板控件）、MaxGain（最大增益控件）、VoltGain（电压增益控件）、GainRip（增益波纹控件）、MuPrim（计算源稳定系数控件）、StabMs（计算电路稳定系数）、Zin（输入阻抗控件）、SP Lab（S参数仿真测试平台控件）、Prm Swp（参数扫描控制器）、Term（终端负载）、OscTest（接地振荡器测试）、NdSet（节点设置控件）、SP Output（S参数输出控件）、Meas Eqn（仿真测量等式控件）、PwrGain（功率增益控

件）、VSWR（电压驻波比控件）、Mu（计算负载稳定系数控件）、Stabfct（计算 Rollett 稳定因子K）、Yin（输入导纳控件）和GaCir～NsCir（Smith 圆图控件）。

1. S 参数仿真控制器

S 参数仿真控制器(SP)在原理图中如图 4-3 所示，它是控制 S 参数仿真最主要的控件，可以设置 S 参数仿真的频率扫描范围、仿真执行参数和噪声分析相关参数等内容。双击 S 参数仿真控制器，弹出参数设置选项卡，可以对该选项卡随 SP 参数进行设置。

（1）Frequency。S参数仿真要在一定频率范围内执行，因此在S参数仿真执行前通过S参数仿真控制器设置窗口中的Frequency选项卡对频率参数进行设置，如图4-4所示。

（2）Parameters。S参数仿真中的参数计算、频率转换、仿真状态信息显示和仿真结果保存等参数，用户可以通过Parameters选项卡进行设置，如图4-5所示。

参数计算(Calculate)。设置仿真过程中计算的Y参数(Y-parameters)、Z参数(Z-parameters)、群延时参数(Group delay)。用户可以选中需计算的参数，仿真结束后可以在仿真结果中查看这个参数。

频率转换（Enable AC frequency conversion）。决定是否允许进行频率转换。如果选中此项，则可以执行带有频率转换的 S 参数仿真。

仿真状态显示(Status level)。设置仿真状态窗口中显示信息的多少。其中，0表示显示很少的仿真信息，1和2表示显示正常的仿真信息，3和4表示显示较多的仿真信息。

器件的操作点信息设置(Device operating point level)。设置数据文件是否保存原理图中的有源器

件和部分线性器件的操作点。其中，None 表示不保存有源器件和部分线性器件的操作点相关系数，Brief 表示仅保存部分元器件的电流、功率和一些线性器件的参数，Detailed 表示保存所有直流仿真的工作点值，如电流、电压、功率和线性器件参数。

（3）Noise。在 S 参数仿真中同样可以进行噪声分析，噪声分析的相关参数可以通过 Noise 选项卡进行设置，如图 4-6 所示。

2. S 参数仿真测试平台控件

S 参数仿真测试平台控件(SP Lab)如图 4-7 所示，它专门用来建立 S 参数仿真的测试平台，其参数与 S 参数仿真控制器的参数相同。

3. 参数扫描计划控制器

参数扫描计划控制器(Sweep Plan)如图4-8所示，主要用来设置仿真中的参数扫描计划。用户可以通过该控制器添加一个或多个扫描变量，并制订相应的扫描计划。

4. 参数扫描控制器

参数扫描控制器(Prm Swp)如图4-9所示，用来设定仿真中的扫描参数。该控制器设定的扫描参数可以在多个仿真实例中使用。

5. S 参数仿真设置控制器

S 参数仿真设置控制器(Options)如图 4-10 所示，主要用来进行 S 参数仿真时环境温度、设备温度、仿真的收敛性、仿真的状态提示和输出文件特性等相关参数的设置。

6. 终端负载

终端负载(Term)如图4-11所示，用来定义端口标号以及设定各端口终端负载阻抗。

7. 最大增益控件

最大增益控件(MaxGain)如图4-12所示，用来在仿真结果中添加仿真电路的最大增益数据组。

8. 功率增益控件

功率增益控件(PwrGain)如图 4-13 所示，用来在仿真结果中添加仿真电路功率增益的数据组。

9. 电压增益控件

电压增益控件(VoltGain)如图4-14所示，用来在仿真结果中添加仿真电路电压增益的数据组。

10. 电压驻波比控件

电压驻波比控件(VSWR)如图4-15所示，用来在仿真结果中添加仿真电路各端口电压驻波比的数据组。

11. 增益波纹控件

增益波纹控件(GainRip)如图4-16所示，用来在仿真结果中添加仿真电路增益波纹的数据组。

12. 输入导纳控件

输入导纳控件(Yin)如图4-17所示，用来在仿真结果中添加仿真电路输入导纳的数据组，用户在仿真结束后可以直接在数据显示窗口中查看仿真电路或仿真网络的输入导纳。

13. 输入阻抗控件

输入阻抗控件(Zin)如图 4-18 所示，用来在仿真结果中添加仿真电路输入阻抗的数据组。

14. 史密斯圆图控件

史密斯圆图控件(Smith)是射频电路分析中最有效和最直观的工具，ADS提供各种史密斯圆图工具，如各种增益圆图、噪声系数圆图和稳定性圆图等。用户可以在原理图中通过这些控件计算相应数据，并将这些数据添加到仿真结果中。史密斯圆图控件面板如图4-19所示。

4.1.4 S 参数仿真过程

（1）选择器件模型并建立电路原理图。

（2）确定需要进行 S 参数仿真的输入、输出端口，并在 Simulation-S_Param 元器件面板中选择终端负载控件 Term 分别连接在电路的输入、输出端口。

（3）在 Simulation_S_Param 元器件面板列表中选择 S 参数仿真控制器 SP，并放置在电路图设计窗口中。

（4）双击 S 参数仿真控制器，在 Frequency 选项卡中对交流仿真中频率扫描类型和扫描范围等进行设置。

（5）如果扫描变量较多，则需要在 Simulation-S_Param 元器件面板中选择 Prm Swp 控件，在其中设置多个扫描变量以及每个扫描变量的扫描类型和扫描参数范围等。

（6）如果需要计算电路的群延时特性，则需要在 S 参数仿真控制器参数设置窗口中选择 Parameters 选项卡，在 Calculate 项中选中 Group delay，允许在仿真中计算群延时参数。

（7）如果需要对电路进行线性噪声分析，则需要在 S 参数仿真控制器参数设置窗口的 Noise 选项卡中选中 Calculate noise 项，允许在仿真中计算线性噪声，然后分别设置噪声的输入端口、输出端口、噪声来源分类方式、噪声的动态范围和噪声带宽等内容。

（8）设置完成后，执行仿真。

（9）在数据显示窗口查看仿真结果。

4.1.5 基本 S 参数仿真

下面通过实例强调 S 参数仿真过程中参数设置、运行、优化以及数据输出等相关内容，对 S 参数仿真有更全面的认识。

1. 创建原理图

（1）新建项目空间，命名为 chapter4-wrk，其他选项默认。

（2）新建原理图，单击 ☑ 图标，弹出对话框，命名为 S_params，参照交流仿真原理图，绘制 S 参数仿真原理图。

（3）在 Simulation-S_Param 组件面板中，插入终端负载（Term）。

（4）在 Lumped-Components 组件面板中，插入两个理想扼流圈 DC_feed 以隔离 RF 与直流通路。

（5）在 Lumped-Components 组件面板中，插入两个隔直电容 DC_Block 器件。

（6）在 Simulation-S_Param 组件面板中，在原理图上放置控件，参数设置为 Start=100MHz，Stop=4GHz，Step=100MHz。

完整电路原理图如图 4-20 所示。

2. 仿真结果输出

（1）单击仿真按钮，进行仿真。

（2）仿真结束后，引入 S21（dB）的矩形图，在 1900MHz 处插入标记，如图 4-21 所示，确认此处增益为 20.364dB。

（3）单击数据显示窗口左侧工具栏图标引入 S11 和 S22 的史密斯圆图（Smith Chart），并在 1900MHz 处插入标记。

（4）选中标记读出器（marker readout），按方向键可移动标记。从图4-22中可知，由于还没有对该电路输入、输出进行匹配，S11和S22的结果很差，S11在1.9GHz处的大小以及它的阻抗值没有匹配，若完全匹配，则应该在50Ω附近。

（5）双击标记读出器弹出如图 4-23 所示的编辑标记属性窗口，在 Format 选项卡中把 Zo 改为 $ 50\Omega $，单击 OK 按钮，得到新的结果，如图 4-24 所示。

3. 写出改变终端阻抗的方程

（1）在原理图中对端口2写方程，这样可以更灵活地定义参数和变量，使其终端Z在频率小于400MHz时负载阻抗为50Ω大于400MHz时阻抗为35Ω，即Z=if freq<400MHz then 50 else 35 endif，如图4-25所示。

（2）运行仿真，在数据显示窗口单击 $ \underline{\text{12345678}} $按钮，输出 PortZ(2)以数据列表(list)形式显示。检查在频率大于400MHz时Z是否为35Ω，从图4-26中可以看出，当频率大于等于400MHz时，负载阻抗为35Ω。

（3）把端口2阻抗重置到 $ Z=50\Omega $。

4. 在数据显示窗口中计算感抗、容抗值

在图 4-26 所示的电路中，DC_Block 和 DC_Feed 都是理想器件，而实际电路是用电感代替扼流圈，用电容代替 DC_Block，接下来完成的是计算电容的容抗值和电感的感抗值。

（1）插入方程计算 XC。在数据显示窗口单击 Eqn 图标，插入方程，计算 1900MHz 处 10pF 的容抗。然后列表输出 XC，如图 4-27 所示，计算后结果为 -8.377，这个电抗值比较小，在 1900MHz 交流信号时可以近似看作短路器件。

（2）改变方程中的电容值为 $ 20 \, pF $，XC 列表将自动刷新为 -4.188，如图 4-28 所示。

（3）插入列表，显示电感值和感抗范围。其中，L_val 的范围为 $ 0 \sim 200 \, nH $，步长为 $ 10 \, nH $，如图 4-29 所示。

图4-29中，两个冒号句法表示范围，方括号用于生成扫描。随着电感值增加，1.9GHz处的感抗值也增加。因此，120nH对于DC馈电已足够大(RF扼流圈)。可将方程和表格复制至另一数据显示窗口或者使用命令File→Save As Template以模板格式保存数据显示文件，这样可被其他窗口引用。

（4）保存当前的数据显示文件和原理图。

5. 代入 L 和 C 的计算值并仿真

（1）另存原理图，命名为 s_match。

（2）把两个隔直电容的文件名 DC_Block 改为 C，它们将自动变为集总参数电容，并把两电容值均设为 C=10pF，如图 4-30 所示。

（3）以相同方式改变理想电感(DC_Feed)，并把值都设为 $ L=120\, \text{nH} $，如图4-31所示。

（4）连接好原理图，如图4-32所示，检查各元器件值并仿真。

（5）在数据显示窗口中，对传输参数（S12 和 S21）和反射参数（S11 和 S22）仿真数据绘图并作标记，如图 4-33 所示。

（6）重新绘制 S11、S22 的 Smith 圆图，并进行阻抗替换，如图 4-34 所示。

4.1.6 匹配电路设计

从图 4-33 可以看出，该电路阻抗没有匹配，一般在 ADS 中利用 Smith 圆图工具完成匹配工作。

1. 启动 Smith 圆图工具

在原理图窗口单击 DesignGuide→Filter→Smith Chart，如图 4-35 所示，弹出 Smith 圆图工具窗口，如图 4-36 所示。

2. 输入端阻抗匹配

（1）在 Smith 圆图工具界面，单击 Palette ☑ 按钮，原理图的元器件控制面板变成 Smith Chart Matching 类，单击 Smithchart ☑ 控件，将其放到需要匹配的原理图中，如图 4-37 所示。

（2）在 Smith 圆图工具界面，设置仿真频率和归一化阻抗，如图 4-38 所示。频率设置为 1.9GHz，归一化阻抗设置为 50Ω。

（3）在 Smith 圆图工具界面，找到 Network Schematic 区域单击 ZL 负载，弹出 SmartComponent Sync 对话框，如图 4-39 所示，选择 Update SmartComponent from Smith Chart Utility，单击 OK 按钮。

（4）将阻抗值设置为实际的阻抗值。在1.9GHz时实际的负载阻抗值为551.9-j*218.5，如图4-40所示。

（5）在 Smith 圆图上对应出现该阻抗的位置点，如图 4-41 所示。

（6）沿着等电导圆向下移动该位置点，相当于并联一个电容，单击左侧控件 $ \frac{1}{4} $，如图4-42所示，连接到等电阻圆上。

（7）再沿着等电阻圆移动，相当于串联一个电感，单击左侧控件 $ \uwave{\text{mm}} $，沿等电阻圆移动到中心点的位置，即达到匹配点，如图 4-43 所示。

（8）得到匹配网络 S11 参数曲线，如图 4-44 所示。

（9）将频率范围改成 $ 0 \sim 3.8\text{GHz} $，单击Reset按钮，这时S11参数曲线变为如图4-45所示形状，匹配网络结构如图4-46所示。

（10）单击电容或电感，下面对话框会显示出它的值，如电感值为14.419nH，电容为396.29fF。

（11）匹配完成后，单击 $ \underline{\text{Build ADS Circuit}} $ 按钮，插入的 Smith 圆图控件完成更新，如图 4-47 所示。

（12）选中该控件，单击 View→Push Into Hierarchy 进入子电路，图 4-48 所示是步骤（9）所建的匹配电路。

（13）将该控件直接接入电路输入端，如图4-49所示，也可以进入它的子电路把它的电路结构和参数值复制后，接到电路输入端，如图4-50所示。

（14）单击仿真按钮，进行仿真。

（15）仿真结束后，添加 S11、S21、S22 数据显示，如图 4-51 所示。从图中可以看出，S11 在 1.9GHz 工作频率时为 -48.155dB，输入端已经达到匹配，S22 在 1.9GHz 工作频率时为 -0.43dB，仍然很差，输出端没有匹配。

3. 输出端阻抗匹配

（1）单击数据显示窗口左侧工具栏 ☑ 图标引入 S11 和 S22 的 Smith 圆图，并在 1900MHz 处插入标记，如图 4-52 所示。

（2）查看图4-52所示的Smith圆图，S22实际的阻抗值大小为1359-j948.736，利用输入匹配的方法完成输出匹配，得到的结果如图4-53所示。

（3）输出端匹配子电路如图4-54所示，P2端为负载端，将其连接到电路原理图时，要注意连接方式，如图4-55所示。

（4）全部匹配电路设计完成，如图4-56所示。

（5）单击仿真 $ ^{®} $按钮，进行仿真。仿真结束后，添加 S11、S21、S22 数据显示，如图 4-57 所示。从图中可以看出，S22 变好了，S21 放大倍数也提高了。

建立输入、输出电路匹配用的是 Smith 圆图工具，当然设计该放大器是演示如何进行电路匹配设计，只考虑了共轭匹配，一般放大器第一级考虑的是低噪声匹配，这也是匹配电路设计的内容。

4.1.7 参数优化

匹配电路建立好之后，仿真结果如图4-57所示，尽管S22达到了指标要求，但S11=-8.277dB，没有达到要求的目标，这时需要用ADS的参数优化功能，进一步完善电路设计。

（1）另存图 4-56，命名为 s_opt。选择 Optim/Stat/Yield/DOE 类元器件面板，插入 Optimization Controller（优化控制器）和 Goal（优化目标）控件 Goal，如图 4-58 所示。

（2）双击 $ \underline{\text{Goal}} $控件，出现如图4-59所示的对话框。在对话框中输入设置，全部完成后单击OK按钮，S11优化目标控件如图4-60所示。

（3）选中 Goal 控件，单击工具栏中的 Copy Using Reference 图标，复制另外两个 Goal 控件。分别改变 Goal 表达式为 db(S(2,2))及 db(S(2,1))，如图 4-61 所示。

（4）可以保留 Optim 控件参数大多数默认值，如图 4-62 所示。修改 MaxIters=125，FinalAnalysis=“SP1”。

（5）双击电感 L3，出现如图 4-63 所示的对话框，单击 Tune/Opt/Stat/DOE Setup... 按钮，弹出如图 4-64 所示的窗口，在 Optimization 选项卡中，将 Optimization Status 设置为 Enabled，输入电感优化范围从 1nH 到 40nH。设置后电感优化变量如图 4-65 所示。单击 OK 按钮，元器件文本框显示 opt 函数和范围，如图 4-66 所示。

（6）用同样方法对电容 C3、C4 及电感 L4 进行优化参数设置，其中，电容 C3 优化范围为 $ 10\sim1000fF $，电感 L4 优化范围为 $ 1\sim40nH $，电容 C4 优化范围为 $ 10\sim1000fF $，如图 4-67 所示。

（7）优化设置后，完整电路如图4-68所示。

（8）单击仿真优化 $ \underline{\text{A}} $按钮进行优化仿真。在优化仿真过程中，弹出优化仿真窗口，如图4-69所示，显示出当前的优化状态，同时弹出优化仿真状态窗口，如图4-70所示。

每次优化迭代运算都会改变 CurrentEF（误差函数）的值，当 CurrentEF=0 或接近 0 时，则满足优化目标。同时，列出各优化变量的最优值，若优化仿真结束后， $ EF \neq 0 $，则可以采取检查原理图结构与参数，增加迭代次数或降低目标等措施重新仿真。

电路设计、仿真与PCB设计

（9）在数据显示窗口插入矩形图，并显示 S11、S21、S22 仿真曲线，单位为 dB，如图 4-71 所示。在数据显示窗口中，插入 Smith 圆图并绘制 S11 和 S22 仿真曲线，同时， $ Z_{0}=500 $ 进行阻抗替换，如图 4-72 所示。

端口1的输入阻抗为24.560+j14.916Ω，与50Ω有差距，说明端口1没有完全匹配。

（10）单击优化窗口的 Update Design... 按钮，弹出 Update Design 窗口，如图 4-73 所示。将电路中 C3、L3 及 C4、L4 优化变量的值更新为优化值，如图 4-74 所示。

（11）双击电感 L3，弹出对话框，单击 Tune/Opt/Stat/DOE Setup... 按钮，弹出窗口如图 4-75 所示，在 Optimization 选项卡中将电感的 Optimization Status 参数设置为 Disabled，单击 OK 按钮。

完成禁止优化器件后，元器件优化函数从 opt 变为 noopt，这意味着该元器件将不参与优化。也可以试用在原理图中，单击 L3 插入光标，将 opt 函数改成 noopt 使 L3 不参加优化。

（12）保存 s_opt 原理图。

用同样的方法使电容 C3、C4 及电感 L3 禁止优化，同时把优化后的参数与实际标称值器件代换，进行仿真。

电路设计、仿真与PCB设计

下面为总体参数仿真过程。另存图 4-74 命名为 s_final。删除优化控制器 Options 和目标 Goal 控件。修正 4 个 L 和 C 匹配元器件值，为电感添加电阻。这些匹配处理在余下的案例中将用到。继续通过直接在屏幕上输入的方法来改变元器件值：

$$ L_{3}=18.3\mathrm{n H},R=12\Omega;\quad L_{4}=27.1\mathrm{n H},R=6\Omega;\quad C_{3}=0.35\mathrm{p F};\quad C_{4}=0.22\mathrm{p F}。 $$

对新的最终元器件值仿真。数据显示窗口打开后，插入 S11、S12、S22 数据，并在 Smith 圆图上对 S11 和 S22 绘图，检查匹配后阻抗在 1900MHz 处是否接近 50Ω，如图 4-76 和图 4-77 所示。

保存最终设计和数据显示文件。

4.2 谐波平衡法仿真

谐波平衡法仿真是研究非线性电路的非线性特性和系统失真的频域仿真分析法，一般适合模拟射频微波电路仿真。本章首先介绍谐波平衡法仿真基本原理及相关控件使用情况，然后利用实例详细介绍谐波平衡仿真法的一般相关操作及注意事项。

4.2.1 谐波平衡法仿真基本原理及功能

在射频电路设计中，通常需要得到射频电路的稳态响应。如果采用传统的 Spice 模拟器对射频电路进行仿真，通常需要经过很长的瞬态模拟时间电路的响应才会稳定。对于射频电路，可以采用特殊的仿真技术在较短的时间内获得稳态响应，谐波平衡法就是其中之一。

在频域中描述如三极管、二极管等非线性器件是非常困难的，然而，在时域中这些非线性元器件很容易得到其非线性模型。因此，在谐波平衡仿真器中，非线性系统用时域描述，用频率描述线性系统，谐波平衡分析法将时域和频域通过 FFT 结合起来，它将电路状态变量近似写成傅里叶级数展开的形式，通常展开项必须取得足够大，以保证高次谐波对于模拟结果的影响可以忽略不计。谐波平衡法在目前的商用 RF 软件中得到了很好的应用，如 ADS、AWR、HSpice、Nexxim 等都支持 HB 分析。

谐波平衡仿真是非线性系统最常用的分析方法，用于仿真非线性电路中的噪声、增益压缩、谐波失真、振荡器寄生、相噪和互调产物，它要比 Spice 仿真器快得多，可以用来对混频器、振荡器、放大器等进行仿真分析。对放大器而言，采用谐波平衡法分析的目的就是进行大信号的非线性模拟。通过它可以模拟电路的 1dB 输出功率、效率以及 IP3 等与非线性有关的量。谐波平衡法仿真有如下功能：

（1）确定电流或电压的频谱成分。

（2）计算参数，如三阶截取点、总谐波失真及交调失真分量。

（3）执行电源放大器负载激励回路分析。

（4）执行非线性噪声分析。

4.2.2 谐波平衡法仿真面板与仿真控制器

ADS 中有专门针对谐波平衡法仿真的元器件面板，在 Simulation-HB 类元器件面板中包括了所有谐波平衡参数仿真需要的控件，如图 4-78 所示。

主要控件名称如下：HB（谐波平衡法仿真控制器）、Sweep Plan（参数扫描计划控制器）、Options（谐波平衡法仿真设置控制器）、Prm Swp（参数扫描控制器）、Term（终端负载）、BudLin（线性化预算分析控件）、NoiseCon（谐波噪声控制控件）、OscPort（接地振荡器端口元器件）、OscPort2（差分振荡器端口元器件）、NdSet（节点设置控件）、NdSet Name（节点名控件）、Disp Temp（显示模板控件）、Meas Eqn（仿真测量等式控件）、It（时域电流波形控件）、Vt（时域

电压波形控件）、Pt（功率显示控件）、Ifc（频域电流显示控件）、Vfc（频域电压显示控件）、Pspec（功率谱密度显示控件）、IP3in（输入三阶交调点分析控件）、IP3out（输出三阶交调点分析控件）、IPn（N阶截止点分析控件）、SNR（信噪比分析控件）、Bdfreq（频率预算控件）、BdGain（增益预算控件）、BdGmma（反射系数预算控件）、BudPwrl（入射功率预算控件）、BdPwrR（反射功率预算控件）和BudSNR（信噪比预算控件）。

1. 谐波平衡法仿真控制器

谐波平衡法仿真控制器(HB)如图4-79所示，它是控制谐波平衡法仿真的最主要控件，可以设置谐波平衡法仿真的基准频率(foundamental frequency)、最高次谐波的次数、扫描参数、仿真执行参数和噪声分析等相关参数。

双击 HARMONIC BALANCE 图标，弹出谐波平衡法仿真控制器参数设置窗口，主要包括 Freq、Sweep、Initial Guess、Oscillator、Noise、Small-Sig、Params、Solver、Output、Display 等 10 个选项卡。

谐波平衡法仿真需要设置仿真执行时的基准频率和高次谐波等相关参数，用户可以通过 Freq 选项卡对这些参数进行设置，如图 4-80 所示。相关参数描述及说明如表 4-1 所示。

如果在进行谐波平衡法仿真时需要对某个参数进行扫描，用户可以通过 Sweep 选项卡进行相关设置，如图 4-81 所示。各参数的含义如表 4-2 所示。

用户可以通过设置 Oscillator 选项卡的相关参数进行振荡器分析，如图 4-82 所示。在压控振荡器设计中重点介绍该选项卡的使用。

用户可以利用 Noise 选项卡对噪声分析的相关参数进行设置，如图 4-83 所示。

如果需要在谐波平衡法仿真中加入小信号分析，则可以通过 Small-Sig 选项卡进行相关设置，如图 4-84 所示。具体的参数含义与 Sweep 选项卡相同。

2. 谐波平衡法仿真设置控制器

谐波平衡法仿真设置控制器(Options)如图4-85所示。它主要用来设置诸如环境温度、设备温度、仿真的收敛性、仿真的状态提示和输出文件特性等与仿真相关的参数。

3. 参数扫描计划控制器

参数扫描计划控制器(Sweep Plan)如图4-86所示。它主要用来控制仿真中的参数扫描计划。用户可以使用该控制器添加一个或多个扫描变量，并制订相应的扫描计划。

4. 参数扫描控制器

参数扫描控制器(Prm Swp)如图 4-87 所示。它用来设置仿真中的扫描参数，该参数扫描可以在多个仿真实例中使用。

5. 终端负载

终端负载(Term)如图4-88所示，用来设置端口标号以及各端口终端负载阻抗。

6. 线性化预算分析控件

线性化预算分析控件(BudLin)如图4-89所示，用来对电路进行线性化预算分析。

7. 谐波噪声控制控件

谐波噪声控制控件（NoiseCon）如图 4-90 所示，用来设置电路谐波平衡法仿真过程中噪声的频率、噪声节点和相位噪声等相关参数。

8. 接地振荡器端口元器件

接地振荡器端口元器件（OscPort）如图4-91所示，专门用来分析单端口振荡器。

9. 差分振荡器端口元器件

差分振荡器端口元器件(OscPort2)如图4-92所示，用来分析振荡器元器件差分结构的振荡器。

10. 其他控件

节点设置控件(NdSet)与节点名控件(NdSet Name)分别如图4-93和图4-94所示，用来设置仿真电路中的相关节点以及节点名称。

显示模板控件(Disp Temp)和仿真测量等式控件(Meas Eqn)分别如图4-95和图4-96所示，它们与前面介绍的控件工程相同，这里不详细介绍。

时域电流波形控件(It)如图4-97所示，用户可以使用该控件计算电路时域电流，并可以在数据显示窗口中直接观察电流的波形。

时域电压波形控件(Vt)如图4-98所示，用户可以使用该控件计算电路时域电压，并可以在数据显示窗口中直接观察电压的波形。

功率显示控件(Pt)如图4-99所示，用来计算仿真电路中的端口功率。

频域电流显示控件(Ifc)如图4-100所示，用来计算仿真电路中的频域电流，并可以在数据窗口中直观地观察电流的频率成分。

频域电压显示控件(Vfc)如图4-101所示，用来计算仿真电路中的频域电压，并可以在数据窗口中直观地观察电压的频率成分。

功率谱密度显示控件(Pspec)如图4-102所示，用来计算仿真电路中的功率谱密度，并可以在数据窗口中直观地观察信号的功率谱密度。

输入三阶交调点分析控件(IP3in)如图4-103所示，用来分析电路的输入三阶交调分量。

输出三阶交调点分析控件(IP3out)如图4-104所示，用来分析电路的输出三阶交调点。

N 阶截止点分析控件(IPn)如图 4-105 所示，用来分析电路的 N 阶截止点，其中 W 可以在参数设置中设置。

信噪比分析控件(SNR)如图4-106所示，用来分析电路中信号的信噪比。

4.2.3 谐波平衡法仿真的一般步骤

（1）选择器件模型并建立电路原理图。

（2）确定需要进行谐波平衡法仿真的输入、输出端口，并进行标识。

（3）在 Simulation-HB 元器件面板列表中选择谐波平衡法仿真控制器 HB，并放置在原理图设计窗口中。

（4）双击谐波平衡法仿真控制器，对仿真参数进行设置，设置内容包括基准频率、谐波次数和参数扫描相关参数等。

（5）如果扫描变量较多，则需要在 Simulation-HB 元器件面板列表中选择 Prm Swp 控件，双击控件，在其中设置多个扫描变量，以及每个扫描变量的扫描类型和扫描参数范围等。

（6）设置完成后，执行仿真。

（7）在数据显示窗口查看仿真结果。

4.2.4 单音信号 HB 仿真

（1）运行 ADS2017，进入软件主窗口。

（2）在 ADS2017 主窗口单击工具栏中的 ☑ 按钮，查看系统自带的工程，打开 Tutorial/SimModels_wrk.7zads 工程。

（3）在工程 Folder View 选项卡目录中选择设计 HB1，单击该文件夹，打开 schematic，如图 4-107 所示。

（4）单击仿真 $ ^{2} $按钮进行仿真。仿真结束后在数据显示窗口显示仿真结果，如图4-108所示。

4.2.5 参数扫描

（1）运行 ADS2017，进入软件主窗口。

（2）在 ADS2017 主窗口单击工具栏中的 ☑ 按钮，查看系统自带的工程，打开 Tutorial/SimModels_wrk.7zads 工程。

（3）在工程 Folder View 选项卡目录中选择设计 HB2，单击该文件夹，打开 schematic，如图 4-109 所示。

（4）频域功率源 P_1Tone 的参数设置如下：

① Num=1.

② P=dbmtow(-10)，式中，dbmtow()用于将功率单位转化为 dBm。

③ Freq=freq_swp，表示功率源的频率参数为一个变量，将在后面进行定义。

（5）谐波平衡仿真控制器 HB1 参数设置如下：

① Frequency = freq_swp MHz.

② Order=8.

③ Parameter to sweep = freq_swp.

④ Sweep Type=Linear.

⑤ Start=500.

⑥ Stop=1500.

⑦ Step=25.

（6）VAR 控件参数设置如下：

① 在 Variable or Equation Entry Mode 下拉菜单中选择 Name=Value 项。

② 在 Select Parameter 中添加一个变量，名称为 freq_swp，并设置它的默认值为 freq_swp=10。

（7）单击仿真 $ \underline{ ✗ } $按钮，进行仿真。仿真结束后在数据显示窗口显示仿真结果，如图4-110所示。

（8）除了输出信号的功率谱外，还可以观察到在每个频率输出信号的功率曲线和随着基准频率的变化输出信号的各高次谐波频率的数据列表，分别如图4-111和图4-112所示。

4.3 功率分配器的设计与仿真

在射频/微波电路中，为了将功率按一定比例分成两路或多路，需要使用功率分配器（简称功分器）。反过来使用的功率分配器是功率合成器。在近代射频/微波大功率固态发射源的功率放大器中广泛地使用功分器，而且通常功分器是成对使用的，先将功率分成若干份，然后分别放大，再合成输出。

在 20 世纪 40 年代，MIT 辐射实验室(Radiation Laboratory)发明和制造了种类繁多的波导型功分器。它们包括 E 和 H 平面波导 T 型结、波导魔 T 和使用同轴探针的各种类型的功分器。在 20 世纪 50 年代中期到 60 年代，又发明了多种采用带状线或微波技术的功分器。平面型传输线应用的增加，也导致了新型功分器的开发，如 Wilkinson 分配器、分支线混合网络等。

本节分析功分器的设计方法，并利用 ADS2017 设计中心频率为 $ 1\text{GHz} $ 的集总参数等分型功分器，进而给出中心频率为 $ 1\text{GHz} $ 分布参数（Wilkinson）功分器的电路和版图设计实例。

4.3.1 功分器的基本原理

一分为二功分器是三端口网络结构，如图4-113所示。信号输入端的功率为 $ P_{1} $，而其他两个端口的功率分别为 $ P_{2} $和 $ P_{3} $。

由能量守恒定律可知

$$ P_{1}=P_{2}+P_{3} $$

如果 $ P_{2}(\mathrm{dBm})=P_{3}(\mathrm{dBm}) $，三端口功率间的关系可写成

$$ P_{2}(dBm)=P_{3}(dBm)=P_{1}(dBm)-3dB $$

当然， $ P_{2} $ 并不一定要等于 $ P_{3} $，只是相等的情况在实际电路中最常用。因此，功分器

可分为等分型 $ (P_{2}=P_{3}) $和比例型 $ (P_{2}=kP_{3}) $两种类型。

功分器的主要技术指标包括频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、输入与输出间的插入损耗、支路端口间的隔离带、每个端口的电压驻波比等。

1. 频率范围

频率范围是各种射频/微波电路的工作前提，功分器的设计结构与工作频率密切相关。必须首先明确功分器的工作频率，才能进行下面的设计。

2. 承受功率

承受功率是在功分器/合成器中电路元器件所能承受的最大功率，是核心指标，它决定了采用什么形式的传输线才能实现设计任务。一般来说，传输线承受功率由小到大的次序是微带线、带状线、同轴线、空气带状线、空气同轴线，要根据设计任务来选择用何种传输线。

3. 分配损耗

主路到支路的分配损耗实质上与功分器的主路分配比有关。其定义为

$$ A_{\mathrm{d}}=10\lg\frac{P_{\mathrm{in}}}{P_{\mathrm{out}}} $$

式中， $ P_{in}=kP_{out} $。例如，两等分功分器的分配损耗是 3dB，四等分功分器的分配损耗是 6dB。

4. 插入损耗

输入与输出间的插入损耗是由于传输线（如微带线）的介质或导体不理想等因素产生的。考虑输入端的驻波比所带来的损耗，插入损耗定义为

$$ A=A_{i}-A_{d} $$

A 是在其他支路端口接匹配负载，主路到某一支路间的传输损耗，其为实测值。A 在理想状态下为 $ A_{d} $ 。在功分器的实际工作中，几乎都是用 A 作为研究对象的。

5. 隔离带

支路端口间的隔离带是功分器的另一个重要指标。如果从每个支路端口输入功率只能从主路端口输出，而不应该从其他支路输出，这就要求支路之间有足够的隔离度。在主路和其他支路都接匹配负载的情况下，i 口和 j 口的隔离度定义为

$$ A_{d i j}=10\lg\frac{P_{ini}}{P_{out j}} $$

隔离度的测量也可按照这个定义进行。

6. 驻波比

每个端口的电压驻波比越小越好。

4.3.2 等分型功分器

根据电路使用元器件的不同，功分器可分为电阻式和 L-C 式两种类型。

1. 电阻式

电阻式电路仅利用电阻设计，按结构分成△形和Y形，如图4-114所示。

图 4-114 中， $ Z_{0} $ 是电路特性阻抗，在高频电路中，不同频段的特性阻抗不同。这种电路的优点是频宽大，布线面积小，设计简单；缺点是功率衰减较大（6dB）。如图 4-114（b）所示，设 $ Z_{0}=50\Omega $，则

$$ U_{0}=\frac{1}{2}\times\frac{4}{3}U_{1}=\frac{2}{3}U_{1} $$

$$ U_{2}=U_{3}=\frac{3}{4}U_{0} $$

$$ U_{2}=\frac{1}{2}U_{1} $$

$$ 20\log\frac{U_{2}}{U_{1}}=-6\mathrm{dB} $$

2. L-C 式

这种电路利用电感及电容进行设计，按结构分成低通型和高通型两种类型，如图4-115所示。下面分别给出其参数的计算公式。

$$ L_{\mathrm{S}}=\frac{Z_{0}}{\sqrt{2}\omega_{0}};\quad C_{\mathrm{p}}=\frac{1}{\omega_{0}Z_{0}};\quad\omega_{0}=2\pi f_{0} $$

$$ L_{\mathrm{p}}=\frac{Z_{0}}{\omega_{0}};\quad C_{\mathrm{s}}=\frac{\sqrt{2}}{\omega_{0}Z_{0}};\quad\omega_{0}=2\pi f_{0} $$

集总参数功分器的设计过程是先确定电路结构，再计算出各个电感、电容或电阻的值，最后，按照确定的电路结构进行设计。

4.3.3 等分型功分器设计实例

设计工作频率 $ f_0 = 1\text{GHz} $ 的功分器，特性阻抗为 $ Z_0 = 50\Omega $，功率比例为 $ k = 0.5 $，且要求在 $ 1 \pm 0.02\text{GHz} $ 的范围内 $ S_{11} \leq -14\text{dB} $， $ S_{21} \geq -4\text{dB} $， $ S_{31} \geq -4\text{dB} $。

1. 电路结构选择及参数计算

选择高通型 L-C 式电路结构，如图 4-115（b）所示。按照式（4-2）计算得 $ L_{p}=7.96nH,C_{s}=4.5pF $

2. ADS 设计与仿真

（1）创建新项目。新建项目空间，命名为 chapter4_wrk，其他选项默认。新建原理图，单击 ☑ 图标，弹出对话框，命名为 Aliquot。

（2）功分器电路设计。在 Lumped-Components 类中，分别选择控件 $ \overrightarrow{R} $、 $ \overrightarrow{L} $、 $ \overrightarrow{C} $，在 Simulation-SJParam 类中，分别选择控件 $ \overrightarrow{SP} $、 $ \overrightarrow{Term} $ 放置到原理图中的合适位置。在工具栏中单击 $ \underline{\text{一}} $按钮，放置各端口接地，双击 S-PARAMETERS，修改属性，要求扫描频率为 0.9～1.1GHz，扫描步长为 0.01GHz。功分器仿真电路原理图如图 4-116 所示。

（3）功分器电路仿真。单击工具栏中的 ☑ 按钮进行仿真，仿真结束后会出现数据显示窗口。单击显示窗口左侧工具栏中的 ☑ 按钮，弹出设置窗口，在窗口左侧的列表里选择 S(1,1) 即 S11 参数，单击 Add 按钮，弹出设置单位（这里选择 dB）窗口，单击两次 OK

按钮后，窗口中显示出 S11 参数随频率变化的曲线。用同样的方法依次加入 S31、S21，得到波形如图 4-117 所示。

4.3.4 比例型功分器设计

比例型功分器的两个输出端口功率不相等。假定一个支路端口与主路端口的功率比为 k，可按照下面公式计算低通型 L-C 式集总参数比例功分器。

$$ P_{3}=k P_{1};\quad P_{2}=(1-k)P_{1};\quad\left\{\frac{Z_{\mathrm{s}}}{Z_{0}}\right\}^{2}=(1-k);\quad\left\{\frac{Z_{\mathrm{s}}}{Z_{\mathrm{p}}}\right\}^{2}=k; $$

$$ Z_{\mathrm{s}}=Z_{0}\sqrt{1-k};\quad L_{\mathrm{s}}=\frac{Z_{\mathrm{s}}}{\omega_{0}};\quad Z_{\mathrm{p}}=Z_{0}\sqrt{\frac{1-k}{k}};\quad C_{\mathrm{p}}=\frac{1}{\omega_{0}Z_{\mathrm{p}}} $$

其他形式的比例型功分器参数可用类似的方法进行计算。

设计工作频率 $ f_{0}=1\text{GHz} $ 的功分器，特性阻抗为 $ Z_{0}=50\Omega $，功率比例为 k=0.5，且要求在 $ 1\pm0.02\text{GHz} $ 的范围内 S11 $ \leq $-14dB，S21 $ \geq $-4dB，S31 $ \geq $-4dB。

设计工作频率 $ f_0 = 750\text{MHz} $ 的功分器，特性阻抗为 $ Z_0 = 50\Omega $，功率比例为 $ k = 0.1 $，且要求在 $ 750 \pm 50\text{MHz} $ 的范围内 $ S_{11} \leq -10\text{dB} $， $ S_{21} \geq -2\text{dB} $， $ S_{31} \geq -12\text{dB} $。

1. 电路结构选择及参数计算

选择低通型 L-C 式电路结构如图 4-115(a) 所示，代入参数计算得 $ L_{s}=10\mathrm{nH}, C_{p}=1.4\mathrm{pF} $。

2. ADS 设计与仿真

（1）创建新项目。在 chapter4_wrk 项目空间下新建原理图，单击 ☑ 图标，弹出对话框，命名为 PowerDivider。

（2）功分器电路设计。在 Lumped-Components 类中，分别选择控件 $ \overrightarrow{R} $、 $ \overrightarrow{L} $、 $ \overrightarrow{G} $。在 Simulation-S_Param 类中，分别选择控件 $ \overrightarrow{SP} $、 $ \overrightarrow{Term} $，放置到原理图中的合适位置。单击 $ \pm $ 图标，放置两个地，双击 S-PARAMETERS 修改属性，要求扫描频率为 $ 0.6 \sim 0.8\text{GHz} $，扫描步长设为 $ 0.01\text{GHz} $。功分器仿真电路原理图如图 4-118 所示。

电路设计、仿真与PCB设计

（3）功分器电路仿真。单击工具栏中的 ☑ 按钮进行仿真，仿真结束后会出现数据显示窗口。单击数据显示窗口左侧工具栏中的 ☑ 按钮，弹出设置窗口，在窗口左侧的列表里选择 S(1,1) 即 S11 参数，单击 Add 按钮弹出单位（这里选择 dB）设置窗口，单击两次 OK 按钮后，窗口中显示出 S11 参数随频率变化的曲线。用同样的方法依次加入 S22、S21、S12 参数的曲线，由于功分器的对称结构，S11 与 S22 以及 S21 与 S12 曲线是相同的。仿真曲线如图 4-119 所示。

4.3.5 Wilkinson 功分器

分布参数功分器最简单的类型是 T 形结，它是具有一个输入和两个输出的三端口网络，可用于功率分配或功率合成。实际上，T 形结分布参数功分器可用任意类型的传输线制作。图 4-120 给出了一些常用的波导型和微带型 T 形结。由于存在传输线损耗，这种结的缺点是不能同时在全部端口匹配，同时，在输出端口之间没有任何隔离。

根据微波工程的理论可知，有耗三端口网络可制成全部端口匹配，并在输出端口之间有隔离。Wilkinson 功分器就是这样一种网络。

Wilkinson 功分器可制成任意比例功分器，但一般考虑等分情况。这种功分器常制

作成微带线或带状线形式，如图4-121(a)所示。图4-121(b)给出了相应的等效传输线电路。可以利用两个较简单的电路（在输出端口用对称和反对称源驱动）对电路进行分析。

4.3.6 Wilkinson 功分器设计

利用 $ \varepsilon_{r}=4.3 $，厚度 $ h=0.8mm $ 的介质基板，设计 Wilkinson 功分器。通带为 $ 0.9\sim1.1GHz $，功分比为 1：1，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。

根据设计要求，中心频率为 $ 1.0 \, GHz $，输入阻抗为 $ 50\Omega $，并联电阻为 $ 50\Omega $。

（1）创建新项目。在 chapter4_wrk 项目空间下新建原理图，单击 ☐ 图标，弹出对话框，命名为 wilkinson0。

（2）在 Tlines-Microstrip 类中，选择 MSUB，双击并修改属性。选择微带控件 MLIN、Mcorn 及 TFR 分别放置在原理图区中。选择画线工具 $ \searrow $ 按照图 4-122 所示将电路连接好，并双击每个元器件设置参数。

（3）滤波器两边的引出线是特性阻抗为 $ 50\Omega $ 的微带线，它的宽度 W 由微带线计算工具得到。单击菜单栏中的 Tools $ \rightarrow $ LineCalc $ \rightarrow $ Start LineCalc，出现新窗口，如图 4-123 所示。在窗口的 Substrate Parameters 栏中填入与 MSUB 中相同的微带线参数。在 Component Parameters 栏中填入中心频率 $ 1\text{GHz} $。Physical 栏中的 W 和 L 分别表示微带线的宽和长。Electrical 栏中的 $ Z_0 $ 和 E_Eff 分别表示微带线的特性阻抗和相位延迟。单击 Synthesize 和 Analyze 栏中的 ▲、▼ 箭头，完成上面参数间的换算。计算过程中，出现另一个窗口显示当前运算状态及错误信息。

填入 $ Z_{0}=50\Omega $ 可以算出微带线的线宽为 1.52mm。填入 $ Z_{0}=70.7\Omega $ 和 $ E_{Eff}=90deg $ 可以算出微带线的线宽为 0.79mm，长度为 42.9mm。

（4）单击工具栏 $ \underline{\text{0110}} $图标，在原理图中放置VAR控件，双击该图标弹出设置窗口，依次添加微带线的W、L、S参数，如图4-124所示。在Instance name栏中填变量名称，在Variable Value栏中填变量的初值，单击Add按钮添加变量。单击Tune/Opt/Stat/DOE Setup...

电路设计、仿真与PCB设计

按钮，弹出菜单，选择 Tuning 选项卡，设置变量的取值范围。Enabled/Disabled 表示该变量是否能被优化。

中间微带线长度 $ L_{1} $ 及宽度 $ W_{1} $ 为优化变量。设 $ L_{1} $ 初始值为 15mm，由于 $ W_{1} $ 为微带线的宽度，最窄只能取 0.2mm，最好取 0.5mm 以上。50Ω 微带线宽 $ W_{2} $ 为 1.52mm。

4.3.7 电路仿真与优化

（1）在原理图设计窗口中选择 Simulation-S_Param 元器件类，在面板中选择 Term 放置在功分器三个端口上，定义端口 1、2 和 3。单击接地图标，放置三个地，并按照图 4-125 所示连接电路。选择 控件放置在原理图中，并设置扫描的频率范围和步长，频率范围根据功分器的指标确定。

（2）在原理图设计窗口中选择 Optim/Stat/Yield/DOE 类，在面板中选择 S 控件放置在原理图中，双击该控件设置优化方法及优化次数，如图 4-126 所示。

常用的优化方法有 Random（随机）、Gradient（梯度）等。随机法通常用于大范围搜索，梯度法则用于局部收敛。本例选择随机法优化，优化次数为25次。

（3）选择控件，设置四个优化目标。由于电路的对称性，S31 和 S33 不用设置优化。S11 和 S22 分别设定输入、输出端口的反射系数，S21 设定功分器通带内的衰减情况，S23 设定两个输出端口的隔离度。加入优化目标后的原理图如图 4-127 所示。

（4）设置完优化目标后，保存电路图，然后进行参数优化仿真。单击工具栏 $ \uparrow $按钮，开始优化，弹出优化窗口，如图4-128所示。

（5）单击 Simulate 按钮进行仿真，仿真结束后会出现数据显示窗口。

（6）单击数据显示窗口左侧工具栏中的 $ \boxed{\text{按钮}} $，弹出设置窗口，在窗口左侧的列表里选择 S(1,1) 即 S11 参数，单击 Add 按钮弹出单位（这里选择 dB）设置窗口，单击两次 OK 按钮后，数据显示窗口中显示出 S11 参数随频率变化的曲线。用同样的方法依次加入 S31、S21、S23 参数曲线，如图 4-129 所示。

观察 S 参数曲线是否满足指标要求，如果已经达到指标要求，可以进行版图的仿真。版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行计算，其结果比在原理图中仿真要准确，但是它的计算比较复杂，需要较长的时间。

（7）单击图 4-128 中的 $ \underline{\text{Update Design...}} $ 按钮，弹出更新设计对话框，如图 4-130 所示，单击 OK 按钮，更新设计。

4.3.8 版图仿真

（1）由原理图生成版图，先要把原理图中用于 S 参数仿真的两个 Term 及“接地”去掉，不让它们出现在生成的原理图中。去掉的方法与前面关掉优化控件的相同，使用 ☒ 按钮，把这些元器件打上红叉，如图 4-131 所示。

（2）单击菜单栏中的 Layout→Generate/Update Layout，弹出设置窗口，如图 4-132 所示。直接单击 OK 按钮，出现另一个窗口，如图 4-133 所示。再单击 OK 按钮，完成版图生成，如图 4-134 所示。

（3）版图生成后，设置微带电路基板的基本参数。单击版图窗口菜单栏中的 EM→ Substrate，从原理图中获得参数及修改这些参数，如图 4-135 所示。

（4）为了进行 S 参数仿真，在功分器两侧添加两个端口。单击工具栏上的 Port ☑按钮，弹出 Port 设置窗口，单击 OK 按钮，关闭该窗口，在功分器三个端点加上 port。

（5）单击 EM→Simulation Settings 弹出仿真设置窗口，如图 4-136 所示。单击 Show 3D EM View 按钮，可以查看功分器的 3D 版图，如图 4-137 所示。

（6）在仿真设置窗口左侧的 Frequency plan 中，类型选择 Adaptive，起止频率设置与原理图相同，采样点数限制取 10（因为仿真很慢，所以点数不要取得太多）。然后单击 Update 按钮，将设置填入左侧列表中，单击 Simulate 按钮开始仿真，如图 4-138 所示。仿真过程中会出现状态窗口显示仿真进程，如图 4-139 所示。

电路设计、仿真与PCB设计

（7）仿真运算要进行数分钟，仿真结束后将出现数据显示窗口，观察发现可能有不同程度的恶化。版图仿真曲线如图4-140所示。

4.4 印刷偶极子天线的设计与仿真

偶极子天线是一种最基本的单天线形式，既可以独立使用，也可以作为大型天线阵辐射单元。采用微带平衡巴伦馈电的印刷偶极子天线具有体积小、质量轻、制造成本低、

易于大规模集成等特点，克服了常规微带天线频带较窄等特点，在驻波比小于2的约束下，带宽可大于40%。传统的印刷偶极子天线采用微带线馈电、单面辐射振子的形式，具有较宽的带宽，但其微带馈电网络损耗较大，且受外界电磁环境影响较大。

本节利用 ADS Layout 设计环境对 1.8GHz 印刷偶极子天线进行设计与仿真，特别是 2D 和 3D 参数的绘制，通过天线设计学习 ADS 的射频电路仿真。

4.4.1 印刷偶极子天线

1. 天线结构

印刷偶极子天线结构如图 4-141 所示。其中，箭头的方向表示电流的流向。基本工作原理是微波信号通过巴伦馈电，从微带线耦合到振子贴片上，再由振子臂辐射到自由空间。

2. 技术指标

（1）谐振频率为 $ 1.8 \, \text{GHz} $。

（2）相对带宽约为24%。

（3）反射损耗(反射系数)小于2.0dB。

（4）反射波损耗小于 $ -28\mathrm{dB} $。

（5）输入阻抗为 $ 50\Omega $。

（6）增益为2.0dB。

天线尺寸如表4-3所示。

| 内容 | 参数 | | | | |

| --- | --- | --- | --- | --- | --- |

| 偶极子天线臂 | $ L_{d}=29mm $ | $ W_{d}=6mm $ | $ g_{2}=3mm $ | | |

| 微带巴伦 | $ L_{b}=25mm $ | $ L_{h}=3mm $ | $ g_{1}=1mm $ | $ W_{t}=3mm $ | $ W_{b}=5mm $ |

| 通孔 | $ r=0.4mm $ | | | | |

| 地板 | $ L_{g}=12mm $ | $ W_{g}=19mm $ | | | |

4.4.2 偶极子天线设计

（1）单击 File→New Project 设置工程文件名称及存储路径，直接在主窗口中单击 ☐ ，打开 Layout 窗口。

（2）单击鼠标右键，从弹出的快捷菜单中选择 Preferences，弹出属性设置窗口。单击 Units/Scale 选项卡，选择 Length 项为 mm，如图 4-142 所示。

（3）由于设计的是双面天线，在一个介质板上贴有上下两层，上层为馈线，下层为偶极子天线和地板。首先设计底层，选择 v，s cond2：drawing，如图 4-143 所示。

（4）在工具栏选择☐，然后在窗口中选择一点，开始绘制矩形，矩形大小的控制可以看右下角坐标，它表示相对距离。双击元器件修改尺寸，图的右侧显示出该模型尺寸

对距离。双击元器件修改尺寸，图的右侧显示出该模型尺寸，如图4-144所示设计底板尺寸。

（5）同理按要求尺寸设计天线其他部分，得到如图4-145所示的面天线图形。

图 4-145 中标注的序号对应天线各部分尺寸及绘制层如图 4-146 所示（在绘制过程中注意图层的选择）。

4.4.3 优化仿真

（1）选择工具栏中的控件 ☐ 加端口。第一个端口加在 cond 上 P1，得到在 Layout 中设计的天线全貌，如图 4-147 所示。单击 EM→Port Editor 对 P1 进行如图 4-148 所示设置。

（2）单击☑按钮，进行相关参数设置，如图4-149所示。

（3）新建 Substrate，完成层和层介质相关参数的设置，如图 4-150 和图 4-151 所示。

（4）S参数仿真设置，如图4-152所示。

（5）单击图 4-150 中的 $ \underline{\text{Simulate}} $ 按钮，开始进行 S 参数仿真，得到仿真结果如图 4-153 所示。

（6）单击☐按钮，进行3D EM图预览，可以通过该窗口的各个快捷按钮，实现多角度的预览，如图4-154所示。

（7）单击 ☐ 按钮，完成三维及其他相关仿真结果的查看。在 Far Fields 选项中分别选择 E、E Theta 和 E Phi，得到如图 4-155(a)～图 4-155(c) 所示的 3D 曲线。

（8）通过单击图 4-155 中的 $ \underline{\text{Antenna Parameters}} $ 按钮，可以查看天线在不同模式下的参数，如图 4-156 所示。

（9）单击图 4-155 中的 Far Field Cut 选项卡，可以查看 2D 的仿真结果。在该选项卡中，单击 $ \underline{\text{Display Cut in Data Display}} $ 按钮，弹出相关的二维仿真结果，如图 4-157 所示。

Dataset: emFar - Jun 20, 2018

（10）观察天线的增益 Gain 图形，如图 4-158 所示，添加一个标记更清楚地观察 Gain 值。