超高频RFID系统是目前射频识别系统研发的核心,是物联网的关键技术。超高频RFID 常见的工作频率有433MHz、860/960MHz、2.45GHz和5.8GHz等,该系统可以同时对多个电子标签进行操作,主要应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合。超高频读写器的射频电路与低频和高频有本质上的差别,需要考虑分布参数的影响,可以采用高级设计系统(Advanced Design System,ADS)软件进行仿真设计.

     射频和超高频电路是电与磁的场分布理论与传统电子学技术的融合,它将波动理论引人电路之中,形成射频和超高频电路的理论体系和设计方法,这些波的反射和 传输是影响射频和超高频电路的关键因素。在射频频段,电路出现了许多独特的性质,这些性质在常见的低频电路中从没有遇到过,因此需要建立新的射频电路设计体系。只有确切地知道射频电路与低频电路有什么区别及如何实现,才能开发改进射频电路,满足射频领域不断发展的需求。

     现在射频电路的设计越来越复杂,指标要求越来越高,而设计周期却越来越短,这要求设计者使用电子设计自动化(Electronic Design Automation,EDA)软件工具。目前国外各种商业化射频和微波 EDA 软件工具不断涌现,使用软件工具已经成为射频和微波电路设计的必然趋势。在深入理解射频电路的基础上,结合 EDA 技术软件工具进行设计,是通向射频电路设计成功之路的最佳路线。

     ADS电子设计自动化软件是美国安捷伦(Agilent)公司所生产的电子设计自动化软件;ADS功能十分强大,包含时域电路仿真(SPICE-like Simulation)、频域电路仿真(Harmonic Balance、Linear Analysis)、三维电磁仿真(EM Simulation)、通信系统仿真(Communication SystemSimulation)和数字信号处理仿真(DSP);支持射频和系统设计工程师开发所有类型的 RF设计,从简单到复杂,从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成 MMIC,是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件。ADS软件版本有ADS2005A、ADS2004A,ADS2003C、ADS2003A,ADS2002C和 ADS2002A等。下面来对 ADS的仿真设计方法、ADS的辅助设计功能以及ADS与其他 EDA 设计软件和测 量硬件的连接做个详细的介绍。
1.ADS的仿真设计方法
     ADS软件可以提供电路设计者进行模拟、射频与微波等电路和通信系统设计,其提供的仿真分析方法大致可以分为时域仿真、频域仿真、系统仿直和电磁仿真,ADS仿真分析方法具体介绍 

(1)高频 SPICE分析和卷积分析
     高频 SPICE分析方法提供如 SPICE 仿真器般的瞬态分析,可分析线性与非线性电路的瞬态效应。在SPICE 仿真器中,无法直接使用频域分析模型,如微带线、带状线等,可于高频 SPICE仿真器中直接使用,因为在仿真时高频 SPICE 仿真器会将频域分析模型进行拉式变换后进行瞬态分析,而不需要使用者将该模型转化为等效 RLC电路。因此高频 SPICE 除了可以做低频电路的瞬态分析,也可以分析高频电路的瞬态响应。此外高频 SPICE 也提供瞬态噪声分析的功能,可以
用来仿真电路的瞬态噪声,如振荡器或锁相环的 jitter。卷积分析(Convolution)方法为架构在SPICE高频仿真器上的高级时域分析方法,通过卷积分析可以更加准确地用时域的方法分析频率相关元件,如以S参数定义的元件、传输线、微带 线等。
(2)线性分析
      线性分析为频域的电路仿真分析方法,可以将线性或非线性的射频与微波电路做线性分析。当进行线性分析时,软件会先针对电路中每个元件计算所需的线性参数,如S、Z、Y和H参数、电路阻抗、噪声、反射系数、稳定系数、增益或损耗等(若为非线性元件则计算其工作点之线性参数),再进行整个电路的分析、仿真。
(3)谐波平衡分析
     谐波平衡分析(Harmonic Balance)提供频域、稳态、大信号的电路分析仿真方法,可以用来分析具有多频输入信号的非线性电路,得到非线性的电路响应,如噪声、功率压缩点、谐波失真等。与时域的 SPICE 仿真分析相比较,谐波平衡对于非线性的电路分析,可以提供一个比较快速有效的分析方法。

    谐波平衡分析方法的出现填补了SPICE的瞬态响应分析与线性S参数分析对具有多频输人信号的非线性电路仿真上的不足。尤其在现今的高频通信系统中,大多包含了混频电路结构,使得 谐波平衡分析方法的使用更加频繁,也越趋重要。另外针对高度非线性电路,如锁相环中的分频器,ADS也提供了瞬态辅助谐波平衡(Transient Assistant HB)的仿真方法,在电路分析时先执行瞬态分析,并将此瞬态分析的结果作为谐波平衡分析时的初始条件进行电路仿真,根据此种方法可以有效地解决在高度非线性的电路分析时会发生的不收敛情况。
(4)电路包络分析
     电路包络分析(Circuit Envelope)包含了时域与频域的分析方法,可以使用于包含调频信号的电路或通信系统中。电路包络分析借鉴了 SPICE 与谐波平衡两种仿真方法的优点,将较低频的调频信号用时域SPICE 仿真方法来分析,而较高频的载波信号则以频域的谐波平衡仿真方法进行分析
(5)射频系统分析
      射频系统分析方法提供使用者进行模拟评估系统特性,其中系统的电路模型除可以使用行为级模型外,也可以使用元件电路模型进行习用响应验证。射频系统仿真分析包含了上述的线性分析、谐波平衡分析和电路包络分析,分别用来验证射频系统的无源元件与线性化系统模型特性、非线性系统模型特性、具有数字调频信号的系统特性。
(6)拖勒密分析
     拖勒密分析(Ptolemy)方法具有可以仿真,同时具有数字信号与模拟、高频信号的混合模式系统能力。ADS中分别提供了数字元件模型(如FIR滤波器、IIR滤波器,AND 逻辑门、OR逻 辑门等)、通信系统元件模型(如QAM调频解调器、Raised Cosine 滤波器等)及模拟高频元件模型(如IQ编码器、切比雪夫滤波器、混频器等)。

(7)电磁仿真分析
    ADS软件提供了一个2.5D的平面电磁仿真分析功能-Momentum(ADS2005A 版本 Momentum已经升级为3D电磁仿真器),可以用来仿真微带线、带状线、共面波导等的电磁特性,天线的辐射特性,以及电路板上的寄生、耦合效应。所分析的S参数结果可直接使用于谐波平衡和电路包络等电路分析中,进行电路设计与验证。在 Momentum 电磁分析中提供两种分析模式:Momentum微波模式和 Momentum 射频模式,使用者可以根据电路的工作频段和尺寸判断、选择使用。
2.ADS的设计辅助功能
   ADS软件除了上述的仿真分析功能外,还包含其他设计辅助功能以增加使用者使用上的方便性与提高电路设计效率。ADS所提供的辅助设计功能简介如下。
(1)设计指南
   设计指南(Design Guide)是根据范例与指令的说明示范电路设计的设计流程,使用者可以通过这些范例与指令,学习如何利用ADS软件高效地进行电路设计。
目前ADS所提供的设计指南包括:WLAN 设计指南、Bluetooth 设计指南、CDMA2000设计指南、RF System 设计指南、Mixer 设计指南、Oscillator 设计指南、Passive Circuits 设计指南、Phased Locked Loop 设计指南、Amplifier设计指南、Filter 设计指南等。除了使用ADS软件自带的设计指南外,使用者也可以通过软件中的 Design Guide Developer Studio 建立自己的设计指南。

(2)仿真向导
     仿真向导(Simulation Wizard)提供step-by-step的设定界面供设计人员进行电路分析与设计,使用者可以根据图形化界面设定所需验证的电路响应。
ADS提供的仿真向导包括:元件特性(Device Characterization)、放大器(Amplifier)、混频器(Mixer)和线性电路(Linear Circuit)。
(3)仿真与结果显示模板
    为了增加仿真分析的方便性,ADS软件提供了仿真模板功能,让使用者可以将经常重复使用的仿真设定(如仿真控制器、电压电流源、变量参数设定等)制定成一个模板,直接使用,避免了重复设定所需的时间和步骤。结果显示模板也具有相同的功能,使用者可以将经常使用的绘图或列表格式制作成模板以减少重复设定所需的时间。除了使用者自行建立外,ADS软件也提供了标准的仿真与结果显示模板(Simulation&Data Display Template)。
(4)电子笔记本
    电子笔记本(Electronic Notebook)可以让使用者将所设计电路与仿真结果,加入文字叙述,制成一份网页式的报告。由电子笔记本所制成的报告,不需执行ADS软件即可以在浏览器上浏览。
3.ADS与其他EDA软件和测试设备间的连接
    由于现今复杂庞大的电路设计,每个电子设计自动化软件在整个系统设计中均扮演着螺丝钉的角色,因此软件与软件之间、软件与硬件之间、软件与元件厂商之间的沟通与连接也成为设计中不容忽视的一环。ADS软件与其他设计验证软件、硬件的连接简介如下。
(1)SPICE电路转换器
    SPICE 电路转换器(SPICE Netlist Translator)可以将由 Cadence、Spectre、PSPICE、HSPICE 及Berkeley SPICE 所产生的电路图转换成ADS使用的格式进行仿真分析,另外也可以将由ADS产生的电路转换成SPICE 格式的电路,做布局与电路结构检查(Layout Versus Schematic Checking,LVS)与 布局寄生抽取(Layout Parasitic Extraction)等验证。

(2)电路与布局文件格式转换器
     电路与布局格式转换器(IFF Schematic and Layout Translator)提供使用者与其他EDA软件连接沟通的桥梁,根据此转换器可以将不同EDA软件所产生的文件,转换成ADS 可以使用的文件格式。
(3)布局转换器(Artwork Translator)
     布局转换器提供使用者将由其他 CAD 或EDA软件所产生的布局文件导人ADS软件编辑使用,可以转换的格式包括IDES、GDSII、DXF与Gerber等格式。
(4)SPICE模型产生器
     SPICE 模型产生器(SPICE Model Generator)可以将由频域分析得到的或是由测量仪器得到的S参数转换为SPICE 可以使用的格式,以弥补 SPICE 仿真软件无法使用测量或仿真所得到的参数资料的不足。
(5)设计工具箱
     对于IC设计来说,EDA软件除了需要提供准确快速的仿真方法外,与半导体厂商的元件模型间的连接更是不可或缺的,设计工具箱(Design Kit)便是扮演了ADS软件与厂商元件模型间沟通的重要角色。ADS软件可以藉由设计工具箱将半导体厂商的元件模型读人,供使用者进行电路的设计、仿真与分析。
(6)仪器伺服器
      仪器伺服器提供了 ADS软件与测量仪器连接的功能,使用者可以通过仪器伺服器将网络分析仪测量得到的资料或 SNP格式的文件导入ADS软件中进行仿真分析,也可以将软件仿真所得的结果输出到仪器(如信号发生器),作为待测元件的测试信号。随着电路结构的日趋复杂和工作效率的提高,在电路与系统设计的流程中,EDA软件已经成为不可缺少的重要工具。EDA 软件所提供的仿真分析方法的速度、准确性与方便性便显得十分重要,此外该软件与其他 EDA 软件以及测量仪器间的连接,也是现在的庞大设计流程所必须具备的功能之一。