超高頻RFID系統(tǒng)是目前射頻識別系統(tǒng)研發(fā)的核心,是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。超高頻RFID 常見的工作頻率有433MHz、860/960MHz、2.45GHz和5.8GHz等,該系統(tǒng)可以同時對多個電子標簽進行操作,主要應(yīng)用于需要較長的讀寫距離和高讀寫速度的場合。超高頻讀寫器的射頻電路與低頻和高頻有本質(zhì)上的差別,需要考慮分布參數(shù)的影響,可以采用高級設(shè)計系統(tǒng)(Advanced Design System,ADS)軟件進行仿真設(shè)計.

     射頻和超高頻電路是電與磁的場分布理論與傳統(tǒng)電子學技術(shù)的融合,它將波動理論引人電路之中,形成射頻和超高頻電路的理論體系和設(shè)計方法,這些波的反射和 傳輸是影響射頻和超高頻電路的關(guān)鍵因素。在射頻頻段,電路出現(xiàn)了許多獨特的性質(zhì),這些性質(zhì)在常見的低頻電路中從沒有遇到過,因此需要建立新的射頻電路設(shè)計體系。只有確切地知道射頻電路與低頻電路有什么區(qū)別及如何實現(xiàn),才能開發(fā)改進射頻電路,滿足射頻領(lǐng)域不斷發(fā)展的需求。

     現(xiàn)在射頻電路的設(shè)計越來越復(fù)雜,指標要求越來越高,而設(shè)計周期卻越來越短,這要求設(shè)計者使用電子設(shè)計自動化(Electronic Design Automation,EDA)軟件工具。目前國外各種商業(yè)化射頻和微波 EDA 軟件工具不斷涌現(xiàn),使用軟件工具已經(jīng)成為射頻和微波電路設(shè)計的必然趨勢。在深入理解射頻電路的基礎(chǔ)上,結(jié)合 EDA 技術(shù)軟件工具進行設(shè)計,是通向射頻電路設(shè)計成功之路的最佳路線。

     ADS電子設(shè)計自動化軟件是美國安捷倫(Agilent)公司所生產(chǎn)的電子設(shè)計自動化軟件;ADS功能十分強大,包含時域電路仿真(SPICE-like Simulation)、頻域電路仿真(Harmonic Balance、Linear Analysis)、三維電磁仿真(EM Simulation)、通信系統(tǒng)仿真(Communication SystemSimulation)和數(shù)字信號處理仿真(DSP);支持射頻和系統(tǒng)設(shè)計工程師開發(fā)所有類型的 RF設(shè)計,從簡單到復(fù)雜,從離散的射頻/微波模塊到用于通信和航天/國防的集成 MMIC,是當今國內(nèi)各大學和研究所使用最多的微波/射頻電路和通信系統(tǒng)仿真軟件。ADS軟件版本有ADS2005A、ADS2004A,ADS2003C、ADS2003A,ADS2002C和 ADS2002A等。下面來對 ADS的仿真設(shè)計方法、ADS的輔助設(shè)計功能以及ADS與其他 EDA 設(shè)計軟件和測 量硬件的連接做個詳細的介紹。
1.ADS的仿真設(shè)計方法
     ADS軟件可以提供電路設(shè)計者進行模擬、射頻與微波等電路和通信系統(tǒng)設(shè)計,其提供的仿真分析方法大致可以分為時域仿真、頻域仿真、系統(tǒng)仿直和電磁仿真,ADS仿真分析方法具體介紹 

(1)高頻 SPICE分析和卷積分析
     高頻 SPICE分析方法提供如 SPICE 仿真器般的瞬態(tài)分析,可分析線性與非線性電路的瞬態(tài)效應(yīng)。在SPICE 仿真器中,無法直接使用頻域分析模型,如微帶線、帶狀線等,可于高頻 SPICE仿真器中直接使用,因為在仿真時高頻 SPICE 仿真器會將頻域分析模型進行拉式變換后進行瞬態(tài)分析,而不需要使用者將該模型轉(zhuǎn)化為等效 RLC電路。因此高頻 SPICE 除了可以做低頻電路的瞬態(tài)分析,也可以分析高頻電路的瞬態(tài)響應(yīng)。此外高頻 SPICE 也提供瞬態(tài)噪聲分析的功能,可以
用來仿真電路的瞬態(tài)噪聲,如振蕩器或鎖相環(huán)的 jitter。卷積分析(Convolution)方法為架構(gòu)在SPICE高頻仿真器上的高級時域分析方法,通過卷積分析可以更加準確地用時域的方法分析頻率相關(guān)元件,如以S參數(shù)定義的元件、傳輸線、微帶 線等。
(2)線性分析
      線性分析為頻域的電路仿真分析方法,可以將線性或非線性的射頻與微波電路做線性分析。當進行線性分析時,軟件會先針對電路中每個元件計算所需的線性參數(shù),如S、Z、Y和H參數(shù)、電路阻抗、噪聲、反射系數(shù)、穩(wěn)定系數(shù)、增益或損耗等(若為非線性元件則計算其工作點之線性參數(shù)),再進行整個電路的分析、仿真。
(3)諧波平衡分析
     諧波平衡分析(Harmonic Balance)提供頻域、穩(wěn)態(tài)、大信號的電路分析仿真方法,可以用來分析具有多頻輸入信號的非線性電路,得到非線性的電路響應(yīng),如噪聲、功率壓縮點、諧波失真等。與時域的 SPICE 仿真分析相比較,諧波平衡對于非線性的電路分析,可以提供一個比較快速有效的分析方法。

    諧波平衡分析方法的出現(xiàn)填補了SPICE的瞬態(tài)響應(yīng)分析與線性S參數(shù)分析對具有多頻輸人信號的非線性電路仿真上的不足。尤其在現(xiàn)今的高頻通信系統(tǒng)中,大多包含了混頻電路結(jié)構(gòu),使得 諧波平衡分析方法的使用更加頻繁,也越趨重要。另外針對高度非線性電路,如鎖相環(huán)中的分頻器,ADS也提供了瞬態(tài)輔助諧波平衡(Transient Assistant HB)的仿真方法,在電路分析時先執(zhí)行瞬態(tài)分析,并將此瞬態(tài)分析的結(jié)果作為諧波平衡分析時的初始條件進行電路仿真,根據(jù)此種方法可以有效地解決在高度非線性的電路分析時會發(fā)生的不收斂情況。
(4)電路包絡(luò)分析
     電路包絡(luò)分析(Circuit Envelope)包含了時域與頻域的分析方法,可以使用于包含調(diào)頻信號的電路或通信系統(tǒng)中。電路包絡(luò)分析借鑒了 SPICE 與諧波平衡兩種仿真方法的優(yōu)點,將較低頻的調(diào)頻信號用時域SPICE 仿真方法來分析,而較高頻的載波信號則以頻域的諧波平衡仿真方法進行分析
(5)射頻系統(tǒng)分析
      射頻系統(tǒng)分析方法提供使用者進行模擬評估系統(tǒng)特性,其中系統(tǒng)的電路模型除可以使用行為級模型外,也可以使用元件電路模型進行習用響應(yīng)驗證。射頻系統(tǒng)仿真分析包含了上述的線性分析、諧波平衡分析和電路包絡(luò)分析,分別用來驗證射頻系統(tǒng)的無源元件與線性化系統(tǒng)模型特性、非線性系統(tǒng)模型特性、具有數(shù)字調(diào)頻信號的系統(tǒng)特性。
(6)拖勒密分析
     拖勒密分析(Ptolemy)方法具有可以仿真,同時具有數(shù)字信號與模擬、高頻信號的混合模式系統(tǒng)能力。ADS中分別提供了數(shù)字元件模型(如FIR濾波器、IIR濾波器,AND 邏輯門、OR邏 輯門等)、通信系統(tǒng)元件模型(如QAM調(diào)頻解調(diào)器、Raised Cosine 濾波器等)及模擬高頻元件模型(如IQ編碼器、切比雪夫濾波器、混頻器等)。

(7)電磁仿真分析
    ADS軟件提供了一個2.5D的平面電磁仿真分析功能-Momentum(ADS2005A 版本 Momentum已經(jīng)升級為3D電磁仿真器),可以用來仿真微帶線、帶狀線、共面波導等的電磁特性,天線的輻射特性,以及電路板上的寄生、耦合效應(yīng)。所分析的S參數(shù)結(jié)果可直接使用于諧波平衡和電路包絡(luò)等電路分析中,進行電路設(shè)計與驗證。在 Momentum 電磁分析中提供兩種分析模式:Momentum微波模式和 Momentum 射頻模式,使用者可以根據(jù)電路的工作頻段和尺寸判斷、選擇使用。
2.ADS的設(shè)計輔助功能
   ADS軟件除了上述的仿真分析功能外,還包含其他設(shè)計輔助功能以增加使用者使用上的方便性與提高電路設(shè)計效率。ADS所提供的輔助設(shè)計功能簡介如下。
(1)設(shè)計指南
   設(shè)計指南(Design Guide)是根據(jù)范例與指令的說明示范電路設(shè)計的設(shè)計流程,使用者可以通過這些范例與指令,學習如何利用ADS軟件高效地進行電路設(shè)計。
目前ADS所提供的設(shè)計指南包括:WLAN 設(shè)計指南、Bluetooth 設(shè)計指南、CDMA2000設(shè)計指南、RF System 設(shè)計指南、Mixer 設(shè)計指南、Oscillator 設(shè)計指南、Passive Circuits 設(shè)計指南、Phased Locked Loop 設(shè)計指南、Amplifier設(shè)計指南、Filter 設(shè)計指南等。除了使用ADS軟件自帶的設(shè)計指南外,使用者也可以通過軟件中的 Design Guide Developer Studio 建立自己的設(shè)計指南。

(2)仿真向?qū)?/span>
     仿真向?qū)?Simulation Wizard)提供step-by-step的設(shè)定界面供設(shè)計人員進行電路分析與設(shè)計,使用者可以根據(jù)圖形化界面設(shè)定所需驗證的電路響應(yīng)。
ADS提供的仿真向?qū)О?元件特性(Device Characterization)、放大器(Amplifier)、混頻器(Mixer)和線性電路(Linear Circuit)。
(3)仿真與結(jié)果顯示模板
    為了增加仿真分析的方便性,ADS軟件提供了仿真模板功能,讓使用者可以將經(jīng)常重復(fù)使用的仿真設(shè)定(如仿真控制器、電壓電流源、變量參數(shù)設(shè)定等)制定成一個模板,直接使用,避免了重復(fù)設(shè)定所需的時間和步驟。結(jié)果顯示模板也具有相同的功能,使用者可以將經(jīng)常使用的繪圖或列表格式制作成模板以減少重復(fù)設(shè)定所需的時間。除了使用者自行建立外,ADS軟件也提供了標準的仿真與結(jié)果顯示模板(Simulation&Data Display Template)。
(4)電子筆記本
    電子筆記本(Electronic Notebook)可以讓使用者將所設(shè)計電路與仿真結(jié)果,加入文字敘述,制成一份網(wǎng)頁式的報告。由電子筆記本所制成的報告,不需執(zhí)行ADS軟件即可以在瀏覽器上瀏覽。
3.ADS與其他EDA軟件和測試設(shè)備間的連接
    由于現(xiàn)今復(fù)雜龐大的電路設(shè)計,每個電子設(shè)計自動化軟件在整個系統(tǒng)設(shè)計中均扮演著螺絲釘的角色,因此軟件與軟件之間、軟件與硬件之間、軟件與元件廠商之間的溝通與連接也成為設(shè)計中不容忽視的一環(huán)。ADS軟件與其他設(shè)計驗證軟件、硬件的連接簡介如下。
(1)SPICE電路轉(zhuǎn)換器
    SPICE 電路轉(zhuǎn)換器(SPICE Netlist Translator)可以將由 Cadence、Spectre、PSPICE、HSPICE 及Berkeley SPICE 所產(chǎn)生的電路圖轉(zhuǎn)換成ADS使用的格式進行仿真分析,另外也可以將由ADS產(chǎn)生的電路轉(zhuǎn)換成SPICE 格式的電路,做布局與電路結(jié)構(gòu)檢查(Layout Versus Schematic Checking,LVS)與 布局寄生抽取(Layout Parasitic Extraction)等驗證。

(2)電路與布局文件格式轉(zhuǎn)換器
     電路與布局格式轉(zhuǎn)換器(IFF Schematic and Layout Translator)提供使用者與其他EDA軟件連接溝通的橋梁,根據(jù)此轉(zhuǎn)換器可以將不同EDA軟件所產(chǎn)生的文件,轉(zhuǎn)換成ADS 可以使用的文件格式。
(3)布局轉(zhuǎn)換器(Artwork Translator)
     布局轉(zhuǎn)換器提供使用者將由其他 CAD 或EDA軟件所產(chǎn)生的布局文件導人ADS軟件編輯使用,可以轉(zhuǎn)換的格式包括IDES、GDSII、DXF與Gerber等格式。
(4)SPICE模型產(chǎn)生器
     SPICE 模型產(chǎn)生器(SPICE Model Generator)可以將由頻域分析得到的或是由測量儀器得到的S參數(shù)轉(zhuǎn)換為SPICE 可以使用的格式,以彌補 SPICE 仿真軟件無法使用測量或仿真所得到的參數(shù)資料的不足。
(5)設(shè)計工具箱
     對于IC設(shè)計來說,EDA軟件除了需要提供準確快速的仿真方法外,與半導體廠商的元件模型間的連接更是不可或缺的,設(shè)計工具箱(Design Kit)便是扮演了ADS軟件與廠商元件模型間溝通的重要角色。ADS軟件可以藉由設(shè)計工具箱將半導體廠商的元件模型讀人,供使用者進行電路的設(shè)計、仿真與分析。
(6)儀器伺服器
      儀器伺服器提供了 ADS軟件與測量儀器連接的功能,使用者可以通過儀器伺服器將網(wǎng)絡(luò)分析儀測量得到的資料或 SNP格式的文件導入ADS軟件中進行仿真分析,也可以將軟件仿真所得的結(jié)果輸出到儀器(如信號發(fā)生器),作為待測元件的測試信號。隨著電路結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜和工作效率的提高,在電路與系統(tǒng)設(shè)計的流程中,EDA軟件已經(jīng)成為不可缺少的重要工具。EDA 軟件所提供的仿真分析方法的速度、準確性與方便性便顯得十分重要,此外該軟件與其他 EDA 軟件以及測量儀器間的連接,也是現(xiàn)在的龐大設(shè)計流程所必須具備的功能之一。