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)的關鍵技術。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上的差別,需要考慮分布參數(shù)的影響,可以采用高級設計系統(tǒng)(Advanced Design System,ADS)軟件進行仿真設計.

     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鍵因素。在射頻頻段,電路出現(xiàn)了許多獨特的性質,這些性質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,滿足射頻領域不斷發(fā)展的需求。

     現(xiàn)在射頻電路的設計越來越復雜,指標要求越來越高,而設計周期卻越來越短,這要求設計者使用電子設計自動化(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計的必然趨勢。在深入理解射頻電路的基礎上,結合 EDA 技術軟件工具進行設計,是通向射頻電路設計成功之路的最佳路線。

     ADS電子設計自動化軟件是美國安捷倫(Agilent)公司所生產(chǎn)的電子設計自動化軟件;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)設計工程師開發(fā)所有類型的 RF設計,從簡單到復雜,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的仿真設計方法、ADS的輔助設計功能以及ADS與其他 EDA 設計軟件和測 量硬件的連接做個詳細的介紹。
1.ADS的仿真設計方法
     ADS軟件可以提供電路設計者進行模擬、射頻與微波等電路和通信系統(tǒng)設計,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。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。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,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構,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)電路包絡分析
     電路包絡分析(Circuit Envelope)包含了時域與頻域的分析方法,可以使用于包含調頻信號的電路或通信系統(tǒng)中。電路包絡分析借鑒了 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調頻解調器、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。所分析的S參數(shù)結果可直接使用于諧波平衡和電路包絡等電路分析中,進行電路設計與驗證。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,還包含其他設計輔助功能以增加使用者使用上的方便性與提高電路設計效率。ADS所提供的輔助設計功能簡介如下。
(1)設計指南
   設計指南(Design Guide)是根據(jù)范例與指令的說明示范電路設計的設計流程,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計。
目前ADS所提供的設計指南包括:WLAN 設計指南、Bluetooth 設計指南、CDMA2000設計指南、RF System 設計指南、Mixer 設計指南、Oscillator 設計指南、Passive Circuits 設計指南、Phased Locked Loop 設計指南、Amplifier設計指南、Filter 設計指南等。除了使用ADS軟件自帶的設計指南外,使用者也可以通過軟件中的 Design Guide Developer Studio 建立自己的設計指南。

(2)仿真向導
     仿真向導(Simulation Wizard)提供step-by-step的設定界面供設計人員進行電路分析與設計,使用者可以根據(jù)圖形化界面設定所需驗證的電路響應。
ADS提供的仿真向導包括: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)常重復使用的仿真設定(如仿真控制器、電壓電流源、變量參數(shù)設定等)制定成一個模板,直接使用,避免了重復設定所需的時間和步驟。結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設定所需的時間。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計電路與仿真結果,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軟件和測試設備間的連接
    由于現(xiàn)今復雜龐大的電路設計,每個電子設計自動化軟件在整個系統(tǒng)設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計中不容忽視的一環(huán)。ADS軟件與其他設計驗證軟件、硬件的連接簡介如下。
(1)SPICE電路轉換器
    SPICE 電路轉換器(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)生的電路轉換成SPICE 格式的電路,做布局與電路結構檢查(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換器
     電路與布局格式轉換器(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)此轉換器可以將不同EDA軟件所產(chǎn)生的文件,轉換成ADS 可以使用的文件格式。
(3)布局轉換器(Artwork Translator)
     布局轉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)設計工具箱
     對于IC設計來說,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。隨著電路結構的日趨復雜和工作效率的提高,在電路與系統(tǒng)設計的流程中,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)在的龐大設計流程所必須具備的功能之一。