ADS仿真之旅：从入门到精通的阻抗匹配秘籍

一、ADS

1.ADS概述

商业化的射频EDA 软件于20 世纪90年代大量涌现，射频 EDA 是计算电磁学 和数学分析研究成果计算机化的产物，其集计算电磁学、数学分析、虚拟实验方法为一体，通过仿真的方法可以预期实验的结果，得到直接直观的数据，是射频工程师和研究人员的有力工具。

目前主流的电磁仿真软件主要基于以下3种方法。

●矩量法 ( MoM)：ADS、Ansoft Designer、Microwave Office、E3D、FEKO、Sonnet；

●有限元法 (FEM)：Ansys HFSS 、Agilent EMpro(同时支持Mom和FEM)；

●时域有限差分法 (FDTD)：CST Microwave Studio、EMPIRE、XFDTD；

目前，市场上商业化的射频 EDA 软件众多，受到业界欢迎的，其中以 Keysight公司的ADS，Ansys公司的HFSS，CST公司的CST 为主要代表，这三款软件已经在各大院校和科研院所得到广泛应用。ADS集多种 EDA 软件的优点，可进行时域、频域仿真，模拟电路、数字电路仿真线性、非线性电仿真，小到单独元器件的仿真，大到系统仿真、数/模混合仿真、高速链路仿真。其强大的仿真功能和较高的准确性，已经得到业界的普遍认可，成为业内最为流行的射频EDA软件。

2.ADS发展

ADS-Advanced Design System，是美国安捷伦（Agilent）公司推出的微波电路和通信系统仿真软件。主要用于：微波射频电路、DSP和通信系统、RFIC/MMIC等仿真设计领域。在安捷伦科技于2005年8月收购Eagleware以后，便成功地得到了GENESYS(ADS)中对复杂射频系统体系结构进行设计的能力，目前称为PathWave ADS。

Keysight官方地址： PathWave 先进设计系统

Keysight除了ADS核心以外，还开发了丰富的ADS软件套件，方便应用于不同的行业。

3.ADS版本

之前的版本ADS2011、ADS2012、ADS2013、ADS2014、ADS2015、ADS2016、ADS2017、ADS2019等；

合入PathWave之后有以下4个版本：最新的位2021。

PathWave 先进设计系统（ADS）2021

PathWave 先进设计系统（ADS）2020 更新 v2.0

PathWave 先进设计系统（ADS）2020 更新 v1.0

PathWave 先进设计系统（ADS）2020

本次学习基于 先进设计系统（ADS）2017，可以关注“吴川斌的博客”进行下载。

二、阻抗匹配

1.什么是阻抗

阻抗匹配，作为射频设计中最为重要的一个环节，每一个射频工程师都无法绕过去的。什么是阻抗呢？与电阻有啥区别呢？谈到阻抗的概念，大家的第一影响就是电阻和电抗的组合。没错，在低频领域，或者在我们学习的电路原理的课程中，阻抗就是电阻和电抗的组合。

在纯电阻电路中，往往以电阻的概念进行电路分析；在具有电阻、电感和电容的电路里，

●电阻对电流的阻碍作用称为电阻，电阻简称为R，值满足欧姆定律R=U/I

●电容对电流的阻碍作用称为容抗，容抗简称 $X{c} ，X{c} = \frac{1}{2\pi f C} = \frac{1}{\omega C} ，其中f为电路中频率，w为角频率$X{c} ，X{c} = \frac{1}{2\pi f C} = \frac{1}{\omega C} ，其中f为电路中频率，w为角频率

●电感对电流的阻碍作用称为感抗，容抗简称 $X_{L} ，X_{L} = {2\pi f L} = {\omega L} ，其中f为电路中频率，w为角频率$X_{L} ，X_{L} = {2\pi f L} = {\omega L} ，其中f为电路中频率，w为角频率

电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为电抗，因此具有电阻、电感和电容的电路里，对电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗，阻抗的单位是欧姆。由于电容对直流电的阻抗无穷大，而电感对直流电的阻抗是零，因此，阻抗更多用于描述交流电路中对电流的阻碍作用。

2.阻抗的计算

在阻抗中，通常是电阻和电抗的共同作用，然后两者却不是直接相加；

首先要了解下，容抗和感抗的复数形式，为什么要用复数形式，请参考这位大神的解答？为什么电路中的阻抗要引入复数来表示？

$X{c} = \frac{1}{2\pi f C} = \frac{1}{\omega C}=-j\frac{1}{\omega C}； X{L} = {2\pi f L} = {\omega L}=j{\omega L} ，其中f为电路中频率，w为角频率$X{c} = \frac{1}{2\pi f C} = \frac{1}{\omega C}=-j\frac{1}{\omega C}； X{L} = {2\pi f L} = {\omega L}=j{\omega L} ，其中f为电路中频率，w为角频率

电路的复阻抗一般用：Z=R+jX。

3.什么是阻抗匹配

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。

当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份只数值相等而符号相反。这种匹配条件称为共扼匹配。

三、反射系数 、回波损耗、电压驻波比

归一化阻抗：归一化阻抗是指将应用到某种电路中的所有元件的阻抗值分别进行“归一化”处理,使它们的阻抗值都相等。通常情况下,归一化阻抗的阻抗值为50Ω或75Ω,但也可根据特定应用场合而定。以便于分析和计算。

以下是单端口网络的特性

1.反射系数

定义为反射信号电压与入射信号电压的比值：

$\Gamma=\frac{Vleft}{Vinc}=\frac{Z_{L}-Z_{O}}{Z_{L}+Z_{O}} \downarrow在同一个系统中，归一化阻抗值相同，因此归一化阻抗变换后\Gamma=\frac{Z_{}-1}{Z_{}+1}$\Gamma=\frac{Vleft}{Vinc}=\frac{Z_{L}-Z_{O}}{Z_{L}+Z_{O}} \downarrow在同一个系统中，归一化阻抗值相同，因此归一化阻抗变换后\Gamma=\frac{Z_{}-1}{Z_{}+1}

由于阻抗是复数，因此反射系数也是复数，反射系数为0时：完全匹配。

2.回波损耗

定义为入射信号功率和反射信号功率的比值，以dB来表示：

在同一个系统中，电流是相同的，P=U*I；

$RL=20log\frac{Vinc*I}{Vleft*I}=20log\frac{Vinc}{Vleft}=log\frac{Z_{}+1}{Z_{}-1}=20log\frac{1}{\Gamma}=-20log{\Gamma}$ RL=20log\frac{Vinc*I}{Vleft*I}=20log\frac{Vinc}{Vleft}=log\frac{Z_{}+1}{Z_{}-1}=20log\frac{1}{\Gamma}=-20log{\Gamma}

3.电压驻波比

定义为驻波波腹电压与波节电压的比值：

$VSWR=\frac{1+\Gamma}{1-\Gamma}$VSWR=\frac{1+\Gamma}{1-\Gamma}

电压驻波比的变化范围是1~+∞，在完全匹配时，电压驻波比为1.

具体可以参考如下链接

射频工程师必知必会——电压驻波比VSWR和回波损耗RL