基于 ADS 的系统仿真搭建完整流程

一、新建系统项目与原理图

打开 ADS 软件，执行【File】→【New】→【System Project】命令，创建新的系统项目；

在项目中新建原理图文件（Schematic），进入原理图编辑界面，为后续搭建 RF 接收系统做准备。

二、搭建基于行为模型的 RF 接收系统

1. 添加 Butterworth 带通滤波器

在元件模型列表窗口中，展开【Filters】→【Bandpass】分类，选择并插入 Butterworth 滤波器（Btrwrth）。          
参数设置如下：

中心频率 Fcenter = 1.9GHz；

通带带宽 BWpass = 200MHz；

阻带带宽 BWstop = 1.0GHz；

通带波纹 Apass = 3.0103dB；

阻带衰减 Astop = 40dB。

2. 添加放大器

在元件模型列表窗口中，展开【System】→【Amps&Mixers】分类，选择并插入放大器（Amplifier），命名为 AMP1。          
参数设置如下： 

正向传输系数 S21 = dbpolar (20, 0)（表示 20dB 增益，相位 0°）；

输入反射系数 S11 = polar (0, 0)；

输出反射系数 S22 = polar (0, 180)；

反向传输系数 S12 = 0（忽略反向信号）；

噪声系数 NF = 7dB。

3. 添加 S 参数分析模型

执行【Insert】→【Template】命令，在弹出的 “Schematic Design Templates” 对话框中，选择【ads_templates:S_Params】模板，插入 S 参数分析模型，用于后续 S 参数仿真。

注意事项

Butterworth 滤波器的行为模型为理想模型，通带内无波纹；若替换为滤波器与放大器的实际电路模型，系统通带内会出现波纹。若需设计带波纹的系统滤波器，可选用【Bandpass】分类下的椭圆滤波器（Elliptic）行为模型。

4. 添加混频器（Mixer）与本振（LO）相关设置

a) 插入混频器

在元件模型列表窗口【System】→【Amps&Mixers】分类中，插入混频器（Mixer，非 Mixer2），命名为 MIX1。          
⚠️ 注意：Mixer2 用于非线性分析，此处需选择基础版 Mixer。

b) 配置混频器参数

转换增益 ConvGain = dbpolar (3, 0)（3dB 增益，相位 0°）；

边带选择 SideBand = LOWER（取混频器输出的低端边带）；

输入反射系数 S11 = polar (0, 0)；

输出反射系数 S22 = polar (0, 180)；

本振端口反射系数 S33 = 0。

c) 调整组件文字位置

可按下 F5 键，鼠标点击原理图上组件的文字标签（如参数名称、组件编号），拖动至合适位置，避免文字重叠影响可读性。

5. 添加本振信号源与阻抗匹配

在元件模型列表窗口中，展开【Sources】→【Freq Domain】分类，插入 V_1Tone 信号源（命名为 SRC1）、50Ω 电阻（R1）及接地符号，构成本振信号回路，提供 100MHz 中频输出。          
V_1Tone 信号源参数：

信号幅度 V = polar (1, 0) V；

信号频率 Freq = 1.8GHz（作为本振频率）；

电阻 R1 阻值 = 50Ω（匹配系统阻抗）。

6. 添加 Bessel 低通滤波器

在元件模型列表窗口【Filters】→【Lowpass】分类中，插入 Bessel 低通滤波器（LPF_Bessel），命名为 LPF1，连接至混频器输出端，用于滤除中频以外的高频成分。          
参数设置：通带频率 Fpass = 200MHz，通带波纹 Apass = 3dB。

7. 添加端口终端（Term）

在原理图的信号输入端（port1）和低通滤波器输出端（port2）分别插入端口终端（Term），命名为 Term1 和 Term2，设置阻抗 Z = 50Ω，匹配系统特征阻抗。

三、配置带频率转换的 S 参数仿真

1. 插入 S 参数仿真控制器

在元件模型列表窗口【Simulation】→【S_Params】分类中，插入 S 参数仿真控制器（图标为 “控制齿轮”），命名为 SP1。

2. 配置仿真频率参数

双击 SP1 打开参数设置窗口，在【Frequency】标签页中

设定频率范围：Start = 1.0GHz，Stop = 3.0GHz；

频率步长 Step = 100MHz；

勾选 “Enable AC frequency conversion”（启用 AC 频率转换）。

3. 设置参数显示选项

切换至【Display】标签页，勾选 “FreqConversion” 和 “FreqConversionPort” 两项，使该参数在原理图上显示，便于后续检查配置。

4. 配置仿真数据集与运行仿真

a) 打开仿真设置界面

点击菜单栏【Simulate】→【Simulation Setup】，弹出 “Simulation Setup” 对话框。

b) 命名数据集

在【Dataset】栏中，将默认数据集名称修改为 “rf_sys_10dB”（表示该仿真对应放大器增益为 10dB 的系统）。

c) 运行仿真

点击【Apply】保存设置，再点击【Simulate】启动 S 参数仿真，等待仿真完成。

四、绘制与分析 S21 数据

1. 插入 S21 图形

仿真完成后，自动弹出数据显示窗口（Data Display），执行【Insert】→【Plot】→【Rectangular Plot】命令，插入矩形图。

2. 配置 S21 数据显示

在 “Plot Traces & Attributes” 对话框中：

选择数据集 “rf_sys_10dB”；

选择待显示参数：S [2,1]（即 S21，端口 2 到端口 1 的正向传输系数）；

设置单位为 “dB”，点击【Add】添加轨迹。

3. 添加标记点

点击工具栏【Marker】→【New Marker】，在频率 1.9GHz 处添加三角标记（m1），读取该频率下的 S21 值（约 12.313dB，为混频器转换增益减去失配损耗后的结果）。

五、验证放大器增益对系统的影响

1. 修改放大器增益参数

返回原理图，双击放大器 AMP1，将 S21 修改为 dbpolar (20, 180)（增益提升至 20dB）。

2. 重新配置仿真数据集

再次执行【Simulate】→【Simulation Setup】，将数据集名称修改为 “rf_sys_20dB”，点击【Apply】→【Simulate】启动仿真。

3. 处理数据集提示

仿真完成后，弹出 “Default Dataset” 提示框（询问是否将默认数据集从 “rf_sys_10dB” 改为 “rf_sys_20dB”），点击【No】

4. 叠加显示 20dB 增益的 S21 曲线

在数据显示窗口中，双击原 10dB 增益的 S21 曲线，打开 “Plot Traces & Attributes” 对话框：

选择数据集 “rf_sys_20dB”；

再次添加 S [2,1] 参数（单位 dB），点击【OK】。

5. 分析增益差值

在 20dB 增益的 S21 曲线上添加标记点 m2（1.9GHz 处），执行【Marker】→【Delta Mode On】启用差值模式，可观察到两曲线在 1.9GHz 处的差值约为 10dB（与放大器增益调整量一致），验证仿真结果的合理性。

6. 保存数据

点击菜单栏【File】→【Save】，保存数据显示窗口的配置与仿真结果。

六、配置含相位噪声的本振（LO）与 RF 源

1. 保存新设计

执行【File】→【Save Design As】，将当前原理图另存为 “rf_sys_phnoise”（用于后续相位噪声相关仿真，避免覆盖原设计）。

2. 删除冗余组件

在新原理图中，删除以下组件： 

S 参数仿真控制器（SP1）；

本振信号源（V_1Tone）、50Ω 电阻（R1）及接地符号。

3. 替换输入端口为 P_1Tone 源

在元件模型列表窗口【Simulation】→【LSSP】分类中，插入 P_1Tone 信号源（替代原 Term1），命名为 “RF_source”，作为 RF 输入信号源。          
参数设置：

信号频率 Freq = 1.9GHz；

信号功率 P = polar (dbmtow (-40), 0)（将 - 40dBm 转换为线性功率值）；

端口编号 Num = 1；

阻抗 Z = 50Ω。

4. 添加输出节点标记

使用快捷键（如 “N” 键），在低通滤波器（LPF1）的输出端插入导线标记，命名为 “Vout”（用于后续监测该节点的电压信号）。 

5. 插入带相位噪声的振荡器

在元件模型列表窗口【Sources】→【Freq Domain】分类中，插入带相位噪声的振荡器（OSCwPhNoise），命名为 OSC1，连接至混频器的本振端口。          
参数设置：

振荡频率 Freq = 1.8GHz（与原 LO 频率一致）；

输出功率 P = dbmtow (0)（0dBm）；

输出阻抗 Rout = 50Ω；

相位噪声 Phase Noise = list (10Hz, -10dB, 100Hz, -20dB, 1kHz, -30dB, 10kHz, -40dB)（表示不同频偏下的相位噪声值）。          
⚠️ 注意：OSCwPhNoise 自带 50Ω 电阻，无需额外添加，功能与 “V_1Tone+50Ω 电阻” 一致，但增加了相位噪声特性。 

七、配置谐波噪声控制器（NoiseCon）

1. 插入 NoiseCon 组件

在元件模型列表窗口【Simulation】→【HB】分类中，插入噪声控制器（NoiseCon），命名为 NC1。          
⚠️ 注意：NoiseCon 需与 HB（谐波平衡）仿真配合使用，可将仿真控制与噪声测量分离，支持多组噪声测量配置。

2. 配置噪声频率参数

双击 NC1 打开参数设置窗口，在【Freq】标签页中：

扫类型 Sweep Type = Log（对数扫频）；

频率范围：Start = 10Hz，Stop = 10.0kHz；

每十倍频点数 Pts./decade = 5（总点数 16）。

3. 关联噪声测量节点

切换至【Nodes】标签页：

点击 “Pos Node” 下拉框，选择之前添加的 “Vout” 节点；

点击【Add】将 Vout 添加为噪声测量节点。

4. 配置相位噪声参数

切换至【PhaseNoise】标签页：

相位噪声类型 Phase Noise Type = Phase noise spectrum（相位噪声谱）；

载波频率 Carrier Frequency = 100MHz（即系统中频频率，带 LO 引入的相位噪声）。

5. 设置参数显示选项

切换至【Display】标签页，勾选 “CarrierFreq”“PhaseNoise”“NoiseNode” 三项，使该参数在原理图上显示，便于检查配置。          
（对应噪声控制器最终配置截图，展示原理图上显示的参数：NLNoise Start=10Hz、NLNoise Stop=10.0kHz、CarrierFreq=100MHz、NoiseNode [1]=Vout 等）

最后显示的噪声控制器设置如下图所示。

八、配置谐波平衡（HB）仿真

1. 插入 HB 仿真控制器

在元件模型列表窗口【Simulation】→【HB】分类中，插入谐波平衡仿真控制器（图标为 “HB”），命名为 HB1。

2. 配置基波频率

双击 HB1 打开参数设置窗口，在【Freq】标签页中：

点击【Add】添加第一个基波频率：Frequency = 1.8GHz（本振 LO 频率），Order = 3（谐波次数）；

再次点击【Add】添加第二个基波频率：Frequency = 1.9GHz（RF 信号频率），Order = 3；

最大混频次数 Maximum mixing order = 4（用于计算电路中的混频产物，包括 100MHz 中频）。          
⚠️ 注意：无需额外指定中频频率，HB 仿真会根据基波频率、谐波次数及混频次数自动计算中频（1.9GHz - 1.8GHz = 100MHz）。

3. 设置参数显示选项

切换至【Display】标签页，勾选 “MaxOrder”“Freq [1]”“Freq [2]”“Order [1]”“Order [2]” 五项，使参数在原理图上显示。

4. 关联噪声控制器

切换至【Noise】标签页：

在 “NoiseCons” 栏中，点击【Edit】，选择之前配置的噪声控制器 “NC1”；

点击【Add】将 NC1 关联至 HB 仿真，使 HB 仿真包含噪声分析。

5. 检查最终原理图

最终原理图组件连接关系如下：          
RF_source（1.9GHz，-40dBm）→ Butterworth 带通滤波器 → 放大器（20dB）→ 混频器 → Bessel 低通滤波器 → Term2；          
OSCwPhNoise（1.8GHz，带相位噪声）→ 混频器本振端口；          
HB1（谐波平衡控制器）与 NC1（噪声控制器）关联，监测 Vout 节点噪声。

九、运行 HB 仿真与分析结果

1. 分析相位噪声谱（pnmx）

a) 插入相位噪声谱图

仿真完成后，在数据显示窗口执行【Insert】→【Plot】→【Rectangular Plot】，插入矩形图。

b) 配置相位噪声数据

在 “Plot Traces & Attributes” 对话框中：

选择数据集 “rf_sys_phnoise”；

选择参数 “pnmx”（相位噪声最大值）；

设置 X 轴单位为 “Log”（对数坐标），Y 轴单位为 “dBc”（相对于载波的分贝数）。

c) 添加频偏标记

插入标记点（如 m1），观察 1kHz 频偏下的相位噪声值（约 - 30dBc，与振荡器相位噪声设置一致）。          
（对应相位噪声谱截图，X 轴为频偏（10Hz~10kHz，对数坐标），Y 轴为 pnmx（dBc），标记点显示 1kHz 处的具体数值）

2. 分析 Vout 节点电压（中频信号）

a) 插入 Vout 频谱图

再次插入矩形图，在 “Plot Traces & Attributes” 对话框中：

选择数据集 “rf_sys_phnoise”；

选择参数 “Vout”，设置单位为 “dBm”（功率单位）。

b) 验证中频信号功率

在 100MHz（中频）处添加标记点（如 m1），读取 Vout 功率值（约 - 17dBm）。          
⚠️ 理论计算：RF 输入功率（-40dBm）+ 放大器增益（20dB）+ 混频器转换增益（3dB）- 系统损耗（约 6dB）= -17dBm，与仿真结果一致，验证仿真正确性。

b． 储存。你现在已经完成了设计RF接收器的第一步，在下面的章节中，你将用电路替换系统模型组件。

十、选学：SDD（符号定义元件）仿真

SDD（Symbolically Defined Device，符号定义元件）允许通过方程定义线性 / 非线性元件的节点特性，本部分通过 SDD 实现混频器功能，演示其灵活的参数化设计能力。

1. 保存新设计

执行【File】→【Save Design As】，将 “rf_sys_phnoise” 另存为 “rf_sys_sdd”，避免覆盖原设计。

2. 替换混频器为 3 端口 SDD

a) 删除原有混频器

删除原理图中的 MIX1（原混频器）。

b) 插入 3 端口 SDD

在元件模型列表窗口【Eqn Based】→【Nonlinear】分类中，插入 3 端口 SDD（SDD3P），命名为 SDD3P1。

3. 定义 SDD 方程（实现混频功能）

双击 SDD3P1 打开方程编辑窗口，修改节点电流方程，实现 “无转换增益的混频器” 功能（输出差频与和频）：

I [1,0] = (_v1)/50.0（RF 端电流方程，_v1 为端口 1 电压，50Ω 为匹配阻抗）；

I[2,0] = (_v2 - _v1*_v3)/50.0（IF 端电流方程，_v1*_v3 表示 RF 与 LO 电压相乘，实现混频；_v2 为端口 2 电压，输出差频（1.9GHz-1.8GHz=100MHz）与和频（1.9GHz+1.8GHz=3.7GHz））；

I [3,0] = (_v3)/50.0（LO 端电流方程，_v3 为端口 3 电压）。          
⚠️ 注意：方程中 “_v1*_v3” 表示电压乘积（混频核心），非平方运算，需严格遵循 SDD 方程语法。

4. 运行 HB 仿真与分析 Vout 频谱

a) 启动 HB 仿真

保持 HB1 与 NC1 的配置不变，点击【Simulate】→【Run】启动仿真。

b) 配置瞬态仿真参数

双击 Tran1：

停止时间 StopTime = 4/100MHz = 40ns（覆盖 4 个中频周期）；

最大时间步长 MaxTimeStep = 1/(2*1800MHz) ≈ 277ps（满足奈奎斯特采样定理）。

c) 分析瞬态仿真结果

仿真完成后，在数据显示窗口插入矩形图，输入公式 “dbm (fs (Vout))”（通过傅里叶变换（fs）将时域 Vout 转换为频域，并计算功率），结果与 HB 仿真的 Vout 频谱一致（100MHz 与 3.7GHz 信号清晰可见），验证 SDD 模型的正确性。

十一、总结

本流程从基础的 RF 接收系统搭建（行为模型），逐步深入至 S 参数仿真、相位噪声分析，最后通过 SDD 仿真拓展参数化设计能力，覆盖 ADS 系统仿真的核心环节：

组件选择与参数配置：重点关注滤波器、放大器、混频器的关键参数（如中心频率、增益、边带选择）；

仿真控制器配置：S 参数仿真（频率转换）、HB 仿真（谐波与噪声）、瞬态仿真（时域验证）的核心参数设置；

结果分析：通过标记点、差值模式、理论计算验证仿真结果的合理性，确保设计正确。

通过本流程，可掌握 ADS 系统级仿真的基本方法，为后续基于实际电路模型的 RF 系统设计与优化奠定基础。