浅析AWR微波仿真的优势

背景介绍

ADS：由Keysight Technologies（前身为Agilent Technologies）开发，适用于多个电路和系统设计领域，包括射频（RF）、微波、高速数字电路的信号完整性等。由于产品历史更长，目前ADS的应用更为广泛。

AWR：由National Instruments（AWR现被Cadence从NI收购）开发，AWR设计工具专注于射频和微波电路设计（无论是芯片、电路板还是系统级）。Cadence收购AWR以后，首先将AWR的AXIEM紧密集成到Cadence Virtuoso平台。Cadence的传统是硅芯片设计，而AWR在与RF/微波设计有关的专门分析和模型，尤其是GaAs和GaN III-V半导体方面拥有更多的经验。

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功能对比

在PCB 电路方面，Microwave Office能够解决的问题，与ADS是十分相似的，相似之处就是就是在电路原理仿真上设计放大器、混频器、震荡器 等单个器件，以及收发机、频率源等模块等。但二者在有些方面仍然有一些区 别，例如AWR软件相对ADS小很多，但功能一点也不少，而且用户界面更友好，更容易上手、效率更高。下面的表格是二者在功能上的比较：

序号	比较项目	ADS	AWR
1	线性分析	ADS提供广泛的线性分析工具，包括S参数、Y参数、Z参数分析等。 能够准确预测线性电路的频率响应、传输和反射特性。 ADS还支持多端口网络的分析，以及通过数据拟合等方式获得元件参数。	AWR同样提供线性分析工具，如S参数、Y参数等。 专注于射频和微波领域的应用，AWR的线性分析针对这些特定应用进行了优化。 AWR在器件建模和传输线分析方面具有丰富的经验，支持特定的射频器件模型。
2	非线性分析	ADS以其强大的非线性分析功能而闻名，支持多种非线性模型，如MOS、BJT、GaN等。 它能够进行谐波平衡分析，以模拟非线性电路如混频器、振荡器和功率放大器。 ADS的非线性分析可用于预测高功率工作状态下的电路性能。	AWR同样支持非线性分析，主要专注于射频和微波电路的非线性仿真。 针对高频电路的特定需求，AWR在非线性分析方面提供了专门的工具和模型，如功率放大器模型和谐波平衡仿真。
3	电磁仿真分析	电磁仿真引擎：ADS内置了Momentum电磁仿真引擎，可以进行三维电磁场分析。它能够对微带线、传输线、微波元器件等进行高精度的电磁仿真。 元器件建模：ADS支持元器件级别的电磁建模，例如微带线、耦合器、滤波器等。 电磁-电路联合仿真：ADS具有电磁-电路联合仿真能力，允许工程师在电磁仿真的基础上进行电路仿真，以更好地分析整体系统性能。	电磁仿真引擎：AWR使用了AXIEM电磁仿真引擎，也是一种强大的三维电磁场仿真工具。它可以分析微带线、传输线、高频器件等的电磁行为。 射频器件模型：AWR提供丰富的射频器件模型，以便工程师可以在电磁仿真中准确建模射频器件的特性。 布局优化：AWR强调布局优化，可以帮助工程师在电磁仿真的基础上优化布局，以最大程度地提高电路性能。
4	软件架构	模块化设计：ADS采用了模块化的设计方法，将不同的功能分解为各种模块，例如线性仿真、非线性仿真、电磁仿真等。这种模块化的设计使得用户可以根据需要选择特定的功能，从而减少了不必要的复杂性。 平行处理能力：ADS支持多核处理和分布式计算，能够在多个处理器上同时运行仿真任务，提高仿真效率。 图形用户界面：ADS的界面较为直观，易于学习和使用。它提供了直观的工具栏、绘图工具和分析选项，使用户能够方便地进行设计、仿真和分析。	集成设计环境：AWR提供了一个集成的设计环境，可以在同一个平台上进行电路设计、版图设计、电磁仿真等。这种集成性可以帮助用户更快速地从设计到仿真到制造。 器件库和模型：AWR在设计环境中提供了丰富的器件库和模型，用户可以在设计中直接使用这些模型，从而减少了手动建模的工作。 自动化流程：AWR强调自动化设计流程，通过设计向导和自动化脚本，用户可以更容易地进行各种分析和优化。 电磁设计和仿真：AWR将电磁仿真作为其核心特点之一，提供了与电磁仿真引擎AXIEM的紧密集成，使得用户可以在同一个环境中进行电磁仿真和电路设计。
5	调谐优化与生产分析	ADS提供了强大的参数扫描和优化工具，使工程师能够对设计参数进行范围扫描，寻找最佳性能的设计。 ADS支持多种优化算法，如遗传算法、逐步优化等，可以根据设计需求选择合适的优化方法。	AWR同样提供参数扫描和优化工具，允许工程师在设计空间中搜索最佳解决方案。 AWR的优化功能可以在电路性能、电磁特性等方面进行优化，适用于射频和微波设计。
6	软件仿真速度	ADS的仿真速度可能会受到复杂模型和分析方法的影响。在复杂的电路或系统级仿真中，仿真速度可能会有所降低。 使用多核处理器和分布式计算，ADS可以提高仿真效率，加速仿真任务的完成。	AWR的仿真速度可能受到电磁仿真引擎的复杂性影响。电磁场分析可能会较为耗时。 AWR也支持多核处理和分布式计算，以提高仿真效率。
7	开放性	开放性接口：ADS提供了多种开放性接口，例如Python脚本、MATLAB连接以及其自己的高级脚本语言。这使得用户可以编写脚本来自动化任务、自定义流程和与外部环境集成。 自定义组件：ADS允许用户创建自定义的元器件模型、电路拓扑和脚本。这使得用户可以根据需要将自己的功能集成到ADS中。	开放性接口：AWR同样提供Python脚本接口，用于自动化任务和与外部环境集成。此外，AWR也支持MATLAB连接，使得用户可以利用MATLAB的分析和处理能力。 自定义组件：AWR允许用户创建自定义的射频器件模型、电路布局和脚本，以满足特定需求。
8	可用基本电路模型数量	213种	367种
9	易用性	图形用户界面（GUI）：ADS的界面通常被认为是直观和易于使用的。它提供了丰富的工具栏、选项面板和绘图工具，使得用户能够快速创建和编辑电路。 自动化设计流程：ADS具有自动化设计流程的能力，用户可以通过向导式设计或批处理脚本来执行一系列操作。这有助于简化复杂任务的处理。 教育和支持资源：Keysight提供了大量的教程、培训材料和社区支持，帮助用户学习和掌握软件的使用。	一体化设计环境：AWR强调一体化的设计环境，使得用户可以在同一个平台上进行电路设计、仿真和版图设计。这有助于减少在不同工具之间切换的复杂性。 自动化和向导：AWR提供了自动化的设计流程和向导，可以帮助用户更轻松地完成一系列任务，特别是在电磁仿真和电路布局方面。 用户体验：AWR的用户界面被认为是相对简洁和用户友好的。它的工具栏和选项也使得用户可以快速访问常用功能。
10	射频预算分析	模块化设计和优化：ADS的模块化设计使得用户可以将电路分解为各个模块，并在每个模块中进行预算分析。然后可以使用优化工具对每个模块的性能进行优化，以满足整体系统的规格和要求。 直流至射频分析：ADS支持从直流到射频的多种分析技术，包括直流电路分析、频域分析、时域分析以及谐波平衡分析。这使得用户可以考虑信号在各个频段的传输和转换。 射频器件库和模型：ADS拥有广泛的射频器件库和模型，可以用于建模传输线、滤波器、放大器等射频模块。	一体化设计环境：AWR提供了一体化的设计环境，使得用户可以在同一个平台上进行电路设计、仿真和电磁仿真。这可以帮助用户更全面地进行射频预算分析。 射频器件建模和仿真：AWR专注于射频和微波设计，提供了丰富的射频器件建模和仿真功能。用户可以使用这些工具来进行增益、损耗、噪声等方面的分析。 电磁仿真和分析：由于AWR强调电磁仿真，因此用户可以在电磁分析中考虑传输线、耦合器等组件的电磁行为。
11	Layout	不支持与电路图同步更新	电路图与Layout同步更新
12	是否支持电路抽取技术	否	是
13	电路与系统协同仿真	支持，速度较慢。	支持，速度快。

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ADS不得不说的两大缺点

第一、相比AWR的版图设计也就是 Layout功能， ADS的Layout功能单一，且需要借助第三方的工具才能较好完成3D Layout，如下图：

ADS的3D Layout效果图

左下角为其平面Layout ，右下角为 ADS 收购XFDTD 软件代码后推出的EMDS 三维仿真软件内的建模。与AWR的不同是ADS的电路原理图Schematic与Layout处于不同的数据库，一旦Layout较为复杂，同步的时间就会非常长，而且很容易出错。而AWR本身的Layout以及电路原理图Schematic就是一个数据库，从根本上避免了这个问题。

第二、ADS 2008的发布介绍中提到了，ADS 2008推出了新的2D多层透3视Layout和3D Layout的技术，注意观察其3D Layout，以及之前没有3D Layout的对比情况，如以下这两幅图：

ADS 2008的2D与3D效果图对比

要知道，类似这样的2D以及3D Layout，AWR早在 2000年发布的Microwave Office 版本中就推出了，比ADS领先了七八年。问题的关键在于，ADS的Layout信息很难反馈到电路原理图Schematic 中来。

相比AWR操作的便利性，以及以测试量为驱动的直接的仿真设置， ADS则需要工程师设置一大堆参数才能进行仿真。如下图中ADS 2008提供的简便设置:

ADS 2008的“简单”设置图示

对比AWR的设置，才知道什么是“简单”：

AWR的相同电路图的简单设置与效果

造成差异的根本原因是AWR的软件构架是统一的，软件本身的数据链接是动态的，可以允许单纯的使用测试量来驱动仿真引擎，而ADS的软件构架是分立的，必须在电路原理图中就要对仿真求解器进行设置。换句话说，使用ADS的工程师必须对ADS所使用的各个仿真求解器都非常了解，才能很好的测试。

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通信系统仿真套件的对比

AWR和ADS两种软件工具都有复杂包络、时域的、同步的、行为级的、数据驱动的仿真工具来针对不同的系统仿真。

区别在于：

第一、射频链路仿真的建模与控制：ADS的Ptolemy Simulation需要不同类型之间的模型的转换

– Timed to Complex

– Complex to Timed

– Complex to Rectangular

– Complex to Timed IQ

– Floating Point to Timed

– … ADS 需要控制模块来控制仿真

– Data Flow

下是在这两个软件中完成相同功能和测试量的射频系统模拟仿真：

– Circuit Envelope

– ….

但AWR 的VSS不需要多重的转换模块或者控制模块来使得仿真运行。以下是在这两个软件中完成相同功能和测试量的射频系统模拟仿真：

ADS 需要用户自己设置接收机的参数

对比下图，一个 VSS的探针就可以解决这两个 Ptolemy测试控制模块解决的问题。同时，VSS 也不需要像 Ptolemy那样进行烦琐的数据类型换。

AWR 的VSS 设置快捷方便

第二、射频链路仿真的测试设置：

VSS 使用测试点和一个直观的用户界面来进行测量，例如，VSS 测量信道功率和ACPR 的方法，在diagram中加入VSA，打开ACPR 测量窗口，如下图：

VSS 的ACPR 测量窗口

可见VSS 的方法相当直观，即使过了一个月以后再打开diagram，也能够根据窗口中的说明很快进入状态。

而ADS Ptolemy Simulation必须使用表达式（等式）来进行测量：

– acpr_x( )

– cdf ( )

– channel_power( )

– …

而ADS 的方法则要求多重接收器，需要一个节点来使得多种不同的测试量、许多的表达式来写入并创造变量。举例说明ADS 测量信道功率和ACPR 的方法：

– 在diagram 中加入频谱分析仪

– 运行仿真

– 使用post processing expressions

– channel_power ( )

– Channel_power = channel_power_vr(voltage, resistance, mainCh,

winType,winConst)

– acpr_vr expression

– ACPRvals = acpr_vr(voltage, resistance, mainCh, lowerAdjCh,

upperAdjCh,winType, winConst)

由于需要自定义vector 变量，因此进行测量的难度比较大。假如在一个月后再次打开diagram，用户毕竟也是人而不是机器人，很可能已经忘记了vector 的定义是什么。

第三、射频链路与电路的协同仿真Co-simulation：

VSS 和Ptolemy 均可以进行和电路的协同仿真，VSS 基于统一数据库，调谐的速度非常快，仅需一步。把电路设计图拖到VSS 中，不需要控制或者转换模块，也不需要网表。

AWR可直接将Microwave Office的电路设计图拖入VSS中

而ADS Ptolemy，本身是由伯克利大学的DSP 工程师研发的，在研发时并没有考虑与电路协同的仿真，所以后来用了与其他软件结合的方法来完成电路协同仿真，这就导致了调谐速度极慢且需要购买多种软件License 的问题， Ptolemy 的电路协同仿真解决方案流程如下图：

ADS Ptolemy系统在仿真之前有很多需要预先设置的步骤

第四、硬件在环测试所支持的硬件测试设备：

通过 Test Wave 模块，VSS 可以与业界绝大多数设备相连接，如 Agilent、 HP、Rohde & Schwarz、Anritsu，但 ADS 目前只支持 Agilent 和 HP 的设备。

审核编辑：刘清