一文对比RF和微波仿真软件ADS vs. AWR

图元TOPBRAIN 2023年9月7日浏览：1492 评论：1

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。

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	软件构架	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功能	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。

ADS不得不说的的两大缺点

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：

一文对比RF和微波仿真软件ADS vs. AWR的图1

ADS的3D Layout效果图

左下角为其平面Layout ，右下角为 ADS 最新收购XFDTD 软件代码后推出的EMDS 三维仿真软件内的建模。与AWR最大的不同是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：

一文对比RF和微波仿真软件ADS vs. AWR的图2

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：

一文对比RF和微波仿真软件ADS vs. AWR的图3

ADS 2008的“简单”设置图示

对比AWR的设置，才知道什么是“简单”：

一文对比RF和微波仿真软件ADS vs. AWR的图4 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。

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：

一文对比RF和微波仿真软件ADS vs. AWR的图5

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转换。

一文对比RF和微波仿真软件ADS vs. AWR的图6

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：

一文对比RF和微波仿真软件ADS vs. AWR的图7

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。

一文对比RF和微波仿真软件ADS vs. AWR的图8 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：

一文对比RF和微波仿真软件ADS vs. AWR的图9

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。

AWR发展历史

AWR 由 Hughes 的微波设计师 Joe Pekarek 于 1994 年创立，当时，他对市面上的 RF 设计软件感到非常失望。通过一项由 Hughes 赞助的博士计划，Joe 开发了一个早期版本，该版本最终成为 AWR 软件的一部分，也是其论文的一部分。之后，他与同事共同创立了 AWR。这家新公司及其旗舰产品 Microwave Office® 为业界带来了耳目一新的转变，提供了直观的用户界面、集成的原理图捕获/Layout功能，以及创新的设计辅助工具——实时调试功能。

在持续增长的同时，公司于 2011 年被 National Instruments 收购，后者也一直致力于将业务专长扩展到 RF/无线领域。之后，National Instruments 和 Cadence 开始携手制定策略，专注于应对迅速发展的 5G 通信、物联网和航空航天行业带来的技术挑战。National Instruments 与 Cadence 紧密合作，于 2018 年将 AWR 的 AXIEM®软件集成到了 Cadence 的 Virtuoso® RF 环境中。现在AWR公司已经被Cadence从NI公司收购，属于Cadence系统级产品线中重要的RF和微波设计解决方案。

AWR简介

AWR 产品组合作为一个集成的界面在 AWR Design Environment 平台内运行，用于设计输入（原理图/layout）、分析（系统/电路/EM）、优化、良率分析和结果绘图。

公司的旗舰产品 Microwave Office 是一款 RF 电路模拟器，用于开发前端组件，例如功率放大器、低噪声放大器、滤波器、混频器等。

AXIEM 是矩量法 (method-of-moments ，即MoM) 3D 平面电磁分析工具，用于表征（S 参数）无源结构和 RF 互连。AXIEM 现已集成到 Microwave Office 和 Virtuoso RF软件中。

Visual System Simulator™ (VSS) 工具则使用基于行为模型的 RF 和 DSP 模块来支持通信/雷达系统级开发。VSS 支持许多系统分析（预算、ACPR 和 EVM、级联噪声、IP3、频谱）、组件规格/验证和架构设计。凭借符合标准的库和测试平台，VSS 可以用于测试 5G 信号激励的设备。还有其他一些更专业的工具，例如 AntSyn™，可用于天线综合和优化、5G/雷达库等。