本文原刊登于Ansys Blog：《Three’s Company: Simulation, Optimization, and Measurement-Based Modeling Ease RF and Microwave Filter Design》

作者：Shawn Carpenter | Ansys EBU項(xiàng)目總監(jiān)

Chris DeMartino | Modelithics應(yīng)用工程師

編輯整理：羅輝 | Ansys高級(jí)應(yīng)用工程師

天線設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵部分是饋電系統(tǒng)，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是濾波器的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)，從本質(zhì)上講，濾波器是確保頻率的關(guān)鍵。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，濾波器允許所需的頻率和信號(hào)通過(guò)，并濾除不需要的頻率和信號(hào)。

常見的射頻（RF）濾波器類型包括：

• 低通：允許低于截止頻率的頻率通過(guò)

• 高通：允許高于截止頻率的頻率通過(guò)

• 帶通：允許一定范圍內(nèi)的頻率通過(guò)

• 帶阻：阻止一定范圍內(nèi)的頻率通過(guò)

濾波器可以在RF電路板或模塊設(shè)計(jì)中以多種形式實(shí)現(xiàn)，例如離散或“集總”元件（表面安裝組件）、低溫共燒陶瓷（LTCC）、微帶、帶狀線，并且可以整合到集成電路（IC或芯片）中。

在更高頻率下，構(gòu)建濾波器變得更具挑戰(zhàn)性。因?yàn)椋瑸榱舜_定有效濾波器功能設(shè)計(jì)所需的特定值和組件組合，需要極高精度。

在Ansys HFSS 3D高頻電磁（EM）仿真和Ansys Nuhertz FilterSolutions設(shè)計(jì)軟件的幫助下，Modelithics減輕了這一負(fù)擔(dān)。Modelithics為RF、微波和毫米波組件提供了綜合全面的測(cè)量與建模工具，包括Modelithics COMPLETE Library以及與HFSS和Nuhertz無(wú)縫集成的基于測(cè)量的組件模型。

Ansys Nuhertz FilterSolutions 演示

通過(guò)優(yōu)化和關(guān)鍵洞察，這三款工具可顯著加快由分立式電阻、電感和電容（RLC）組件組成的高頻集總元件濾波器的設(shè)計(jì)進(jìn)程。

Ansys HFSS仿真對(duì)發(fā)夾諧振器微帶濾波器（一種帶通濾波器）進(jìn)行了建模。模型上的圖形描述的是地平面的電流，橫截面顯示了沿該平面的磁場(chǎng)（H）幅度，而陣列和流線（底部的箭頭和線）顯示了電場(chǎng)方向

RF濾波器具有非常特殊的印刷電路板（PCB）制造要求，因此需要精心選擇材料。同時(shí)，表面貼裝組件的不一致性也會(huì)使這一挑戰(zhàn)更加復(fù)雜。首先，它們的表現(xiàn)會(huì)因所在電路板而異，因?yàn)槊總€(gè)組件都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的局部電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)可以與電路板耦合并發(fā)生不可預(yù)測(cè)的反應(yīng)。此外，離散組件的容阻感值會(huì)在一定的容差范圍內(nèi)變化，導(dǎo)致器件的標(biāo)稱值并不精確。

Modelithics在這方面起到了很大的作用，它為離散組件值提供了基于測(cè)量的組件模型，以支持其與具有各種尺寸焊盤的不同類型基板進(jìn)行耦合。當(dāng)將組件焊接到電路板上時(shí)，焊盤的尺寸（通常是比傳輸線更寬的一截超短金屬）會(huì)產(chǎn)生重要影響，特別是在較高的頻率下。

Ansys Nuhertz FilterSolutions提供自動(dòng)射頻（RF）、微波和數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)、綜合與優(yōu)化。該軟件基于濾波器性能規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了集總組件和物理濾波器的綜合布局設(shè)計(jì)，并在Ansys HFSS電磁仿真器中自動(dòng)設(shè)置濾波器分析和優(yōu)化

Modelithics為表面貼裝部件提供了綜合模型庫(kù)，可以考慮部件對(duì)濾波器設(shè)計(jì)的影響，從而可以簡(jiǎn)化濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。此外，Modelithics部件庫(kù)將組件表面、基板或電路板作為參數(shù)。這些模型還提供與安裝焊盤尺寸相關(guān)的參數(shù)。

通過(guò)選擇尺寸準(zhǔn)確的組件和材料，您可以更好地了解設(shè)計(jì)，并降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和失敗的可能性。

您可以從Nuhertz或HFSS訪問(wèn)Modelithics庫(kù)。Nuhertz能以直接、無(wú)縫的方式提供自動(dòng)濾波器設(shè)計(jì)、綜合與優(yōu)化。基于濾波器性能規(guī)范，Nuhertz可以綜合設(shè)計(jì)出濾波器上的集總組件，并在HFSS中自動(dòng)設(shè)置濾波器分析和優(yōu)化。

HFSS適用于電磁仿真，可幫助您設(shè)計(jì)和仿真高頻電子產(chǎn)品，例如RF和微波組件、濾波器、連接器、PCB、天線等。首先，對(duì)RLC組件的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行優(yōu)化；然后，優(yōu)化平面互連，以確保離散組件及其互連的電磁耦合都能被考慮到，實(shí)現(xiàn)符合性能規(guī)范的最佳設(shè)計(jì)。如果需要，可以將屏蔽、外殼效應(yīng)和基板邊緣連接器納入整體優(yōu)化中。

Ansys HFSS 3D電磁（EM）仿真使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)Ω哳l電子產(chǎn)品進(jìn)行建模，如：天線、天線陣列、射頻（RF）或微波組件、高速互連、濾波器、連接器、集成芯片（IC）封裝與印刷電路板

HFSS有兩種模式：3D模式和3D Layout模式，后者非常適合處理分層電路板幾何結(jié)構(gòu)問(wèn)題或高速組件（如IC封裝、片上嵌入式無(wú)源組件和PCB互連）的布局問(wèn)題。

此外，HFSS還可以使用現(xiàn)成的3D Component模型進(jìn)行仿真，包括RF連接器和表面貼裝器件（例如芯片電容器和電感器）。3D Component模型包含所有相關(guān)信息，例如材料、幾何結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)參數(shù)和邊界條件，并且可以集成到三維電磁仿真中。許多組件供應(yīng)商向客戶提供HFSS 3D Component，以便客戶可以直接在他們的設(shè)計(jì)中使用這些組件。

Ansys HFSS中的3D Component功能使設(shè)計(jì)人員能夠借助專利加密技術(shù)進(jìn)行隱藏式離散建模

這一獨(dú)立的3D Component功能可以在任一模式（3D或3D Layout）下使用，并可充當(dāng)模型的“黑盒”，將組件內(nèi)部設(shè)計(jì)和材料的細(xì)節(jié)隱藏起來(lái)。

專利加密技術(shù)允許組件提供商隱藏和保護(hù)關(guān)鍵知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP），同時(shí)提供準(zhǔn)確組件用于下游仿真。

例如，制造商可以對(duì)分立式電感或電容等表面貼裝部件進(jìn)行建模，并以無(wú)法看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方式把部件模型交付給他們的客戶。如果另一家制造商正在開發(fā)濾波器并希望使用該模型，他們可以在更大的電路板設(shè)計(jì)環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行仿真，這將是非常有益的。

除了隱私性，它還可以通過(guò)其外部邊界條件實(shí)現(xiàn)與包括其他3D Component在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)之間的電磁耦合，其端口可以與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的導(dǎo)體（如安裝焊盤）進(jìn)行電氣連接。

與許多產(chǎn)品和行業(yè)一樣，射頻/微波濾波器設(shè)計(jì)最大的挑戰(zhàn)之一是確保設(shè)計(jì)在構(gòu)建完成后能夠成功運(yùn)行。物理測(cè)試不僅成本高昂，而且非常耗時(shí)。借助仿真，您可以在創(chuàng)建物理原型之前進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)和測(cè)試，并確保產(chǎn)品的成功。這對(duì)濾波器的大批量生產(chǎn)和保證工藝良率將大有裨益。

大多數(shù)該領(lǐng)域的工程師和設(shè)計(jì)人員都受到兩個(gè)問(wèn)題的困擾：我能否制造100萬(wàn)個(gè)這樣的濾波器并保證其可靠性？在這100萬(wàn)個(gè)濾波器里會(huì)有多少符合規(guī)范？

這是Nuhertz-Modelithics-HFSS工作流程能夠幫助克服的主要挑戰(zhàn)之一，通過(guò)洞察和優(yōu)化，讓工程師和設(shè)計(jì)人員對(duì)他們的設(shè)計(jì)充滿信心。

該工作流程的最大優(yōu)勢(shì)包括設(shè)計(jì)優(yōu)化、自動(dòng)化、提高制造良率、深入了解工藝角和良率、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間以及降低材料成本。

射頻/微波濾波器設(shè)計(jì)人員面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是獲得合適的部件。部件供應(yīng)商僅能提供分立式電感、電容和電阻的標(biāo)準(zhǔn)值。Nuhertz幫助您在考慮標(biāo)準(zhǔn)值的同時(shí)選擇合適的組件，以應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。這是Nuhertz優(yōu)化功能的重要組成部分，幫助找到最接近于您所使用的電路或?yàn)V波器性能要求的標(biāo)準(zhǔn)值組件。同樣有利的是，該軟件還可以深入洞察組件之間的互連將如何影響您的設(shè)計(jì)。

Nuhertz使您能夠快速、高效地綜合設(shè)計(jì)出滿足性能要求的濾波器，然后在HFSS中打開濾波器設(shè)計(jì)，立即進(jìn)行電磁分析和優(yōu)化。你可在Nuhertz和HFSS中訪問(wèn)Modelithics微波全局模型庫(kù)，它提供了一個(gè)非常全面的器件庫(kù)，可在整個(gè)建模過(guò)程中提供精確測(cè)量的組件模型，以確保您的設(shè)計(jì)符合規(guī)范要求。

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