邊緣濾波器設(shè)計的案例
基于HFSS軟件的濾波器設(shè)計
濾波器概述
1.濾波器分類
微波濾波器有很多種類型，按照傳輸線模式來分，可以分為介質(zhì)濾波器、同軸濾波器、共面波導(dǎo)濾波器、微帶線濾波器等；按照傳遞函數(shù)可分為巴特沃茲、切比雪夫、貝塞爾、橢圓和高斯等；按照元件類型可分為無源、有源、集總參數(shù)、分布參數(shù)、晶體濾波器等。
除了上述幾種分類方法之外，濾波器最常見的分類方法是按照頻響分類，有低通、高通、帶通和帶阻四種基本的類型。如下圖所示，每一種類型都可以由其對應(yīng)的低通原型通過頻率變換得到。
圖1 按照頻率響應(yīng)分類的濾波器
濾波器仿真
１.設(shè)計指標與原理
本文設(shè)計了一款五階發(fā)夾型微帶帶通濾波器，并對其參數(shù)進行優(yōu)化。濾波器工作在X波段的中心頻率為 10GHz；通帶絕對帶寬大于 1GHz；帶內(nèi)最大衰減0.5dB，起伏小于1dB，S11<-20dB，端口采用50歐姆匹配。
與其他微波濾波器形式相比，發(fā)夾濾波器更為常見，它是在半波長諧振器的基礎(chǔ)上引申變形得到，其結(jié)構(gòu)更加緊湊，小型化是其特點之一。變形的方法也比較簡單，即將半波長諧振器的臂折疊，構(gòu)成一個U字形，這樣會出現(xiàn)兩個臂，且臂與臂之間的間距與彎折程度有關(guān)，但是兩臂之長加上間距的總長度依然約等于二分之一波長。這樣彎折后，原本在一個方向上 的二分之一諧振器長度就可以縮短接近一半，所以濾波器的整體面積得到了減小。而且這種 結(jié)構(gòu)不需要過孔接地，便于加工。
圖２ 平行耦合線
發(fā)夾型帶通濾波器是在平行耦合濾波器的基礎(chǔ)上彎折得到，因此平行耦合帶通濾波器的研究方法對普通發(fā)夾濾波器同樣適用。發(fā)夾型濾波器的饋電方式主要有兩種：(1)平行耦合饋電方式；(2)抽頭式饋電方式。
展開 04 使用python設(shè)計模擬濾波器
(1, 2, 500))
plt.plot(w, 20 * np.log10(abs(h)))
plt.xlabel('angular fre [rad/s]')
plt.ylabel('response [dB]')
plt.grid()
帶阻濾波器
import numpy as np
import scipy.signal as sig
import matplotlib.pyplot as plt
N, Wn = sig.ellipord([15,75], [20,70], 3, 30, analog=True)
b, a = sig.ellip(N,3,30,Wn, 'bandstop', analog=True)
w, h = sig.freqs(b, a, np.logspace(1, 2, 500))
plt.plot(w, 20 * np.log10(abs(h)))
plt.xlabel('angular fre [rad/s]')
plt.ylabel('response [dB]')
plt.grid()
05 以上函數(shù)也可以設(shè)計數(shù)字濾波器，將analog=false，查看頻響用freqz，即可；
另外，數(shù)字濾波器還有兩個特別類型：陷波濾波器（點阻），共振濾波器（點通）
陷波濾波器
import numpy as np
import scipy.signal as sig
import matplotlib.pyplot as plt
b,a=sig.iirnotch(60,30,512)
w,h=sig.freqz(b,a,fs=512)
plt.plot(w,20*np.log10(abs(h)))
plt.xlabel('Hz')
plt.ylabel('dB')
plt.grid
展開 干貨 | ANSYS濾波器設(shè)計模塊功能介紹
濾波器是現(xiàn)代通信、雷達等技術(shù)中的核心元件，是可以實現(xiàn)低通、高通、帶通和帶阻等頻率選擇功能的二端口元件。對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。ANSYS電子設(shè)計桌面下有專門的濾波器仿真功能模塊，按照信號頻段提供低通、高通、帶通和帶阻濾波器的多種拓撲綜合。
本文主要介紹ANSYS濾波器設(shè)計模塊。打開ANSYS Electronics Desktop 2017，點擊Project 菜單下的Insert Filter Design模塊，打開操作界面。
展開 05 使用python設(shè)計模擬濾波器（2）
，讀者可以自行嘗試
02 iirdesign的使用
iirdesign帶通（等效butter）
import numpy as np
import scipy.signal as sig
import matplotlib.pyplot as plt
b,a = sig.iirdesign([20, 50], [14, 60], 3, 40, ftype='butter',analog=True)
w, h = sig.freqs(b, a, np.logspace(1, 2, 500))
plt.plot(w, 20 * np.log10(abs(h)),c='red')
plt.xlabel('angular fre [rad/s]')
plt.ylabel('response [dB]')
plt.grid()
iirdesign帶通（等效ellip）
import numpy as np
import scipy.signal as sig
import matplotlib.pyplot as plt
b,a= sig.iirdesign([20, 50], [14, 60], 3, 40, ftype='ellip',analog=True)
w, h = sig.freqs(b, a, np.logspace(1, 2, 500))
plt.plot(w, 20 * np.log10(abs(h)),c='red')
plt.xlabel('angular fre [rad/s]')
plt.ylabel('response [dB]')
對于，ftype='cheby1'; 'cheby2'，以及低通，高通，帶阻濾波器，讀者可以自行嘗試
展開 
濾波器 | 仿真、優(yōu)化和基于測量的建模顯著加快設(shè)計進程
該軟件基于濾波器性能規(guī)范，實現(xiàn)了集總組件和物理濾波器的綜合布局設(shè)計，并在Ansys HFSS電磁仿真器中自動設(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，可以考慮部件對濾波器設(shè)計的影響，從而可以簡化濾波器優(yōu)化設(shè)計流程。此外，Modelithics部件庫將組件表面、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)。
通過選擇尺寸準確的組件和材料，您可以更好地了解設(shè)計，并降低設(shè)計風(fēng)險和失敗的可能性。
您可以從Nuhertz或HFSS訪問Modelithics庫。Nuhertz能以直接、無縫的方式提供自動濾波器設(shè)計、綜合與優(yōu)化。基于濾波器性能規(guī)范，Nuhertz可以綜合設(shè)計出濾波器上的集總組件，并在HFSS中自動設(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RLC組件的標準值進行優(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，實現(xiàn)符合性能規(guī)范的最佳設(shè)計。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)計人員能夠?qū)Ω哳l電子產(chǎn)品進行建模，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)問題或高速組件（如IC封裝、片上嵌入式無源組件和PCB互連）的布局問題。
展開 一款具有94%超高效率、22mA超低靜態(tài)電流及無濾波器設(shè)計的高性能D類音頻放大器-IML6602
音頻功率放大器在每個產(chǎn)生可聽聲音的系統(tǒng)中都起著至關(guān)重要的作用。如今模擬音頻電源轉(zhuǎn)換的創(chuàng)新周期已經(jīng)成熟，幾乎沒有任何任何技術(shù)難度就可以實現(xiàn)，這就是D類音頻功率放大器發(fā)揮作用的地方。D類功率放大器技術(shù)才剛剛開始發(fā)展，這些技術(shù)具有提供更高效率和音頻性能的巨大潛力，使音頻產(chǎn)品更可靠、質(zhì)量更高、尺寸更小、成本更低。
音頻放大器的目標是在產(chǎn)生聲音的輸出單元再生輸入的音頻信號，要求輸出具有期望的音量和功率電平，再生過程忠實、有效且失真低，音頻的頻率范圍從20Hz到20kHz，所以，放大器必須在這個頻段具有良好的頻率響應(yīng)(如果驅(qū)動帶限揚聲器，如重低音或高音揚聲器則較差)。
D類功率放大器的輸出晶體管級作為電子開關(guān)運行，并且沒有像其他放大器那樣的線性增益。D類功率放大器通過接收傳入的模擬輸入信號并生成PWM或PDM開始工作。然后它將輸入信號轉(zhuǎn)換為脈沖流。這是一種主要放大MOSFET和晶體管的放大器，因此，可以說一個典型的D類功放由兩個輸出MOSFET、一個脈寬調(diào)制器和一個外部低通濾波器組成，用于
工采網(wǎng)代理的D類音頻放大器-iML6602，這是款2×30W立體聲/單通道60W輸出的高性能芯片，采用雙通道架構(gòu)，可在24V供電THD+N=10%條件下，BTL模式能持續(xù)提供2*30W/8Ω功率輸出；PBTL（單通道）模式能夠持續(xù)提供60W/4Ω功率輸出，同時管腳能兼容替代TPA3118，無需修改電路設(shè)計，無需修改PCB布局。以94%超高效率、22mA超低靜態(tài)電流及無濾波器設(shè)計，為藍牙音箱、Soundbar、電視音響等設(shè)備提供“高保真+低功耗”的終極解決方案。
展開 熱門直播 | Ansys HFSS + SynMatrix：AI 驅(qū)動的低損耗平面濾波器設(shè)計與優(yōu)化
在高速發(fā)展的無線通信、衛(wèi)星系統(tǒng)與毫米波應(yīng)用中，平面濾波器已成為射頻與微波工程的核心組件。如何在緊湊設(shè)計、低損耗與高性能之間取得平衡，是工程師們面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
作為一款完全集成于 Ansys HFSS 的射頻濾波器設(shè)計與優(yōu)化平臺，SynMatrix 提供端到端的一體化解決方案，可實現(xiàn)自動 3D 建模與智能優(yōu)化：AI 驅(qū)動濾波器綜合與參數(shù)提取，設(shè)計效率提升 50%以上；無縫 HFSS 集成：輕松實現(xiàn)高精度仿真與快速驗證；制造調(diào)諧輔助：顯著降低人工依賴，加速生產(chǎn)進程；適配 5G/6G 與毫米波應(yīng)用：滿足更高頻段設(shè)計需求，提升靈敏度與性能。
11月20日，Ansys總部將推出網(wǎng)絡(luò)研討會「Ansys HFSS + SynMatrix：AI 驅(qū)動的低損耗平面濾波器設(shè)計與優(yōu)化」，將帶您深入了解 Ansys HFSS 與 SynMatrix的強強聯(lián)合如何重塑濾波器設(shè)計流程——通過 AI 驅(qū)動優(yōu)化與自動化工作流程，大幅加速濾波器研發(fā)周期，幫助工程師實現(xiàn)更快、更準、更具競爭力的設(shè)計。歡迎感興趣的用戶注冊參會，詳細了解如何借助 Ansys HFSS + SynMatrix，用智能仿真與自動化工作流程打造下一代低損耗平面濾波器。
展開 HFSS高性能平行耦合微帶帶通濾波器設(shè)計與仿真攻略
圖2.3 ADS電路原理圖
圖2.4 ADS電路原理圖仿真S參數(shù)曲線響應(yīng)
由圖 2.4 可知，該帶通濾波器中心頻率為2.55GHz，插入損耗 S21滿足指標，但回波損耗S11在2.5GHz低于15dB及阻帶衰減都沒有滿足要求，顯然無法滿足濾波器指標，因此我們需要對平行耦合帶通濾波器進行優(yōu)化設(shè)計。
平行耦合帶通濾波器優(yōu)化仿真設(shè)計
在平行耦合帶通濾波器的仿真優(yōu)化中，S參數(shù)是衡量濾波器性能好壞的的重要指標，S參數(shù)中包括S11和S21。S11為反射系數(shù)，也就是回波損耗，S21為傳輸系數(shù)，也就是插入損耗。本節(jié)中設(shè)定優(yōu)化參數(shù) S21大于-1.5dB，S11小于-15dB。接下來將在 ADS 仿真軟件的原理圖中對平行耦合帶通濾波器進行優(yōu)化。
本節(jié)設(shè)計的平行耦合帶通濾波器有5對耦合節(jié)(6個階梯)，主要的優(yōu)化參數(shù)為微帶線的長 L、寬W和間距S。經(jīng)多次參數(shù)優(yōu)化后，最終得到平行耦合微帶帶通濾波器的具體尺寸，如表 2.4 所示,優(yōu)化后的原理圖如圖2.5所示。
圖2.5 ADS優(yōu)化后的電路圖與尺寸
從表2.4中可以看出，優(yōu)化后的每組微帶線間距S與長度L與前面通過公式計算出的理論值不同，這是由于平行耦合微帶線存在線間邊緣效應(yīng)，從而影響了各個參數(shù)的計算。經(jīng)過ADS電路優(yōu)化后的濾波器S參數(shù)如圖2.6所示。
展開 從離散時間系統(tǒng)到 FIR 濾波器設(shè)計：探索 Wolfram U 的新 MOOC 中的信號處理
例如，萊昂哈德·歐拉（正式發(fā)現(xiàn)了許多類型的微分方程的求解方法，特別是電氣工程師用來模擬電路的一類，這樣工程師可以分析、模擬和設(shè)計電路。讓·巴普蒂斯·傅立葉發(fā)起了對傅立葉級數(shù)的研究，最終發(fā)展為傅立葉和調(diào)和分析。傅立葉變換，無論是連續(xù)時間還是離散時間，都在本課程中發(fā)揮了重要作用。然后是皮埃爾-西蒙·拉普拉斯，他介紹了一種強大的積分變換，它現(xiàn)在是系統(tǒng)分析和一類重要電氣、機械和化學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的基本工具。最后，本課程非常重要的是采樣定理，它以哈里·奈奎斯特 和克勞德·香農(nóng)的名字命名，他們的工作彌合了連續(xù)時間和離散時間信號和系統(tǒng)之間的缺口，并開創(chuàng)了當今信號處理的時代。
概覽
參加本課程的學(xué)生將獲得關(guān)于信號、線性系統(tǒng)和信號處理相關(guān)內(nèi)容的一般大學(xué)難度水平的介紹。因此，連續(xù)時間和離散時間信號和系統(tǒng)都包含在內(nèi)且以并行形式呈現(xiàn)，利用了它們之間的許多相似之處，偶爾也會有重要差異。本課程從基本信號和信號運算開始，然后對線性時不變系統(tǒng)的特性進行基本介紹。然后是系統(tǒng)的時域分析（微分和差分方程、系統(tǒng)響應(yīng)和卷積）、頻域分析（傅里葉級數(shù)、傅里葉變換和線性時不變系統(tǒng)的頻率響應(yīng)）以及拉普拉斯和 z-變換。最后，介紹最重要的抽樣主題。本課程以模擬和數(shù)字濾波器設(shè)計的總結(jié)作為結(jié)束。
以下是一些課程主題的預(yù)覽（顯示在左側(cè)欄中）：
我們假設(shè)學(xué)生熟悉大學(xué)水平難度的代數(shù)、三角學(xué)、復(fù)變量和基本微積分。
展開 使用多物理場仿真預(yù)測熱漂移，優(yōu)化微波濾波器設(shè)計
為了方便比較不同的設(shè)計對濾波器性能的影響，我們構(gòu)建了兩個不同的模型：
只包含銅盒的設(shè)計
包含銅盒和鋼圓柱體的設(shè)計
微波腔體濾波器的幾何結(jié)構(gòu)。
當外部加熱、周圍電子設(shè)備的功率消耗等因素導(dǎo)致腔體壁的溫度均勻升高時，就會發(fā)生熱膨脹以及由此引起的特征頻率偏移現(xiàn)象。在本文中，我們利用“結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊”中的固體力學(xué) 接口來模擬熱膨脹。熱膨脹導(dǎo)致濾波器的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，這一點可通過變形接口 進行分析。扭曲的形狀則用于電磁分析。
為了對微波腔體進行特征頻率分析，我們選擇使用“RF 模塊”中的三維電磁波，頻域 接口。在下一節(jié)中，我們一起查看相關(guān)的研究結(jié)果。
研究熱漂移對微波濾波器的影響
利用銅濾波器的設(shè)計，我們計算了濾波器的熱膨脹，并進行了電磁共振模態(tài)分析。基于分析，我們能夠確定濾波器的最低特征頻率和圓柱的標準四分之一波長的諧振頻率。仔細觀察結(jié)果，我們在圓柱體頂部及其與銅盒的相鄰面之間發(fā)現(xiàn)了一處強烈的電容耦合。
上圖：當溫度為 100°C（超過參考溫度）時的熱膨脹。下圖：電磁模態(tài)分析描述了基本模式的表面電流分布圖和電場。
接下來，我們多次修改工作溫度，并重復(fù)進行力學(xué)與電磁分析，然后利用得到的數(shù)據(jù)繪制特征頻率隨溫度變化的曲線。根據(jù)繪圖，我們可以對比只包含銅盒與同時包含銅盒和鋼圓柱體的濾波器設(shè)計。
銅濾波器設(shè)計和銅-鋼濾波器的特征頻率隨溫度變化的曲線。
結(jié)果表明同時包含銅和鋼的設(shè)計方案表現(xiàn)更加出色。這是因為兩種材料擁有不同的熱膨脹系數(shù)，所以圓柱體頂部和銅盒相鄰面之間的電容耦合減少了。電容耦合對特征頻率的影響很大，當電容耦合減少時，它能抵消腔體總體尺寸增大產(chǎn)生的影響。
此外，在銅-鋼濾波器設(shè)計中，我們可以利用溫度驅(qū)動來調(diào)整圓柱體底部和銅盒之間的距離，從而抵消大部分熱漂移。
來源：COMSOL
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