滤波器仿真与优化：加速设计进程的创新之路

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项目总监

Chris DeMartino | Modelithics应用工程师

编辑整理：罗辉 | Ansys高级应用工程师

天线设计的一个关键部分是馈电系统，而系统设计的核心是滤波器的开发和实现，从本质上讲，滤波器是确保频率的关键。简单来说，滤波器允许所需的频率和信号通过，并滤除不需要的频率和信号。

常见的射频（RF）滤波器类型包括：

• 低通：允许低于截止频率的频率通过
• 高通：允许高于截止频率的频率通过
• 带通：允许一定范围内的频率通过
• 带阻：阻止一定范围内的频率通过

滤波器可以在RF电路板或模块设计中以多种形式实现，例如离散或“集总”元件（表面安装组件）、低温共烧陶瓷（LTCC）、微带、带状线，并且可以整合到集成电路（IC或芯片）中。

在更高频率下，构建滤波器变得更具挑战性。因为，为了确定有效滤波器功能设计所需的特定值和组件组合，需要极高精度。

在Ansys HFSS 3D高频电磁（EM）仿真和Ansys Nuhertz FilterSolutions设计软件的帮助下，Modelithics减轻了这一负担。Modelithics为RF、微波和毫米波组件提供了综合全面的测量与建模工具，包括Modelithics COMPLETE Library以及与HFSS和Nuhertz无缝集成的基于测量的组件模型。

通过优化和关键洞察，这三款工具可显著加快由分立式电阻、电感和电容（RLC）组件组成的高频集总元件滤波器的设计进程。

优化滤波器设计

RF滤波器具有非常特殊的印刷电路板（PCB）制造要求，因此需要精心选择材料。同时，表面贴装组件的不一致性也会使这一挑战更加复杂。首先，它们的表现会因所在电路板而异，因为每个组件都会产生一个小的局部电磁场，该电磁场可以与电路板耦合并发生不可预测的反应。此外，离散组件的容阻感值会在一定的容差范围内变化，导致器件的标称值并不精确。

Modelithics在这方面起到了很大的作用，它为离散组件值提供了基于测量的组件模型，以支持其与具有各种尺寸焊盘的不同类型基板进行耦合。当将组件焊接到电路板上时，焊盘的尺寸（通常是比传输线更宽的一截超短金属）会产生重要影响，特别是在较高的频率下。

Modelithics为表面贴装部件提供了综合模型库，可以考虑部件对滤波器设计的影响，从而可以简化滤波器优化设计流程。此外，Modelithics部件库将组件表面、基板或电路板作为参数。这些模型还提供与安装焊盘尺寸相关的参数。

通过选择尺寸准确的组件和材料，您可以更好地了解设计，并降低设计风险和失败的可能性。

您可以从Nuhertz或HFSS访问Modelithics库。Nuhertz能以直接、无缝的方式提供自动滤波器设计、综合与优化。基于滤波器性能规范，Nuhertz可以综合设计出滤波器上的集总组件，并在HFSS中自动设置滤波器分析和优化。

HFSS适用于电磁仿真，可帮助您设计和仿真高频电子产品，例如RF和微波组件、滤波器、连接器、PCB、天线等。首先，对RLC组件的标准值进行优化；然后，优化平面互连，以确保离散组件及其互连的电磁耦合都能被考虑到，实现符合性能规范的最佳设计。如果需要，可以将屏蔽、外壳效应和基板边缘连接器纳入整体优化中。

HFSS有两种模式：3D模式和3D Layout模式，后者非常适合处理分层电路板几何结构问题或高速组件（如IC封装、片上嵌入式无源组件和PCB互连）的布局问题。

此外，HFSS还可以使用现成的3D Component模型进行仿真，包括RF连接器和表面贴装器件（例如芯片电容器和电感器）。3D Component模型包含所有相关信息，例如材料、几何结构、设计参数和边界条件，并且可以集成到三维电磁仿真中。许多组件供应商向客户提供HFSS 3D Component，以便客户可以直接在他们的设计中使用这些组件。

这一独立的3D Component功能可以在任一模式（3D或3D Layout）下使用，并可充当模型的“黑盒”，将组件内部设计和材料的细节隐藏起来。

专利加密技术允许组件提供商隐藏和保护关键知识产权（IP），同时提供准确组件用于下游仿真。

例如，制造商可以对分立式电感或电容等表面贴装部件进行建模，并以无法看到内部结构的方式把部件模型交付给他们的客户。如果另一家制造商正在开发滤波器并希望使用该模型，他们可以在更大的电路板设计环境中对其进行仿真，这将是非常有益的。

除了隐私性，它还可以通过其外部边界条件实现与包括其他3D Component在内的基础设计之间的电磁耦合，其端口可以与基础设计中的导体（如安装焊盘）进行电气连接。

联合工作流程应对设计挑战

与许多产品和行业一样，射频/微波滤波器设计最大的挑战之一是确保设计在构建完成后能够成功运行。物理测试不仅成本高昂，而且非常耗时。借助仿真，您可以在创建物理原型之前进行虚拟设计和测试，并确保产品的成功。这对滤波器的大批量生产和保证工艺良率将大有裨益。

大多数该领域的工程师和设计人员都受到两个问题的困扰：我能否制造100万个这样的滤波器并保证其可靠性？在这100万个滤波器里会有多少符合规范？

这是Nuhertz-Modelithics-HFSS工作流程能够帮助克服的主要挑战之一，通过洞察和优化，让工程师和设计人员对他们的设计充满信心。

该工作流程的最大优势包括设计优化、自动化、提高制造良率、深入了解工艺角和良率、缩短产品上市时间以及降低材料成本。

射频/微波滤波器设计人员面临的另一个挑战是获得合适的部件。部件供应商仅能提供分立式电感、电容和电阻的标准值。Nuhertz帮助您在考虑标准值的同时选择合适的组件，以应对这一挑战。这是Nuhertz优化功能的重要组成部分，帮助找到最接近于您所使用的电路或滤波器性能要求的标准值组件。同样有利的是，该软件还可以深入洞察组件之间的互连将如何影响您的设计。

为设计找到合适的工具

Nuhertz使您能够快速、高效地综合设计出满足性能要求的滤波器，然后在HFSS中打开滤波器设计，立即进行电磁分析和优化。你可在Nuhertz和HFSS中访问Modelithics微波全局模型库，它提供了一个非常全面的器件库，可在整个建模过程中提供精确测量的组件模型，以确保您的设计符合规范要求。