HFSS实战案例:射频衰减器的精准仿真与优化策略

01摘要


射频衰减器是一种提供衰减的电子元器件, 广泛地应用于电子设备中


它的主要用途是:

  1. 调整电路中信号的大小;
  2. 在比较法测量电路中,可用来直读被测网络的衰减值;

此次仿真的目的,是通过仿真提供该衰减器在最大衰减和最小衰减2种配置下的插入损耗和回波损耗数据,并同时提供对衰减器附近走线进行调整优化之后的仿真结果。



02HFSS仿真思路与流程


01仿真思路

通过IC DATASHEET上获得衰减器内IC本身在最大衰减和最小衰减状态下的插入损耗和回波损耗,提供该衰减器在最大衰减和最小衰减2种配置下的插入损耗和回波损耗数据,并同时提供对衰减器附近走线进行调整优化之后的仿真结果。此方法使用HFSS 2020R2版本,并配合Circuit求解器进行场路协同仿真。



02仿真流程

2.2.1仿真数据准备

仿真数据准备主要是获得射频衰减IC本身在最大衰减和最小衰减状态下的插入损耗和回波损耗,该数据可以从IC DATASHEET上查询到,然后通过Excel将该DATASHEET上的数据制作成可以被仿真软件使用的S参数文件,制作完成的S参数如图1和图2所示:      

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图1 最大衰减模式下IC的S参数


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图2 最小衰减模式下IC的S参数

2.2.2 CAD模型导入

将客户提供的衰减器的CAD模型导入到HFSS,并经过必要的几何修复和调整,并设定相应的材料属性,得到如图3所示的HFSS仿真模型

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图3 衰减器CAD模型

2.2.3  仿真端口设置

在CAD模型的同轴输入端和IC的焊盘端分别设定Port, 并设定仿真频率为7GHz到50GHz,得到如图4所示的衰减器LAYOUT的S参数.

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图4 衰减器LAYOUT通道的S参数


将图4的S参数与IC本身的S参数在Circuit中进行组合(图5),形成最终完整的通道并进行Linear Network Analysis,得到衰减器的完整S参数特性,分别如图6和图7所示

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图5 在Circuit中组件完整衰减器通道


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图6 衰减器完整通道的S参数(最大衰减配置)


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图7 衰减器完整通道的S参数(最小衰减配置)

2.2.4仿真结果分析及优化

从图6和图7的结果来看,组装完成后的全通道S参数与IC本身的S参数相比,在39GHz和49GHz这2个频点附近性能恶化较多。所以对LAYOUT本身和盒子结构做适当改进,下面是选择的2条改进手段:

l增加若干地过孔(图8)

l改变IC上方空腔形状(图9)
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图8 增加的地过孔


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图9 改变IC上方腔体形状


03仿真结果与效果分析

经过上述步骤优化之后,再次进行仿真,得到的最终衰减器全通道S参数如图10和图11所示,可以看到在39GHz和49GHz处有明显改变。

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图10 优化后最大衰减配置下的全通道S参数


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图11 优化后最小衰减配置下的全通道S参数



04投入资源与时间

此次运算运用3核计算(没有使用HPC模块),用时01:28:37

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05结论

  • ANSYS HFSS可以实现从建模到仿真以及多目标优化的全过程设计,大大提高了设计效率,缩短研发周期;
  • ANSYS HFSS解决方案可解决衰减器设计流程中可能遇到的频点性能恶化的情况,并针对问题频点进行性能优化;
  • 利用ANSYS HFSS完整的虚拟原型设计,从而提升研发设计能力,有效指导新产品的研发设计,节省产品开发成本。





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