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
2023-03-24
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項目總監(jiān)Chris DeMartino | Modelithics應用工程師編輯整理：羅輝 | Ansys高級應用工程師天線設(shè)計的一個關(guān)鍵部分是饋電系統(tǒng)，而系統(tǒng)設(shè)計的核心是濾波器的開發(fā)和實現(xiàn)，從本質(zhì)上講，濾波器是確保頻率的關(guān)鍵。簡單來說，濾波器允許所需的頻率和信號通過，并濾除不需要的頻率和信號。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高通：允許高于截止頻率的頻率通過帶通：允許一定范圍內(nèi)的頻率通過帶阻：阻止一定范圍內(nèi)的頻率通過濾波器可以在RF電路板或模塊設(shè)計中以多種形式實現(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。因為，為了確定有效濾波器功能設(shè)計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)計軟件的幫助下，Modelithics減輕了這一負擔。Modelithics為RF、微波和毫米波組件提供了綜合全面的測量與建模工具，包括Modelithics COMPLETE Library以及與HFSS和Nuhertz無縫集成的基于測量的組件模型。4Ansys Nuhertz FilterSolutions 演示通過優(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)計進程。Ansys HFSS仿真對發(fā)夾諧振器微帶濾波器（一種帶通濾波器）進行了建模。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（H）幅度，而陣列和流線（底部的箭頭和線）顯示了電場方向優(yōu)化濾波器設(shè)計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，表面貼裝組件的不一致性也會使這一挑戰(zhàn)更加復雜。首先，它們的表現(xiàn)會因所在電路板而異，因為每個組件都會產(chǎn)生一個小的局部電磁場，該電磁場可以與電路板耦合并發(fā)生不可預測的反應。此外，離散組件的容阻感值會在一定的容差范圍內(nèi)變化，導致器件的標稱值并不精確。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行耦合。當將組件焊接到電路板上時，焊盤的尺寸（通常是比傳輸線更寬的一截超短金屬）會產(chǎn)生重要影響，特別是在較高的頻率下。Ansys Nuhertz FilterSolutions提供自動射頻（RF）、微波和數(shù)字濾波器的設(shè)計、綜合與優(yōu)化。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。此外，HFSS還可以使用現(xiàn)成的3D Component模型進行仿真，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。許多組件供應商向客戶提供HFSS 3D Component，以便客戶可以直接在他們的設(shè)計中使用這些組件。Ansys HFSS中的3D Component功能使設(shè)計人員能夠借助專利加密技術(shù)進行隱藏式離散建模這一獨立的3D Component功能可以在任一模式（3D或3D Layout）下使用，并可充當模型的“黑盒”，將組件內(nèi)部設(shè)計和材料的細節(jié)隱藏起來。專利加密技術(shù)允許組件提供商隱藏和保護關(guān)鍵知識產(chǎn)權(quán)（IP），同時提供準確組件用于下游仿真。例如，制造商可以對分立式電感或電容等表面貼裝部件進行建模，并以無法看到內(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)計環(huán)境中對其進行仿真，這將是非常有益的。除了隱私性，它還可以通過其外部邊界條件實現(xiàn)與包括其他3D Component在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)計之間的電磁耦合，其端口可以與基礎(chǔ)設(shè)計中的導體（如安裝焊盤）進行電氣連接。聯(lián)合工作流程應對設(shè)計挑戰(zhàn)與許多產(chǎn)品和行業(yè)一樣，射頻/微波濾波器設(shè)計最大的挑戰(zhàn)之一是確保設(shè)計在構(gòu)建完成后能夠成功運行。物理測試不僅成本高昂，而且非常耗時。借助仿真，您可以在創(chuàng)建物理原型之前進行虛擬設(shè)計和測試，并確保產(chǎn)品的成功。這對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)計人員都受到兩個問題的困擾：我能否制造100萬個這樣的濾波器并保證其可靠性？在這100萬個濾波器里會有多少符合規(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，通過洞察和優(yōu)化，讓工程師和設(shè)計人員對他們的設(shè)計充滿信心。該工作流程的最大優(yōu)勢包括設(shè)計優(yōu)化、自動化、提高制造良率、深入了解工藝角和良率、縮短產(chǎn)品上市時間以及降低材料成本。射頻/微波濾波器設(shè)計人員面臨的另一個挑戰(zhàn)是獲得合適的部件。部件供應商僅能提供分立式電感、電容和電阻的標準值。Nuhertz幫助您在考慮標準值的同時選擇合適的組件，以應對這一挑戰(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濾波器性能要求的標準值組件。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。為設(shè)計找到合適的工具Nuhertz使您能夠快速、高效地綜合設(shè)計出滿足性能要求的濾波器，然后在HFSS中打開濾波器設(shè)計，立即進行電磁分析和優(yōu)化。你可在Nuhertz和HFSS中訪問Modelithics微波全局模型庫，它提供了一個非常全面的器件庫，可在整個建模過程中提供精確測量的組件模型，以確保您的設(shè)計符合規(guī)范要求。（文章來源公眾號：Ansys）+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++關(guān)于億道電子上海億道電子技術(shù)有限公司是國內(nèi)資深的研發(fā)工具軟件提供商，公司成立于2009年，面向中國廣大的制造業(yè)客戶提供研發(fā)、設(shè)計、管理過程中使用的各種軟件開發(fā)工具，致力于幫助客戶提高研發(fā)管理效率、縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，提升產(chǎn)品可靠性。十多年來，先后與ARM、Altium、Ansys、QT、Green Hills、Minitab、EPLAN、QA Systems、OpenText、Visu-IT、HighTec、PLS、Ashling、MSC Software、Autodesk、Source Insight、IncrediBuild、Lauterbach、Adobe、Testplant、TeamEDA等多家全球知名公司建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，并作為他們在中國區(qū)的主要分銷合作伙伴服務了數(shù)千家中國本土客戶，為客戶提供從芯片級開發(fā)工具、EDA設(shè)計工具、軟件編譯以及測試工具、結(jié)構(gòu)設(shè)計工具、仿真工具、電氣設(shè)計工具、以及嵌入式GUI工具等等。億道電子憑借多年的經(jīng)驗積累，真正的幫助客戶實現(xiàn)了讓研發(fā)更簡單、更可靠、更高效的目標。歡迎關(guān)注“億道電子”公眾號了解更多研發(fā)工具軟件知識
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