射频分布参数滤波器的仿真

射频EDA仿真软件介绍射频EDA（Electronic Design Automation）是一种用于射频芯片设计和仿真的软件工具，它通过电磁场仿真和电路仿真等功能，可以帮助设计者优化射频电路的性能和可靠性。

本文将介绍几款常用的射频EDA仿真软件。

1. ADS（Advanced Design System）ADS是美国Keysight（前身为安捷伦科技）推出的一款强大的射频和微波电路设计和仿真工具。

它包含了多种电路仿真方法，如基于S参数的线性仿真、基于混合EM的电磁仿真和基于直接时间域的高速数字仿真等。

ADS还内置了丰富的器件模型和库，方便用户进行仿真和优化。

此外，ADS还支持与SI/PI和系统仿真软件的集成，使得整个设计流程更加高效。

2. HFSS（High Frequency Structure Simulator）HFSS是美国ANSYS公司开发的一种基于有限元分析（FiniteElement Analysis）的高性能电磁场仿真软件。

它主要用于射频和微波领域，可以模拟复杂的电磁场分布和信号传输。

HFSS具有优异的求解速度和准确度，并且支持多种仿真技术，如频域仿真、时域仿真和混合仿真等。

此外，HFSS还提供了强大的后处理功能，可以用于绘制场强分布图、辐射图和散射参数图等。

3. CST Studio SuiteCST Studio Suite是德国CST公司开发的一款电磁场仿真软件套件，广泛应用于射频、天线和微波电路的设计和仿真。

CST基于有限差分时域（FDTD）方法，具有较高的计算速度和较低的内存占用。

CST StudioSuite提供了丰富的建模功能和后处理工具，可以实现多尺度建模、参数扫描和优化等操作。

此外，CST还支持与ADS和HFSS等软件的数据交换，方便不同工具之间的协同设计和分析。

4. AWR Microwave OfficeAWR Microwave Office是美国National Instruments（前身为奇美电子）开发的一款射频和微波电路设计软件。

第8卷 第6期信息与电子工程Vo1．8，No．6 2010年12月INFORMATION AND ELECTRONIC ENGINEERING Dec．，2010文章编号：1672-2892(2010)06-0712-05一种射频体声波滤波器的版图设计与仿真顾 立，钟 毅(武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉 430070)摘要：射频体声波滤波器品质因子高，尺寸小，其性能已超过声表面波滤波器，将其替代传统的射频滤波器极具性能和价格优势。

本文建立了适用于体声波滤波器性能分析的巴特沃斯—范戴克(MBVD)模型，采用梯形级联方式设计了一种射频体声波滤波器的版图。

在此基础上以中心频率为1.99GHz，带宽56MHz的体声波滤波器为例，对不同连接级数梯形滤波器的插入损耗、阻带抑制进行了仿真与分析讨论，在4阶滤波器中其带外衰减达到了-29.708dB。

采用微机电机械系统工艺制备的2阶和3阶滤波器传输特性的测试曲线与仿真结果基本吻合，表明射频体声波滤波器具有广泛的应用前景。

该模拟结果可作为射频体声波滤波器设计的一个重要参考。

关键词：体声波滤波器；梯形滤波器；通信系统；频率特性中图分类号：TN713 文献标识码：ALayout design and simulation of a radio frequency bulk acoustic wave filterGU Li，ZHONG Yi(School of Information Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430070，China)Abstract：Bulk acoustic wave filter fabricated by Complementary Metal Oxide Semiconductor(CMOS) is of high-quality factor and small size，which is better than Surface Acoustic Wave(SAW) Bulk acousticwave filters. It has been used to take the place of conventional Radio Frequency(RF) filters for itsoutstanding performance and price advantage. The Modified Butterworth-Van Dyke(MBVD) model wasbuilt to analyze the frequency response of bulk acoustic wave filters. A kind of ladder RF bulk acousticwave filter layout was designed. Based on the layout of the filter，the frequency characteristics of thevaried ladder filters centering on 1.99GHz with bandwidth 56MHz were simulated by MBVD model andthe out band attention of 4-order filter was about -29.708dB. The tested transmission characteristics of2-order and 3-order ladder filters fabricated by Micro Electro Mechanical Systems(MEMS) agreed well tothe simulation results which indicated the broad application. The simulation results can provide areference for designing the bulk acoustic wave filter.Key words：bulk acoustic wave filter；ladder filter；communication system；frequency characteristics随着无线通信技术，特别是第3代通信系统和蓝牙技术的快速发展，主流通信频段日益拥挤，这就需要更多的通信信道满足不断增加的通信用户，而这些信道必须具有较小的带宽[1]。

一．滤波器的基本原理滤波器的基础是谐振电路，它是一个二端口网络，对通带内频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进行发射衰减，从而实现信号频谱过滤功能。

典型的频率响应包括低通、高通、带通和带阻特性。

镜像参量法和插入损耗法是设计集总元件滤波器常用的方法。

对于微波应用，这种设计通常必须变更到由传输线段组成的分布元件。

Richard变换和Kuroda恒等关系提供了这个手段。

在滤波器中，通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性，即L A=10lg P inP LdB；在该式中，Pin 和PL分别为输出端匹配负载时的滤波器输入功率和负载吸收功率。

为了描述衰减特性与频率的相关性，通常使用数学多项式逼近方法来描述滤波器特性，如巴特沃兹、切比雪夫、椭圆函数型、高斯多项式等。

滤波器设计通常需要由衰减特性综合出滤波器低通原型，再将原型低通滤波器转换到要求设计的低通、高通、带通、带阻滤波器，最后用集总参数或分布参数元件实现所设计的滤波器。

滤波器低通原型为电感电容网络。

其中，元件数和元件参数只与通带结束频率、衰减和阻带起始频率、衰减有关。

设计中都采用表格而不用繁杂的计算公式。

表1-1列出了巴特沃兹滤实际设计中，首先需要确定滤波器的阶数，这通常由滤波器阻带某一频率处给定的插入损耗制约。

图1-1所示为最平坦滤波器原型衰减与归一化频率的关系曲线。

图1.1 最大平坦滤波器原型的衰减与归一化频率的关系曲线二、S参量的描述高频S参量和T参量用于表征射频/微波频段二端口网络(或N端口网络)的特性。

基于波的概念，它们为在射频/微波频段分析、测试二端口网络，提供了完整的描述。

由于电磁场方程和大多数微波网络和微波元件的线性，散射波的幅值(即反射波和透射波的幅值)是与入射波的幅值呈线性关系的。

描述该线性关系的矩阵称为“散射矩阵”或S矩阵。

低频网络参量(如Z、Y矩阵等)是以各端口上的净(或总)电压和电流来定义的，而这些概念在射频/微波频段已不切实际，需重新寻找能描述波的叠加的参量来定义网络参量。

微波射频仿真软件介绍射频EDA仿真软件介绍（包括算法，原理）一、前言微波系统的设计越来越复杂，对电路的指标要求越来越高，电路的功能越来越多，电路的尺寸要求越做越小，而设计周期却越来越短。

传统的设计方法已经不能满足系统设计的需要，使用微波EDA软件工具进行微波元器件与微波系统的设计已经成为微波电路设计的必然趋势。

EDA即Electronic Design Automation, 电子设计自动化。

目前,国外各种商业化的微波EDA 软件工具不断涌现，微波射频领域主要的EDA 工具首推Agilent 公司的ADS软件和Ansoft公司的HFSS、Designer软件以及CST，其次是比较小型的有Microwave Office, Ansoft Serenade, Zeland, XFDTD, Sonnet，FEKO 等电路设计软件。

下面将会将会简要地介绍一下各个微波EDA软件的功能特点和使用范围。

这些EDA仿真软件与电磁场的数值解法密切相关的，不同的仿真软件是根据不同的数值分析方法来进行仿真的, 在介绍微波EDA 软件之前先简要的介绍一下微波电磁场理论的数值算法。

所有的数值算法都是建立在Maxwell方程组之上的，了解Maxwell方程是学习电磁场数值算法的基础。

电磁学问题的数值求解方法总的可分为时域和频域两大类。

在频域，数值算法有：有限元法 ( FEM -- Finite Element Method）、矩量法( MoM -- Method of Moments），差分法( FDM -- Finite Difference Methods），边界元法( BEM -- Boundary Element Methed），和传输线法( TLM -- Transmission-Line-matrix Method）。

频域技术发展得比较早，也比较成熟。

在时域，数值算法有：时域有限差分法( FDTD –Finite Difference Time Domain ），和时域有限积分法( FITD – Finite Integration Time Domain）。

• 126•本文介绍了基于Ansoft 公司的Ansoft Designer 微波仿真软件，在射频电路设计中进行滤波器的设计建模仿真与验证。

选取了两款具有代表性的射频无源低通滤波器，根据频率频段的不同，包括集总参数和分布参数类型的不同元件建模仿真计算优化，并通过试验电路实际测试性能指标，验证仿真结果。

50Ω阻抗匹配微带线宽。

该线宽可通过仿真软件输入滤波器工作的频率范围，板材的介电常数、板材厚度等参数即可计算得出，W=1.1mm 。

建模的原理图模型如图1所示。

2.3 仿真结果将扇形短截线的尺寸参数和连接微带线的线宽和线长参数设基于Ansoft仿真软件实现射频滤波器的设计与应用中电科仪器仪表有限公司 陈 丽图1 2GHz低通滤波器原理图模型图2 2GHz低通滤波器仿真结果图3 2GHz低通滤波器实际测量结果硬件设计人员经常需要设计各种类型的滤波器，用以滤除信号通道中不需要的信号，可以通过常规技术或软件来设计，常规技术设计困难耗时，Ansoft Designer 微波仿真软件可有效快速的实现各种滤波器的建模及参数的仿真计算，提高了设计效率。

1 滤波器的类型模拟滤波器按功能分为低通、高通、带通和带阻滤波器。

在射频电路中设计滤波器时，频率高于500MHz 的频段，由于寄生电抗，采用集总参数元件电感、电容已不合适，需要使用分布参数元件实现，因此模拟滤波器根据频段以及制作工艺又衍生出微带线滤波器。

2 2GHz低通滤波器的设计应用2.1 设计目标输入输出阻抗为50Ω，带宽为2GHz ，滤波器插入损耗小于3dB ，带内波纹小于3dB ，4GHz 的阻带抑制大于60dB 。

2.2 原理图模型由于频率高于500MHz 的滤波器难于采用分立元件实现，工作波长与滤波器元件的物理尺寸相近，造成损耗并使电路性能恶化，需将集总参数元件变换为分布参数元件，这里采用4阶扇形微带短截线通过微带线级联。

短截线的电长度以及是开路还是短路，决定了是容性还是感性，电长度通过扇形的半径、角度和短截线的宽度等参数来设置。

电路设计中射频线路的仿真工具和优化技术射频（Radio Frequency, RF）线路在现代通信系统中起着至关重要的作用。

电路设计人员在设计射频线路时需要考虑信号的传输、反射、损耗、噪声等各种因素，这对于保证通信质量和性能至关重要。

为了提高射频线路的设计效率和准确性，仿真工具和优化技术成为电路设计中的关键环节。

一、射频线路的仿真工具射频线路的仿真是指使用计算机软件模拟射频电路的工作状态，通过仿真结果来评估电路的性能和特性。

在射频线路仿真中，主要使用的工具有ADS（Advanced Design System）、CST Studio Suite和Ansys等。

1. ADS（Advanced Design System）ADS是一种由美国Keysight Technologies公司开发的射频/微波电路设计和仿真软件。

它具有强大的仿真和优化功能，在射频线路设计中被广泛使用。

ADS支持各种射频电路元件和传输线的建模，包括微带线、同轴电缆、滤波器、放大器等。

它可以对射频线路进行直流和交流的仿真，评估S参数、噪声、功率等指标，并优化电路设计。

2. CST Studio SuiteCST Studio Suite是德国CST公司开发的一款射频和电磁场仿真软件。

它能够对射频线路中的电磁场、电流分布等进行全面仿真。

CST Studio Suite具有强大的求解能力和细粒度的网格划分，可以准确地模拟射频电路中复杂的物理现象。

它支持微带线、天线、滤波器等射频元件的建模和仿真，并提供了多种优化算法，用于优化射频线路的性能。

3. AnsysAnsys是美国Ansys公司开发的一款通用仿真软件。

它不仅可以进行射频电路的仿真，还可以进行结构力学分析、流体动力学分析等。

Ansys具有强大的仿真和优化功能，可以对射频线路进行全方位的建模和分析。

它支持微带线、天线、滤波器等射频元件的建模，并提供了多种优化算法和工具，用于提高射频线路的性能。

电子系2006级《射频电路设计》上机实验报告要求1．设计目标Chebyshew带通滤波器，并对其参数进行优化，仿真。

滤波器性能指标如下：中心频率：(GHZ) 其中c为班级号，n为学号的最后一位带宽：20％带外抑制：>＝20dB@1.15f0端口驻波：小于1.5计算得到：中心频率f0=2.27GHZ；下边频f l=2.27*0.9=2.043GHZ；上边频f h=2.27*1.1=2.497GHZ由归一化公式得到：=w c/(w u-w l) *(w/w c-w c/w)=1.4由带外抑制条件和查表的得：N=52．滤波器的仿真设计2．1建立低通原型滤波器，仿真S21、VSWR图（2）低通原型滤波器的仿真dB(S21)和VSWR1结果2．2建立阻抗反归一化的LPF的仿真S21、VSWR1 2.2.1反归一化阻抗变换R0=1*R G =50L0=1.7058*R G=85.29HL1=2.5408*R G=127.04HC0=1.2296/R G=0.0246F图(4) 反归一化低通滤波器的仿真dB(S21)和VSWR1结果2．3建立带通滤波器，并仿真S21、VSWR2.3.1中心频率2.27GHz的带通滤波器电路结构,通过Microsoft Excel 得到较精确的结果。

图（6）中心频率2.27GHz的带通滤波器dB(S21)仿真结果图（7）中可以看出：f=2.27GHZ处，VSWR1=1.00f=图（7）中心频率2.27GHz的带通滤波器VSWR1仿真结果2．4建立分布参数微波带通滤波器2.4.1分布参数带通滤波器电路三类电感所致电抗为：Z L1=w0*L1=426.45; Z L2=w0*L2=8.13; Z L3=w0*L3=635.2三类电容所致的电抗为：两类电容所致的电抗为Z C1=1/(wC1)=426.47; Z C2=1/(wC2)=8.133; Z C3=1/(wC3)=426.47;EE =45d e gF =2.27GH zZ =426.47EE=45deg F=2.27GHzZ=8.133EE=45deg F=2.27GHz Z=8.13EE=45deg F=2.27GHz Z=8.13EE =45d e gF =2.27GH zZ =426.47EE =45d e gF =2.27GH zZ =426.45EE =45d e gF =2.27GH zZ =635.2EE =45d e gF =2.27GH zZ =635.20Port1Port2EE=45deg F=2.27GHzZ=8.133EE =45d e gF =2.27GH zZ =426.47图(9) 、图（10）分布参数带通滤波器仿真结果2.4.3另外根据向导做得标准变换传输线图如下：KZ=Z1P=p1KP=p1Z=Z2KZ=Z3P=p1KP=p1Z=Z4KZ=Z5P=p1KP=p1Z=Z4KZ=Z3P=p1KP=p1Z=Z2KZ=Z1P=p12．5利用有限Q值元件建立带通滤波器并仿真，讨论电容、电感Q 值对虑波器件性能的影响。

基于HFSS的滤波器设计流程HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一种强大的电磁场模拟软件，可用于设计和优化各种微波和射频滤波器。

下面是基于HFSS 的滤波器设计流程，包括滤波器的初步设计、模型的创建和分析、参数优化以及最后的仿真验证。

1.滤波器的初步设计：首先确定所需滤波器的类型和规格，如低通滤波器、带通滤波器或阻带滤波器等。

根据滤波器的频带宽度、中心频率、通带损耗和阻带衰减等要求，初步选择滤波器的结构和拓扑。

2.模型的创建和分析：在HFSS中创建滤波器的几何模型。

可以使用HFSS自带的CAD工具或第三方工具创建模型，并导入到HFSS中。

确保模型的几何形状和尺寸与设计要求相符。

之后，通过HFSS进行射频电磁场模拟分析。

设置合适的频率范围，并给出合适的激励条件。

根据模型的几何形状和材料特性，计算出滤波器的S参数、功率传输和电场分布等。

3.参数优化：根据分析结果，评估滤波器的性能是否满足设计要求。

如果结果不满足要求，需要对设计参数进行优化。

通过调整滤波器的几何形状、模型的材料特性或其他设计参数，再次进行HFSS模拟。

通过反复优化，逐步改善滤波器的性能。

可以使用HFSS自带的优化工具，如参数扫描、自动优化或遗传算法等，来寻找最佳的设计参数组合。

4.仿真验证：在完成参数优化后，对滤波器进行最后的仿真验证。

使用优化后的设计参数，进行HFSS模拟分析。

通过分析结果，检查滤波器是否满足设计要求，并评估其性能。

如果滤波器性能仍然不满足要求，可以进一步优化设计参数，或者重新考虑滤波器的拓扑结构。

5.后处理和导出：在完成仿真验证后，可以进行一些后处理操作，如绘制频率响应曲线、电场分布图或功率传输图等。

这些后处理结果对于滤波器的性能评估和进一步优化非常有帮助。

最后，可以将滤波器的设计参数导出，用于后续的原理图设计和实际制造。

可以导出滤波器的尺寸数据、材料特性和优化参数等。

功率器件仿真基本方法对于微波大功率有源器件来说，其输入输出阻抗是一个关键的参数，且不易测量。

而在设计中，没有这些参数，设计将无从下手。

目前微波大功率的有源器件大多采用金属氧化物半导体场效应晶体管(LDMOSFET-Lateral Diffused metallic oxide semiconductor field effect transistor)，因此本文以LDMOS功率管的仿真为例探讨微波有源器件仿真。

由于大家所公认的大功率器件仿真的难度，特别是在器件模型建立方面的难度，使得这一工作较其他电路如小信号电路仿真做的晚，且精度也较小信号电路低。

目前公司内部在这方面所作的工作也相对较少。

随着技术的发展，目前的很多仿真软件已经做的很完善，如ADS，它可以提供各种数字和模拟系统及电路的仿真平台，用户的主要任务就是给目标器件建模和搭建电路。

而目前我们使用的主流LDMOS器件即Motorola的大部分器件均提供ADS仿真的模型，我们只要直接使用，这给我们的仿真工作带来了极大的方便，极大的减小了工作量，并提高了准确度。

本文主要探讨使用ADS2002仿真计算大功率LDMOS器件的工作点、输入输出阻抗及其对应的线性指标、电流、增益等电参数。

1LDMOS器件模型首先我们了解一下Motorola的LDMOS器件库的情况。

图1.1是其在原理图中的符号。

图1.1 Motorola LDMOS器件模型它的器件分为两类：单管(MRF_MET_MODEL & MRF_ROOT_MODEL)和对管(MRF_MET_PP_MODEL & MRF_ROOT_PP_MODEL)。

从上面的名称我们可以看出，每一个管子有两个模型，即MET模型和ROOT模型。

MET LDMOS 模型(Moto Electro Thermal Model)是一个经验大信号模型，它可以精确的描述在任意的偏置点和环境温度下的电流电压特性。

其大信号和小信号模型分别如图1.2和图1.3所示[1]。