HFSS 应用案例:射频衰减器仿真与优化
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:

 

调整电路中信号的大小;

 

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。

 

02、HFSS 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:

 

 

图 1 最大衰减模式下 IC 的 S 参数

 

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

 

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 .

 

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

 

图 5 在 Circuit 中组件完整衰减器通道

 

图 6 衰减器完整通道的 S 参数(最大衰减配置)

 

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),

 

图 8 增加的地过孔

 

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。

 

图 10 优化后最大衰减配置下的全通道 S 参数

 

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

 

 


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。