基于HFSS、ADS微帶濾波器仿真與設計

作者 |Stonerf 仿真秀優(yōu)秀講師

首發(fā) |仿真秀App

導讀：自畢業(yè)至今，從事微波射頻相關工作已經十年了，回想這個行業(yè)的點點滴滴，有一些個人的學習心得體會和大家分享一下?！皩嵺`是檢驗真理的唯一標準”這句話一直伴隨自己從學習到工作，當踏入社會工作的第一天，不是你從枯燥的學習生涯解脫，而是真正進入更深層的學習和自我總結之路。在這里接合人個的學習經驗，給大家分享一下我的濾波器學習之路。

一、基礎知識

基礎知識不僅要扎實，而且需要經常重復學習。我們的記憶都會在時間流逝下遺忘的，不經常接觸的東西或者事物，一般都會逐漸遺忘。因此，經常重復學習一些基礎知識有利用加深我們對相關知識的理解與運用。

針對微波濾波器這一塊，首先推薦第一本參考書《微波工程》，這是作為射頻人應該必讀的一本書，書的內容講解了基礎理論到器件設計，也講解了微波整體系統(tǒng)的架構。每當在設計之中遇到一些復雜問題，或者思路卡住的時候，翻一翻這本書相信都會有新的收獲。

第二本書 《現代微波濾波器結構與設計》，這本書分為上、下兩冊可以說是微波濾波器設計中最經典的一本中文書籍，書中介紹了很多類型濾波器的原理與設計，提供大量的結構類型，設計圖表和專用數據供參考調用。

第三本《Microstrip Filters for RF Microwave Applications》,這本書屬于微波平面濾波器里面寫的比較好的一本書，也是自己經常重復翻閱的一本參考書。

最后推薦一本《通信系統(tǒng)微波濾波器——基礎、設計與應用》，這本書有中文和英文版本，書中的內容比較專業(yè)偏理論方向。雖然還有其它很多關于濾波器的書籍，但是從個人角度來看，書籍并不需要太多，有這幾本書反復學習，理解其中的理論和結構，在一定程度上對我們學習濾波器知識來說已經非常足夠了。

二、仿真軟件

電磁仿真可以說是目前一個微波工程師必備的技能之一，目前市面上招聘微波工程師的要求之一就是要熟練掌握仿真軟件，這足以說明掌握仿真技能對一個微波工程師的重要性。要將一款微波濾波器從理論分析到最終實物制作，大致需要經過這幾個過程：

（1）指標分析，

（2）電路模型的搭建，

（3）三維電磁仿真驗證，

（4）設計圖紙制作。

指標分析的目的是分析目標濾波器參數以獲取階數與實現的結構，推薦的分析軟件有ADS中的濾波器設計向導、Designer、AWR中IFilter、FilterSolution、Couplefil等。這些分析軟件能輔助我們快速分析一款濾波器指標，找到實現它的一種或者幾種方案，但是這些軟件是依據制作者當時所針對的特定需求而產生的，可能在一些時候并不能滿足你的設計需要。如果大家對理論計算比較熟悉，也可以自己使用一些數學軟件，將一些濾波器的分析與設計公式進行總結，形成屬于自己的設計套路，這樣在處理特定問題時，能夠快速高效的完成。

指標分析完成后需要搭建一個電路來查看響應曲線是否滿足要求，這就需要用到能進行電路分析的軟件，推薦使用ADS、AWR、Designer等。

第三就是三維電磁仿真軟件，這一步的仿真就是對實際物體進行模型模擬，查看產品的性能，找到最優(yōu)的設計方案。推薦使用的軟件有HFSS、CST、Mician Uwave、Sonnet等，個人習慣使用HFSS，它的仿真精度毋庸置疑，但是由于其通用性在一定程度限制了它的仿真效率，因此常用HFSS來做最后一步的驗證。

三維仿真分析完成后，在一定程度上說明此產品的設計驗證是沒有問題了，那剩下的工作就是將此產品的加工圖紙制作出來，推薦的二維制圖軟件是AutoCAD，三維制圖軟件Solidworks。仿真軟件，只有正確的使用才會達到其應有的效果，同時也要明白仿真和實際加工是存在誤差的，把實際經驗與仿真精度都考慮到產品設計中去，這樣的仿真才是最有效的。

三、我的濾波器學習之路

摸爬滾打幾年后，總結了一套屬于自己學習濾波器的路子給大家分享下。

第一點學會記錄設計實例和仿真流程，通過對比理論分析、仿真結果及實測結果，找出它們之間存在差異，有人說搞射頻經驗很重要，這些所謂的經驗其實洽洽就是你對每次設計過程的分析與總結后得到的東西。

第二點就是組裝調試，搞微波設計一定不能脫離調試，通過在調試中的積累在一定程度上可以更好反饋設計。一方面可以加深對產品的理解，另一方面也能掌握對測試儀器的操作。因此，好的設計一定不能脫離調試。隨著現在電磁仿真軟件的發(fā)展，目前的微波濾波器設計早已經脫離以前反復打樣再修改的階段，現在大部分時間都是花在仿真軟件的使用上，再一次說明熟悉掌握仿真軟件的重點性。

工作之余經常參考看的兩本書《現代微波濾波器結構與設計》和《Microstrip Filters for RF Microwave Applications》，每一次看都會有不同收獲，建議要深入搞濾波器這塊的朋友反復學習這兩本書籍。

二、我的知識付費探索過程

受口罩原因的影響，前幾年大部分時間在家，偶然機會在仿真秀看到有老師分享HFSS軟件相關的內容，購買了一些課程后發(fā)現可以其中很多東西都對自己有一定的幫助和新的理解。這個時候就在想自己要不要也去做視頻課程的想法，一個是總結這些年在微波濾波器中學習的東西，同時也能在一定程度上幫助有需要的朋友。

21年時推出一個課程《HFSS耦合帶通濾波器綜合方法與仿真24講》主要講述使用耦合諧振器原理設計帶通濾波器的課程，由于第一次做課程，視頻質量以及錄制效果也不好，但是發(fā)現還有很多朋友購買這個課程。交流后發(fā)現其實和很多朋友有同樣的經歷，就是微波濾波器不知道入門，學習的軟件太多等等問題?；貞洰斈甑膶W習經歷，同時也在平臺老師的溝通下，接合當前很多朋友遇到的問題，希望再推出一套關于濾波器的精品課程。

由此推出了這個課程《基于HFSS、ADS微帶濾波器仿真與設計37講》，這個課程偏向于從基礎濾波器理論入手，到實例操練仿真濾波器模型。包含低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器這四類濾波器，從分析到最終模型仿真的全過程。希望通過這個課程，能讓大家快速上手設計一款微帶或者懸置帶線結構的濾波器。現在是知識付費時代，知識付費不僅讓工程師有動力去制作，同時也能在一定程度上完善和豐富自己的知識體系，使我們相互學習和共同進步。

三、微帶濾波器工程仿真與設計

有人說微波行業(yè)很難上手，學習的知識和軟件太多。很多時候一開始遇到問題無法解決就勸退了很多朋友。因此，這個課程結合工程實踐，以大量仿真實例為基石來演示微波濾波器在微帶線結構和懸置帶線結構中的仿真實現。讓大家能夠快速上手分析綜合一款微帶濾波器并用于實踐中，良好開始是成功的一半，當我們逐漸掌握了方法，就會慢慢深入其中，通過不斷的學習與自我總結，走得越來越遠。

《基于HFSS、ADS微帶濾波器仿真與設計37講》這個視頻課程總共規(guī)劃37講內容，包含微波濾波器基礎知識介紹，同時重點講解和演示低通、高通、帶通和帶阻濾波器在微帶線結構和懸置帶線結構中的設計與仿真，課程中實例演示了27個HFSS濾波器仿真實例，一方面可以從實例操作演示中了解濾波器的設計流程，同時也能學習ADS和HFSS仿真軟件的操作。

課程的安排與大綱如下圖所示：

圖一 課程內容安排

下面是截取課程中一講內容，主要講述懸置帶線雙工器的設計。我們課程的總體思路是以一個等效電路來指導最終模型的仿真設計，因此一般來說一個仿真實例包含兩個模型：一個ADS電路模型和一個HFSS場仿真模型。比如下面這個懸置帶線雙工器仿真實例，要完成這樣一個由低通濾波器與高通濾波器級聯構成的雙工器設計，首先要在電路軟件中驗證其可行性。

圖二 HFSS懸置帶線雙工器仿真模型

圖三 HFSS懸置帶線雙工器仿真結果

依據設計指標將雙工器分解為兩個單獨的濾波器設計，在集總元件濾波器設計中可以使用ADS中濾波器設計向導來快速得到相應電路元件值。

圖四 ADS集總元件低通濾波器

圖五 ADS集總元件低通濾波器響應

圖六 ADS集總元件高通濾波器

圖七 ADS集總元件高通濾波器響應

將低通濾波器通道和高通濾波器的一端連接起來構成一個三端雙工器，調試其中元件參數使響應滿足設計指標。

圖八、ADS集總元件雙工器

圖九、ADS集總元件雙工器響應

將集總元件雙工器設計思路推廣到懸置帶線結構雙工器設計中，分別將低通濾波器和高通濾波器單獨設計完成，再連接構成雙工器。

圖十、ADS懸置帶線低通濾波器

圖十一、ADS懸置帶線低通濾波器響應

圖十二、ADS懸置帶線高通濾波器

圖十三、ADS懸置帶線高通濾波器響應

完成每個通道的濾波器設計后，可以在ADS中新建一個原理圖，搭建懸置帶線雙工器等效電路，并調試其中元件參數使最終響應滿足設計要求。

圖十四、ADS懸置帶線雙工器響應

完成電路級仿真驗證后，就可以將理論的電路轉換為實際的結構并通過HFSS查看其仿真結果。由于在ADS電路已經將懸置帶線的各個參數優(yōu)化好了，而HFSS只是起最終驗證的作用，因此我們并不需要在HFSS中創(chuàng)建一個參數化的模型。一般我們在ADS將對應濾波器或者雙工器設計好以后，可以在AUTOCAD中將此濾波器或者雙工器結構繪制出來，然后再導入HFSS中進行仿真驗證。

圖十五、Autocad雙工器結構

將Autocad繪制的雙工器結構導入HFSS中仿真驗證，可以看出HFSS的仿真結果和ADS電路的仿真結果是基本吻合的，甚至可以說是一模一樣。

圖十六、HFSS懸置帶線雙工器

圖十七、HFSS懸置帶線雙工器響應

目前這種等效電路的仿真就代表了最終HFSS仿真的結果是我們比較推崇的設計方法，常規(guī)的方法你會發(fā)現ADS電路的仿真與HFSS仿真的結果差異較大，因此要花很多時間去HFSS中進行調試和優(yōu)化。同時，如果模型的復雜程度較高，則需要浪費很多時間在模型的創(chuàng)建上面。

審核編輯：湯梓紅