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基于ADS和HFSS的矿井...B射频前端电磁联合仿真方法_任文清.pdf
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1、基于 ADS 和 HFSS 的矿井 UWB射频前端电磁联合仿真方法任文清(国家能源集团神东煤炭集团公司,陕西 榆林719315)摘要:射频前端是矿井超宽带(UWB)定位系统的重要组成部分,其电磁性能影响定位精度。目前 UWB 定位系统射频前端设计一般针对单独器件或芯片使用 ADS 或 HFSS 进行仿真设计,随着射频前端设计的频段越来越高,分立元件、传输线等三维结构之间引起的寄生效应对射频前端电路性能的影响越来越大,需要研究板级射频前端电磁联合仿真方法。针对上述问题,提出了一种基于 ADS 和 HFSS 的矿井 UWB 射频前端电磁联合仿真方法。首先,采用 HFSS 软件对无源器件进行建模,并
2、用 HFSS 软件直接进行仿真得到对应的 snp 文件。然后,使用 ADS 软件建立有源器件原理图,将参数读取控件和原理图连接,并将 snp 文件导入控件中。最后,在 ADS 中对原理图进行仿真,ADS 和 HFSS 之间通过 S 参数作为媒介来进行联合操作,实现 UWB 射频前端电磁特性的联合仿真。综合运用 ADS 和 HFSS 对 UWB 射频前端有源器件、无源器件及整体板级电路进行联合仿真,并根据仿真原理制作测试样品,实验结果表明,联合仿真结果与样品实测结果匹配,可用于 UWB 射频前端设计和电磁性能综合测试。将以电磁联合仿真方法设计的射频前端制作成 PCB 样品并用于 UWB 定位系统
3、进行定位极限距离测试,测试结果表明,以电磁联合仿真方法设计的射频前端完全可以满足实际产品性能需求,在设计阶段对实际产品效果预测准确,提高了设计效率,降低了设计成本。关键词:UWB 定位;射频前端;HFSS;ADS;电磁仿真中图分类号:TD655文献标志码:AMine UWB radio frequency front-end electromagnetic co-simulation method based on ADS and HFSSREN Wenqing(CHN Energy Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Yulin 719315,China)Abstrac
4、t:The radio frequency front-end is an important part of mine ultra-wideband(UWB)positioningsystem.Its electromagnetic performance affects positioning precision.At present,the RF front-end design of theUWB positioning system is generally simulated by ADS or HFSS for single device or chip.With the inc
5、reasingfrequency band of RF front-end design,the parasitic effect caused by three-dimensional structures such as discretecomponents and transmission lines has more and more influence on the performance of RF front-end circuits.It isnecessary to study the electromagnetic co-simulation method of the b
6、oard-level RF front-end.In order to solve theabove problems,a mine UWB RF front-end electromagnetic co-simulation method based on ADS and HFSS isproposed.Firstly,the passive device is modeled by HFSS software.The corresponding snp file is obtained bydirectly simulating with HFSS software.Secondly,AD
7、S software is used to build the schematic diagram of activedevices,connect the parameter reading control with the schematic diagram,and import the snp file into thecontrol.Finally,the schematic diagram is simulated in ADS,and the joint operation between ADS and HFSS isrealized through S parameters a
8、s the medium to realize the joint simulation of UWB RF front-end electromagnetic 收稿日期:2023-01-18;修回日期:2023-02-16;责任编辑:盛男。基金项目:国家能源集团科技创新项目(GJNY2030XDXM-19-06.1);国家重点研发计划项目(2017YFC0804303)。作者简介:任文清(1984),男,陕西神木人,工程师,硕士,现从事矿井精确定位方面的工作,E-mail:。引用格式:任文清.基于 ADS 和 HFSS 的矿井 UWB 射频前端电磁联合仿真方法J.工矿自动化,2023,49(
9、2):85-93.REN Wenqing.Mine UWB radio frequency front-end electromagnetic co-simulation method based on ADS and HFSSJ.Journalof Mine Automation,2023,49(2):85-93.第 49 卷 第 2 期工矿自动化Vol.49 No.22023 年 2 月Journal of Mine AutomationFeb.2023文章编号:1671251X(2023)02008509DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.18073charact
10、eristics.ADS and HFSS are used to co-simulate the active components,passive components and the wholeboard-level circuit of the UWB RF front-end.The test samples are made according to the simulation principle.The experimental results show that the co-simulation results match the measured results of t
11、he samples.It can beused for the design of the UWB RF front-end and the comprehensive test of electromagnetic performance.The RFfront-end designed by the electromagnetic co-simulation method is made into a PCB sample and used in a UWBpositioning system to test the positioning limit distance.The test
12、 results show that the RF front-end designed bythe electromagnetic co-simulation method can completely meet the performance requirements of the actualproduct.It can accurately predict the effect of the actual product in the design stage,improve the design efficiencyand reduce the design cost.Key wor
13、ds:UWB positioning;RF front-end;HFSS;ADS;electromagnetic simulation 0引言无人化是煤炭智能化开采的最终目标,精确定位是实现矿井无人化的关键技术之一1-4。超宽带(Ultra-WideBand,UWB)技术产生于 20 世纪 80 年代,具有结构简单、功耗低、穿透力与抗干扰能力强、测距精度高等优点,在煤矿井下可实现厘米级定位精度5-8。射频前端是 UWB 定位系统的重要组成部分,影响系统定位精度和成本。随着煤矿井下对UWB 定位精度要求的提高,对射频前端提出了低成本、高性能、短周期、高迭代更新速率等要求。传统的射频前端设计方法已
14、不能满足 UWB 定位系统射频前端研发的需求。为提高射频前端设计性能、缩短设计周期、降低设计成本,许多学者对射频前端进行了仿真研究。朱臣伟等9利用 COMSOL 的场仿真特性与先进设计系统(Advanced Design System,ADS)的路仿真特性,对 UWB 射频微系统进行了热电物理场仿真,研究受热场耦合对射频微系统的影响。王也等10依据IEEE 802.11 系列协议,使用 ADS 软件对 2.4 GHz 频段的射频通信系统及电路关键技术进行了仿真,提升了对射频前端系统级链路仿真及指标分析的能力。王尚等11采用高频结构仿真(High FrequencyStructure Simul
15、ator,HFSS)软件探究了 020 GHz 金带尺寸变化对电路射频性能的影响规律,并利用ANSYS Q3D 和 ADS 软件对超细引线键合的电路进行阻抗匹配,仿真了射频器件超细引线键合射频性能。南敬昌等12通过改进阶梯形微带馈电线,在介质基板底层和顶层添加 H 形枝节,并在辐射贴片上添加矩形条,使用 ANSYS HFSS 15.0 对 UWB MIMO天线进行建模、仿真和优化,提高了天线的带宽和隔离度。谢红云等13设计了寄生效应和耦合效应的版图模型,针对寄生效应的晶体管、电容、电感和电阻的等效模型,使用 ADS 软件中的 Momentum 模块完成原理图和版图的联合仿真,设计了可应用于3.
16、0 6.0 GHz 频 带 下 的 UWB 可 变 增 益 放 大 器。谢 泽 明 等14选 取 平 均 有 效 相 干 能 量 增 益 作 为UWB 天线时域特性的衡量参数,采用三维电磁场仿真软件与 Matlab 协同编程运算,对 UWB 平面振子天线的形状进行重构设计,实现了天线时域特性的优化。然而 ADS 内含的 Momentum 模块是对第三维进行简化的电磁场仿真器,对平面电路的电磁场仿真一般是 2.5 维的,不能仿真三维复杂结构的电磁场;HFSS 基 于 有 限 元 法(Finite Element Method,FEM)和 时 域 有 限 积 分 法(Finite Integrat
17、ion TimeDomain Method,FITD),适合仿真三维复杂结构的电磁场,但一般多适用于仿真无源器件,且仿真所需时间随精度要求提高明显增加15-17。当前 UWB 定位系统射频前端设计一般针对单独器件或芯片使用 ADS 或 HFSS 进行仿真设计和实验研究,对整个射频前端使用 ADS 与 HFSS 联合的电磁仿真设计相对很少。随着射频前端设计的频段越来越高,分立元件、传输线等三维结构之间引起的寄生效应对射频前端电路性能的影响越来越大。因此,研究板级射频前端电磁联合仿真方法具有重要意义。本文综合运用 ADS 和 HFSS 对射频前端有源器件、无源器件及整体板级电路进行联合仿真,可在设
18、计阶段准确预测出射频前端实际性能,从而达到提高设计准确度、节省设计成本、提升研发效率的目的。1联合仿真原理 1.1ADS 简介ADS 是当前射频和微波电路设计的首选工程软件,可以支持从模块到系统的设计,能够完成射频和微 波 电 路、通 信 系 统、射 频 集 成 电 路(RadioFrequency Integrated Circuit,RFIC)和数字信号处理系统等的设计。适用于射频、微波和信号完整性应 86 工矿自动化第 49 卷用,其内部集成多种电路模块,可以对模拟和数字信号在时域和频域范围内进行数值仿真。运用 S 参数和谐波平衡等仿真器可以对系统性能参数开展模拟检测,缩短射频前端电路设
19、计周期,节约开发成本18。ADS 可提供原理图和 layout 版图设计,设计好的原理图可直接转换成 layout 版图并对 layout 版图编辑仿真。在频域内可对小信号线性和非线性射频前端进行线性分析,在频域内分析非线性电路多频输入信号,得到谐波失真、功率压缩点、三阶交调点、非线性噪声等参数。ADS 实现了将频域分析模型进行拉普拉斯变换后的高频集成电路模拟的仿真程序(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis,SPICE)瞬态分析功能,可直接使用频域分析模型对微带传输线和分布参数滤波器进行瞬态分析。在对数字调制射频信号分析时,将高
20、频调制信号分解为时域和频域 2 个部分,低频调制信号在时域用SPICE 方法分析,高频载波信号用类似谐波平衡法在 频 域 处 理。ADS 内 置 的 矩 量 法(Method ofMoments,MoM)、FEM 可求微分方程和积分方程的数值解,被广泛用于电磁场数值计算19。1.2HFSS 简介HFSS 是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件,可根据用户定义的结构原理图、材料电磁特性、端口和边界条件自动生成求解方案,用内置的矢量 FEM 可以计算任意形状三维无源结构的S 参数、微波器件的电磁场分布和传播电磁场20。基于麦克斯韦方程组的求解方案可用于计算射频前端的高频性能,如辐射、散射、模
21、式转换等引起的电磁场损耗。在求解任意三维结构的电磁场问题时,根据待求解问题所使用的电磁波波长,把物理空间划分为多个离散化网格,得到离散化的网格矩阵数据后可以求出网格内的电磁场分布及端口参数,HFSS 自适应对物理空间内的电磁问题进行迭代运算,当 2 次迭代的计算结果误差小于用户设定的阈值即停止迭代过程,得到最终的计算结果。在高频结构设计时,HFSS 软件具有仿真精度高、仿真速度快、可靠性高的优点,被广泛用于航空、航天、电子、通信等领域,可高效地设计射频和微波部件、微波电路结构、高速互联结构等21。1.3ADS 和 HFSS 联合仿真ADS 和 HFSS 联合仿真原理如图 1 所示。首先,将电路
22、中的无源器件部分(如微带传输线、巴伦、层叠基板等)在 HFSS 中进行建模,并用 HFSS 直接进行仿真得到对应的 snp 文件。然后,将电路中的有源器件(如晶体管等)及其外围电路在 ADS 中建立原理图,将参数读取控件和原理图连接,并将 snp 文件导入控件中。最后,在 ADS 中对原理图进行仿真,得到的结果即为联合仿真结果。ADS 和 HFSS 之间通过 S 参数作为媒介来进行联合操作,如果其中涉及到添加直流电源的问题,则联合仿真操作会变得复杂。ADS 和 HFSS 联合仿真可以同时发挥二者的优点,不仅能验证设计理论,更能以相当高的精度近似预估实际电路的性能。S 参数ADS 仿真有源器件(
23、晶体管等)及其外围电路原理图建立HFSS 仿真无源结构部分层叠基板等)建模(微带传输线、巴伦、图 1 ADS 和 HFSS 联合仿真原理Fig.1 Co-simulation principle of ADS and HFSS 2无源器件的联合仿真 2.1微带传输线的联合仿真微带传输线是射频前端匹配的基础,很大程度上影响整个射频前端各功能模块之间的匹配和损耗。由于使用 ADS 对微带传输线进行仿真时,所有参数都是通过控件设置,体现不出三维结构上多层板间的寄生耦合及不同线型之间过渡、走向弯折等情况的影响。所以,仅就微带传输线结构而言,HFSS 建模仿真得到的结果更接近真实情况,且模型的网格剖分时
24、间和仿真时间也极短。微带传输线的HFSS 模型如图 2 所示,实际制作的 PCB 样品如图 3 所示。图 2 微带传输线的 HFSS 模型Fig.2 HFSS model of microstrip transmission line 2 cm图 3 微带传输线的 PCB 样品Fig.3 PCB sample of microstrip transmission line 微带传输线联合仿真性能与样品实测性能对比如图 4 所示。可看出仿真性能和实测性能相当接2023 年第 2 期任文清:基于 ADS 和 HFSS 的矿井 UWB 射频前端电磁联合仿真方法 87 近,证明 HFSS 建模仿真可以
25、准确预测微带传输线的真实性能。45403530252015101234560.10.20.3插入损耗/dB端口 1 回波损耗/dB端口 2 回波损耗/dB频率/GHz(a)插入损耗(b)端口 1 回波损耗(c)端口 2 回波损耗123456频率/GHz123456频率/GHz0.40.50.60.70.80.91.01.14540353025201510实测性能仿真性能实测性能仿真性能实测性能仿真性能图 4 微带传输线仿真性能和实测性能对比Fig.4 Comparison between simulation performance and measuredperformance of mic
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