基于ADS 和HFSS 的礦井UWB射頻前端電磁聯(lián)合仿真方法

任文清

（國家能源集團神東煤炭集團公司，陜西 榆林 719315）

0 引言

無人化是煤炭智能化開采的最終目標，精確定位是實現(xiàn)礦井無人化的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-4]。超寬帶（Ultra-WideBand，UWB）技 術(shù) 產(chǎn) 生 于20 世 紀80 年代，具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、穿透力與抗干擾能力強、測距精度高等優(yōu)點，在煤礦井下可實現(xiàn)厘米級定位精度[5-8]。射頻前端是UWB 定位系統(tǒng)的重要組成部分，影響系統(tǒng)定位精度和成本。隨著煤礦井下對UWB 定位精度要求的提高，對射頻前端提出了低成本、高性能、短周期、高迭代更新速率等要求。傳統(tǒng)的射頻前端設(shè)計方法已不能滿足UWB 定位系統(tǒng)射頻前端研發(fā)的需求。

為提高射頻前端設(shè)計性能、縮短設(shè)計周期、降低設(shè)計成本，許多學(xué)者對射頻前端進行了仿真研究。朱臣偉等[9]利用COMSOL 的場仿真特性與先進設(shè)計系統(tǒng)（Advanced Design System，ADS）的路仿真特性，對UWB 射頻微系統(tǒng)進行了熱?電物理場仿真，研究受熱場耦合對射頻微系統(tǒng)的影響。王也等[10]依據(jù)IEEE 802.11 系列協(xié)議，使用ADS 軟件對2.4 GHz 頻段的射頻通信系統(tǒng)及電路關(guān)鍵技術(shù)進行了仿真，提升了對射頻前端系統(tǒng)級鏈路仿真及指標分析的能力。王尚等[11]采用高頻結(jié)構(gòu)仿真（High Frequency Structure Simulator，HFSS）軟件探究了0～20 GHz 金帶尺寸變化對電路射頻性能的影響規(guī)律，并利用ANSYS Q3D 和ADS 軟件對超細引線鍵合的電路進行阻抗匹配，仿真了射頻器件超細引線鍵合射頻性能。南敬昌等[12]通過改進階梯形微帶饋電線，在介質(zhì)基板底層和頂層添加H 形枝節(jié)，并在輻射貼片上添加矩形條，使用ANSYS HFSS 15.0 對UWB MIMO天線進行建模、仿真和優(yōu)化，提高了天線的帶寬和隔離度。謝紅云等[13]設(shè)計了寄生效應(yīng)和耦合效應(yīng)的版圖模型，針對寄生效應(yīng)的晶體管、電容、電感和電阻的等效模型，使用ADS 軟件中的Momentum 模塊完成原理圖和版圖的聯(lián)合仿真，設(shè)計了可應(yīng)用于3.0～6.0 GHz 頻帶下的UWB 可變增益放大器。謝澤明等[14]選取平均有效相干能量增益作為UWB 天線時域特性的衡量參數(shù)，采用三維電磁場仿真軟件與Matlab 協(xié)同編程運算，對UWB 平面振子天線的形狀進行重構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了天線時域特性的優(yōu)化。然而ADS 內(nèi)含的Momentum 模塊是對第三維進行簡化的電磁場仿真器，對平面電路的電磁場仿真一般是2.5 維的，不能仿真三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電磁場；HFSS 基 于 有 限 元 法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）和時域有限積分法（Finite Integration Time Domain Method，F(xiàn)ITD），適合仿真三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電磁場，但一般多適用于仿真無源器件，且仿真所需時間隨精度要求提高明顯增加[15-17]。

當前UWB 定位系統(tǒng)射頻前端設(shè)計一般針對單獨器件或芯片使用ADS 或HFSS 進行仿真設(shè)計和實驗研究，對整個射頻前端使用ADS 與HFSS 聯(lián)合的電磁仿真設(shè)計相對很少。隨著射頻前端設(shè)計的頻段越來越高，分立元件、傳輸線等三維結(jié)構(gòu)之間引起的寄生效應(yīng)對射頻前端電路性能的影響越來越大。因此，研究板級射頻前端電磁聯(lián)合仿真方法具有重要意義。本文綜合運用ADS 和HFSS 對射頻前端有源器件、無源器件及整體板級電路進行聯(lián)合仿真，可在設(shè)計階段準確預(yù)測出射頻前端實際性能，從而達到提高設(shè)計準確度、節(jié)省設(shè)計成本、提升研發(fā)效率的目的。

1 聯(lián)合仿真原理

1.1 ADS 簡介

ADS 是當前射頻和微波電路設(shè)計的首選工程軟件，可以支持從模塊到系統(tǒng)的設(shè)計，能夠完成射頻和微波電路、通信系統(tǒng)、射頻集成電路（Radio Frequency Integrated Circuit，RFIC）和數(shù)字信號處理系統(tǒng)等的設(shè)計。適用于射頻、微波和信號完整性應(yīng)用，其內(nèi)部集成多種電路模塊，可以對模擬和數(shù)字信號在時域和頻域范圍內(nèi)進行數(shù)值仿真。運用S 參數(shù)和諧波平衡等仿真器可以對系統(tǒng)性能參數(shù)開展模擬檢測，縮短射頻前端電路設(shè)計周期，節(jié)約開發(fā)成本[18]。ADS 可提供原理圖和layout 版圖設(shè)計，設(shè)計好的原理圖可直接轉(zhuǎn)換成layout 版圖并對layout 版圖編輯仿真。在頻域內(nèi)可對小信號線性和非線性射頻前端進行線性分析，在頻域內(nèi)分析非線性電路多頻輸入信號，得到諧波失真、功率壓縮點、三階交調(diào)點、非線性噪聲等參數(shù)。ADS 實現(xiàn)了將頻域分析模型進行拉普拉斯變換后的高頻集成電路模擬的仿真程序（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，SPICE）瞬態(tài)分析功能，可直接使用頻域分析模型對微帶傳輸線和分布參數(shù)濾波器進行瞬態(tài)分析。在對數(shù)字調(diào)制射頻信號分析時，將高頻調(diào)制信號分解為時域和頻域2 個部分，低頻調(diào)制信號在時域用SPICE 方法分析，高頻載波信號用類似諧波平衡法在頻域處理。 ADS 內(nèi)置的矩量法（Method of Moments，MoM）、FEM 可求微分方程和積分方程的數(shù)值解，被廣泛用于電磁場數(shù)值計算[19]。

1.2 HFSS 簡介

HFSS 是世界上第一個商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，可根據(jù)用戶定義的結(jié)構(gòu)原理圖、材料電磁特性、端口和邊界條件自動生成求解方案，用內(nèi)置的矢量FEM 可以計算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S 參數(shù)、微波器件的電磁場分布和傳播電磁場[20]。基于麥克斯韋方程組的求解方案可用于計算射頻前端的高頻性能，如輻射、散射、模式轉(zhuǎn)換等引起的電磁場損耗。在求解任意三維結(jié)構(gòu)的電磁場問題時，根據(jù)待求解問題所使用的電磁波波長，把物理空間劃分為多個離散化網(wǎng)格，得到離散化的網(wǎng)格矩陣數(shù)據(jù)后可以求出網(wǎng)格內(nèi)的電磁場分布及端口參數(shù)，HFSS 自適應(yīng)對物理空間內(nèi)的電磁問題進行迭代運算，當2 次迭代的計算結(jié)果誤差小于用戶設(shè)定的閾值即停止迭代過程，得到最終的計算結(jié)果。在高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計時，HFSS 軟件具有仿真精度高、仿真速度快、可靠性高的優(yōu)點，被廣泛用于航空、航天、電子、通信等領(lǐng)域，可高效地設(shè)計射頻和微波部件、微波電路結(jié)構(gòu)、高速互聯(lián)結(jié)構(gòu)等[21]。

1.3 ADS 和HFSS 聯(lián)合仿真

ADS 和HFSS 聯(lián)合仿真原理如圖1 所示。首先，將電路中的無源器件部分（如微帶傳輸線、巴倫、層疊基板等）在HFSS 中進行建模，并用HFSS 直接進行仿真得到對應(yīng)的snp 文件。然后，將電路中的有源器件（如晶體管等）及其外圍電路在ADS 中建立原理圖，將參數(shù)讀取控件和原理圖連接，并將snp 文件導(dǎo)入控件中。最后，在ADS 中對原理圖進行仿真，得到的結(jié)果即為聯(lián)合仿真結(jié)果。ADS 和HFSS 之間通過S 參數(shù)作為媒介來進行聯(lián)合操作，如果其中涉及到添加直流電源的問題，則聯(lián)合仿真操作會變得復(fù)雜。ADS 和HFSS 聯(lián)合仿真可以同時發(fā)揮二者的優(yōu)點，不僅能驗證設(shè)計理論，更能以相當高的精度近似預(yù)估實際電路的性能。

圖1 ADS 和HFSS 聯(lián)合仿真原理Fig. 1 Co-simulation principle of ADS and HFSS

2 無源器件的聯(lián)合仿真

2.1 微帶傳輸線的聯(lián)合仿真

微帶傳輸線是射頻前端匹配的基礎(chǔ)，很大程度上影響整個射頻前端各功能模塊之間的匹配和損耗。由于使用ADS 對微帶傳輸線進行仿真時，所有參數(shù)都是通過控件設(shè)置，體現(xiàn)不出三維結(jié)構(gòu)上多層板間的寄生耦合及不同線型之間過渡、走向彎折等情況的影響。所以，僅就微帶傳輸線結(jié)構(gòu)而言，HFSS 建模仿真得到的結(jié)果更接近真實情況，且模型的網(wǎng)格剖分時間和仿真時間也極短。微帶傳輸線的HFSS 模型如圖2 所示，實際制作的PCB 樣品如圖3 所示。

圖2 微帶傳輸線的HFSS 模型Fig. 2 HFSS model of microstrip transmission line

圖3 微帶傳輸線的PCB 樣品Fig. 3 PCB sample of microstrip transmission line

微帶傳輸線聯(lián)合仿真性能與樣品實測性能對比如圖4 所示。可看出仿真性能和實測性能相當接近，證明HFSS 建模仿真可以準確預(yù)測微帶傳輸線的真實性能。

圖4 微帶傳輸線仿真性能和實測性能對比Fig. 4 Comparison between simulation performance and measured performance of microstrip transmission line

2.2 巴倫的聯(lián)合仿真

以巴倫為代表的一類無源器件，它們出現(xiàn)在射頻前端電路中時常常包括器件本身和外圍附帶的微帶傳輸線，因此在電磁聯(lián)合仿真時要將這2 個部分的影響都考慮進去，才能得到接近真實性能的仿真結(jié)果。以巴倫為例，采用的聯(lián)合仿真方法：巴倫芯片本身性能通過廠商提供的參數(shù)模型在ADS 中進行模擬，而端口外部的基板和微帶傳輸線等三維結(jié)構(gòu)以HFSS 建模仿真來得到考慮了所有空間耦合情況的snp 文件，最終將參數(shù)模型與snp 文件在ADS 中進行聯(lián)合仿真，得到電磁聯(lián)合仿真方法下對巴倫性能的預(yù)估。其中關(guān)鍵的技術(shù)難點在于如何在HFSS 模型中添加端口，使得在聯(lián)合仿真時能從端口處有效地插入巴倫參數(shù)模型，從而得到正確的仿真結(jié)果。如果端口設(shè)置方式不正確，就不能得出有意義的仿真結(jié)果。

在HFSS 中建立的巴倫測試板模型如圖5 所示，其中設(shè)置的lump port 端口用于插入巴倫參數(shù)模型和貼片電容等器件，wave port 端口用于外部信號輸入輸出。實際制作的巴倫測試板樣品如圖6 所示。巴倫測試板聯(lián)合仿真原理如圖7 所示。

圖5 巴倫測試板HFSS 模型Fig. 5 HFSS model of Barron test board

圖6 巴倫測試板樣品Fig. 6 Sample of Barron test board

圖7 巴倫測試板聯(lián)合仿真原理Fig. 7 Co-simulation principle of Barron test board

巴倫測試板聯(lián)合仿真性能和樣品實測性能對比如圖8 所示。可看出仿真和實測的插入損耗性能曲線基本重合，回波損耗整體水平基本一致，表明聯(lián)合仿真對實物性能的預(yù)測精度較高。

圖8 巴倫測試板仿真性能和實測性能對比Fig. 8 Comparison between simulation performance and measured performance of Barron test board

3 有源器件的聯(lián)合仿真

對有源器件進行電磁聯(lián)合仿真是整個射頻前端仿真中難度最高的環(huán)節(jié)，其建模、端口設(shè)置和讀取等操作中包含許多需要注意的地方，尤其是HFSS 模型中l(wèi)ump port 端口設(shè)置的形式、加入的位置等。另外，在ADS 中對有源器件參數(shù)模型和HFSS 仿真snp 文件進行聯(lián)合讀取時，需要在特定位置加入理想隔直元件，否則會影響直流電源加載效果，導(dǎo)致直流偏置異常，從而無法正常讀取有源器件的性能參數(shù)。以射頻前端主要組成部分放大器為例，BFP840 低噪晶體管是放大器的核心器件，其電磁聯(lián)合仿真的建模方式：使用廠商提供的參數(shù)封裝模型來描述BFP840 晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的性能，通過HFSS 建模仿真提取管腳外部所有PCB 三維結(jié)構(gòu)的耦合性能，外圍使用的貼片電抗元件則使用Murata真實參數(shù)封裝模型來模擬。

放大器測試板的HFSS 模型如圖9 所示，放大器測試板樣品如圖10 所示。放大器測試板聯(lián)合仿真原理如圖11 所示。

圖9 放大器測試板HFSS 模型Fig. 9 HFSS model of amplifier test board

圖10 放大器測試板樣品Fig. 10 Sample of amplifier test board

圖11 放大器測試板聯(lián)合仿真原理Fig. 11 Co-simulation principle of amplifier test board

放大器測試板聯(lián)合仿真性能和樣品實測性能對比如圖12 所示，可看出仿真性能和實測性能的曲線十分接近。

圖12 放大器測試板仿真性能和實測性能對比Fig. 12 Comparison between simulation performance and measured performance of amplifier test board

4 板級射頻前端整體聯(lián)合仿真

根據(jù)UWB 定位系統(tǒng)實際產(chǎn)品需求，射頻前端由射頻開關(guān)、發(fā)射通道放大器、接收通道低噪放模塊、微帶傳輸線連接結(jié)構(gòu)等部分構(gòu)成。射頻前端聯(lián)合仿真方法：對微帶傳輸線連接結(jié)構(gòu)、芯片外圍無源傳輸線結(jié)構(gòu)、多層基板物理結(jié)構(gòu)等進行三維建模，并以特殊方式在特定位置插入仿真端口；對射頻開關(guān)、放大器、低噪放晶體管等有源器件采用廠商提供的參數(shù)封裝模型；對阻容感等貼片元件采用實測參數(shù)模型；在ADS 中將三維電磁仿真數(shù)據(jù)、封裝模型、實測模型等部分通過正確方式有機組合，得到電磁聯(lián)合仿真結(jié)果。由于射頻開關(guān)參數(shù)封裝模型端口數(shù)不足，不能對收發(fā)通道同時導(dǎo)通，因此，雖然收發(fā)通道三維模型一樣，但在讀取收發(fā)通道聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)時需要分別建立原理圖單獨讀取。

射頻前端HFSS 模型如圖13 所示，實際制作的射頻前端樣品如圖14 所示。發(fā)射狀態(tài)和接收狀態(tài)下射頻前端聯(lián)合仿真原理如圖15 所示。

圖13 射頻前端HFSS 模型Fig. 13 HFSS model of RF front-end

圖14 射頻前端樣品Fig. 14 Sample of RF front-end

圖15 收發(fā)狀態(tài)下射頻前端聯(lián)合仿真原理Fig. 15 Co-simulation principle of RF front-end under transceiver status

接收狀態(tài)下，整個射頻前端發(fā)射通道的聯(lián)合仿真性能和實測性能對比如圖16 所示。發(fā)射狀態(tài)下，整個射頻前端接收通道的聯(lián)合仿真性能和實測性能對比如圖17 所示。從圖16、圖17 可看出，接收通道的電磁聯(lián)合仿真性能和實測性能整體基本吻合；而發(fā)射通道回波損耗仿真結(jié)果雖然和實測結(jié)果存在一定程度的頻率偏差，但整體水平基本一致，作為設(shè)計階段的仿真預(yù)測來說滿足應(yīng)用需求。由此可充分驗證，對射頻前端整體使用的電磁聯(lián)合仿真方法具有高度的預(yù)測性，在仿真階段完全可以作為有效的分析評估手段。

圖16 接收通道仿真性能和實測性能對比Fig. 16 Comparison between simulation performance and measured performance of receiving channel

圖17 發(fā)射通道仿真性能和實測性能對比Fig. 17 Comparison between simulation performance and measured performance of transmission channel

5 現(xiàn)場測試

將以電磁聯(lián)合仿真方法設(shè)計的射頻前端制作成PCB 樣品并用于UWB 定位系統(tǒng)，進行定位極限距離測試，將測試結(jié)果與采用原有射頻前端產(chǎn)品的測試結(jié)果進行對比，來驗證使用電磁聯(lián)合仿真方法設(shè)計的射頻前端樣品是否能滿足產(chǎn)品的實際指標需求。

UWB 定位系統(tǒng)主要包括4 個部分：① 定位標簽，由需要被定位的人員或設(shè)備攜帶，隨時發(fā)送包含自身位置信息的UWB 信號。② 定位基站，固定在標定位置，負責接收并解算定位標簽發(fā)送的UWB 信號。③ 軟件平臺，獲取、分析并傳輸信息給用戶和其他相關(guān)信息系統(tǒng)。④ 基站天線，在定位標簽和定位基站之間收發(fā)UWB 信號。射頻前端同時應(yīng)用于定位基站和定位標簽中。

測試布置如圖18 所示。基站天線以支架固定在基準參考位置上，并與定位基站及搭載軟件平臺的計算機終端相連，測試人員攜帶定位標簽逐漸遠離定位基站，在此過程中，通過計算機終端的軟件平臺觀察記錄定位結(jié)果及接收到的定位標簽信號強度。

圖18 測試布置Fig. 18 Test layout

通過多次測試，采用電磁聯(lián)合仿真方法設(shè)計的射頻前端樣品得到的最大定位距離為860 m 左右，在最大定位距離附近的接收信號強度為?85 dB·m 左右，與使用原有射頻前端產(chǎn)品時的最大定位距離和接收信號強度水平基本相當，表明采用電磁聯(lián)合仿真方法設(shè)計的射頻前端完全可以滿足實際產(chǎn)品性能需求。

6 結(jié)語

采用ADS 和HFSS 對UWB 定位系統(tǒng)射頻前端有源器件、無源器件及整體板級電路進行了聯(lián)合仿真，將以電磁聯(lián)合仿真方法設(shè)計的射頻前端制作成PCB 樣品并用于UWB 定位系統(tǒng)進行定位極限距離測試。測試結(jié)果表明，以電磁聯(lián)合仿真方法設(shè)計的射頻前端完全可以滿足實際產(chǎn)品性能需求，在設(shè)計階段對實際產(chǎn)品效果預(yù)測準確，避免了多次反復(fù)調(diào)試設(shè)計，提高了設(shè)計效率，降低了設(shè)計成本。