HFSS、ADS通信系统微波双工器设计仿真技巧百科全书

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导读：双工器是异频双工电台、中继台的主要配件，其作用是将发射和接收讯号相隔离，保证接收和发射都能同时正常工作，由两组不同频率的带通滤波器组成。主要性能指标：包括隔离度、插入损耗、频率稳定度、特性阻抗、最大输入功率、驻波比等。

作为工程技术人员，我们不仅需要深入理解微波双工器的工作原理、微波传输线理论，包括微带线、同轴线等传输线的特性阻抗、传播常数等概念。还应该熟悉滤波器设计理论，如巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）滤波器的特性。

我们还需要安装 HFSS（High - Frequency Structure Simulator）和 ADS（Advanced Design System）软件。并且学习 HFSS 和 ADS 软件的基本操作界面。例如在 HFSS 中，要熟悉如何创建几何模型、设置材料属性、划分网格以及设置边界条件；在 ADS 中，要掌握原理图设计、元件库的使用、仿真控制器的设置等操作。了解 HFSS 和 ADS 软件中与微波双工器设计相关的功能模块。如 HFSS 中的本征模求解器用于分析谐振结构，ADS 中的滤波器设计向导可以帮助快速生成滤波器的初始设计。

实例1：WCDMA微带双工器设计

一、双工器设计仿真步骤

1、确定双工器的性能指标

根据通信系统的要求，确定双工器的工作频率范围。例如，对于一个工作在 2GHz - 3GHz 频段的通信系统，双工器的发射频段可能是 2.4GHz - 2.5GHz，接收频段是 2.6GHz - 2.7GHz。

明确隔离度要求。隔离度是指双工器在发射和接收端口之间对信号的隔离能力，一般要求隔离度越高越好，通常在通信系统中隔离度要求达到 30dB - 50dB 以上。

考虑插入损耗。插入损耗是指信号通过双工器时的功率损耗，应尽量减小插入损耗，一般要求插入损耗小于 1dB - 3dB。

2、选择滤波器类型和结构

根据工作频率和性能要求选择滤波器类型。对于微波频段，常见的有微带滤波器、介质滤波器、波导滤波器等。例如，微带滤波器具有体积小、重量轻、易于集成等优点，适用于小型通信设备中的双工器设计。

确定滤波器结构。如采用平行耦合微带线滤波器结构或发夹型（Hairpin）微带滤波器结构。平行耦合微带线滤波器可以实现较宽的带宽和较好的带外抑制，发夹型微带滤波器则具有结构紧凑的特点。

3、在 HFSS 中进行几何建模

根据选定的滤波器结构，在 HFSS 中创建三维几何模型。例如，对于平行耦合微带线滤波器，需要创建微带线的几何形状，包括微带线的宽度、长度、间距等参数。

设置材料属性。一般微带线的介质材料可以选择 FR4（相对介电常数约为 4.4）或 Rogers（相对介电常数根据型号不同而不同）等材料，金属部分通常设置为铜（电导率等参数按实际情况设置）。

划分网格。合理的网格划分是保证仿真精度的关键。对于微波双工器的几何模型，在关键结构部分（如微带线的边缘、耦合区域等）需要进行精细的网格划分，而在一些对电磁场分布影响较小的区域可以适当粗化网格，以提高仿真效率。

4、设置边界条件和激励源

（1）为几何模型设置边界条件。如将模型放置在一个合适的空气盒中，并设置辐射边界条件（Radiation Boundary）来模拟无限大的空间环境，这样可以准确地模拟双工器在实际工作中的电磁辐射情况。

（2）添加激励源。根据双工器的工作方式，在发射端口和接收端口分别添加合适的激励源。例如，可以添加端口激励（Port Excitation），并设置激励的频率范围、模式等参数。

5、在 HFSS 中进行仿真分析

（1）选择合适的求解器。对于微波双工器设计，一般可以选择频域求解器（Frequency - Domain Solver）来求解电磁场分布和 S 参数（散射参数）。

（2）运行仿真。仿真过程中，HFSS 会根据设置的几何模型、材料属性、边界条件和激励源等信息，计算出双工器的电磁场分布、S 参数（如 S11、S21、S31 等）等结果。S 参数可以用于评估双工器的反射损耗、传输损耗和隔离度等性能。

（3）分析仿真结果。根据仿真得到的 S 参数曲线，检查双工器是否满足设计要求。如果不满足，需要调整几何模型的参数（如微带线的长度、宽度、耦合间距等），重新进行仿真，直到达到设计要求。

实例2：GSM900与GSM1800微带双工器设计

6、在 ADS 中进行电路级设计与仿真

（1）将 HFSS 中设计好的滤波器模型导入到 ADS 中。

ADS 支持多种模型导入方式，如通过 S 参数文件导入。这样可以将 HFSS 中精确的电磁场仿真结果与 ADS 中的电路设计功能相结合。在 ADS 中搭建双工器的电路原理图。除了导入的滤波器模型外，还需要添加其他必要的电路元件，如匹配网络元件、连接元件等。

（2）设置电路仿真参数。

包括信号源的频率、功率等参数，以及仿真的类型（如交流仿真、谐波平衡仿真等）。进行电路仿真并分析结果。通过电路仿真，可以进一步验证双工器在电路级别的性能，如功率分配、信号传输特性等。如果电路仿真结果不理想，同样需要调整电路元件的参数或优化电路结构。

二、双工器的优化与验证

1、参数优化

根据仿真结果，对双工器的几何参数（在 HFSS 中）或电路参数（在 ADS 中）进行优化。例如，通过调整微带线的长度可以改变滤波器的中心频率，调整耦合间距可以改变滤波器的带宽和带外抑制特性。可以使用软件自带的优化工具。如 HFSS 中的优化模块，通过设置优化目标（如最小化插入损耗、最大化隔离度等）和变量范围（如微带线长度的变化范围），让软件自动寻找最优的参数组合。

2、实物制作与测试验证

根据优化后的设计参数，制作双工器实物。在制作过程中，要确保加工精度，尤其是对于微带线的尺寸精度要求较高。使用矢量网络分析仪等测试设备对实物双工器进行测试。将测试结果与仿真结果进行对比，分析误差产生的原因。如果测试结果与仿真结果存在较大差异，需要检查设计过程、制作工艺等环节，对双工器进行进一步的调整和优化。

三、双工器设计仿真技巧百科全书

由仿真秀2024年度优秀讲师Stonerf创作的《HFSS、ADS通信系统微波双工器设计与仿真45讲》这门课程以仿真设计EDA软件HFSS、ADS、Sonnet等为基础，再结合工程设计实例，列举了13个微波双工器设计实例。

从工程设计仿真实践的角度出发，演示双工器由分析到最终仿真的过程，包含微带线结构双工器、悬置带线结构双工器、同轴腔体结构双工器和波导结构双工器等。频率从L band(1 to 2 GHz)到Ka band(26.5-40 GHz) ，包括带通-带通合路、低通-高通合路、低通-带通合路以及带通-带阻合路等。通过这门课程大家可以学习到微波双工器从分析到最终仿真的全过程，以及工程设计的思路与技巧，使之成为双工器工程设计仿真技巧百科全书。

《HFSS、ADS通信系统微波双工器设计与仿真45讲》