HFSS应用案例：射频衰减器仿真与优化
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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。
02HFSS仿真思路与流程
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。
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。
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