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）

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 Frequency Structure Simulator，HFSS）软件探究了0～20 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3.0～6.0 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 Integration Time Domain 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

1.1 ADS 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（Radio Frequency 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 of Moments，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]。

1.2 HFSS 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]。

1.3 ADS 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。

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

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近，证明HFSS 建模仿真可以准确预测微带传输线的真实性能。

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 measured performance of microstrip transmission line

2.2 巴伦的联合仿真

以巴伦为代表的一类无源器件，它们出现在射频前端电路中时常常包括器件本身和外围附带的微带传输线，因此在电磁联合仿真时要将这2 个部分的影响都考虑进去，才能得到接近真实性能的仿真结果。以巴伦为例，采用的联合仿真方法：巴伦芯片本身性能通过厂商提供的参数模型在ADS 中进行模拟，而端口外部的基板和微带传输线等三维结构以HFSS 建模仿真来得到考虑了所有空间耦合情况的snp 文件，最终将参数模型与snp 文件在ADS 中进行联合仿真，得到电磁联合仿真方法下对巴伦性能的预估。其中关键的技术难点在于如何在HFSS 模型中添加端口，使得在联合仿真时能从端口处有效地插入巴伦参数模型，从而得到正确的仿真结果。如果端口设置方式不正确，就不能得出有意义的仿真结果。

在HFSS 中建立的巴伦测试板模型如图5 所示，其中设置的lump port 端口用于插入巴伦参数模型和贴片电容等器件，wave port 端口用于外部信号输入输出。实际制作的巴伦测试板样品如图6 所示。巴伦测试板联合仿真原理如图7 所示。

图5 巴伦测试板HFSS 模型Fig. 5 HFSS model of Barron test board

图6 巴伦测试板样品Fig. 6 Sample of Barron test board

图7 巴伦测试板联合仿真原理Fig. 7 Co-simulation principle of Barron test board

巴伦测试板联合仿真性能和样品实测性能对比如图8 所示。可看出仿真和实测的插入损耗性能曲线基本重合，回波损耗整体水平基本一致，表明联合仿真对实物性能的预测精度较高。

图8 巴伦测试板仿真性能和实测性能对比Fig. 8 Comparison between simulation performance and measured performance of Barron test board

3 有源器件的联合仿真

对有源器件进行电磁联合仿真是整个射频前端仿真中难度最高的环节，其建模、端口设置和读取等操作中包含许多需要注意的地方，尤其是HFSS 模型中lump port 端口设置的形式、加入的位置等。另外，在ADS 中对有源器件参数模型和HFSS 仿真snp 文件进行联合读取时，需要在特定位置加入理想隔直元件，否则会影响直流电源加载效果，导致直流偏置异常，从而无法正常读取有源器件的性能参数。以射频前端主要组成部分放大器为例，BFP840 低噪晶体管是放大器的核心器件，其电磁联合仿真的建模方式：使用厂商提供的参数封装模型来描述BFP840 晶体管内部结构的性能，通过HFSS 建模仿真提取管脚外部所有PCB 三维结构的耦合性能，外围使用的贴片电抗元件则使用Murata真实参数封装模型来模拟。

放大器测试板的HFSS 模型如图9 所示，放大器测试板样品如图10 所示。放大器测试板联合仿真原理如图11 所示。

图9 放大器测试板HFSS 模型Fig. 9 HFSS model of amplifier test board

图10 放大器测试板样品Fig. 10 Sample of amplifier test board

图11 放大器测试板联合仿真原理Fig. 11 Co-simulation principle of amplifier test board

放大器测试板联合仿真性能和样品实测性能对比如图12 所示，可看出仿真性能和实测性能的曲线十分接近。

图12 放大器测试板仿真性能和实测性能对比Fig. 12 Comparison between simulation performance and measured performance of amplifier test board

4 板级射频前端整体联合仿真

根据UWB 定位系统实际产品需求，射频前端由射频开关、发射通道放大器、接收通道低噪放模块、微带传输线连接结构等部分构成。射频前端联合仿真方法：对微带传输线连接结构、芯片外围无源传输线结构、多层基板物理结构等进行三维建模，并以特殊方式在特定位置插入仿真端口；对射频开关、放大器、低噪放晶体管等有源器件采用厂商提供的参数封装模型；对阻容感等贴片元件采用实测参数模型；在ADS 中将三维电磁仿真数据、封装模型、实测模型等部分通过正确方式有机组合，得到电磁联合仿真结果。由于射频开关参数封装模型端口数不足，不能对收发通道同时导通，因此，虽然收发通道三维模型一样，但在读取收发通道联合仿真数据时需要分别建立原理图单独读取。

射频前端HFSS 模型如图13 所示，实际制作的射频前端样品如图14 所示。发射状态和接收状态下射频前端联合仿真原理如图15 所示。

图13 射频前端HFSS 模型Fig. 13 HFSS model of RF front-end

图14 射频前端样品Fig. 14 Sample of RF front-end

图15 收发状态下射频前端联合仿真原理Fig. 15 Co-simulation principle of RF front-end under transceiver status

接收状态下，整个射频前端发射通道的联合仿真性能和实测性能对比如图16 所示。发射状态下，整个射频前端接收通道的联合仿真性能和实测性能对比如图17 所示。从图16、图17 可看出，接收通道的电磁联合仿真性能和实测性能整体基本吻合；而发射通道回波损耗仿真结果虽然和实测结果存在一定程度的频率偏差，但整体水平基本一致，作为设计阶段的仿真预测来说满足应用需求。由此可充分验证，对射频前端整体使用的电磁联合仿真方法具有高度的预测性，在仿真阶段完全可以作为有效的分析评估手段。

图16 接收通道仿真性能和实测性能对比Fig. 16 Comparison between simulation performance and measured performance of receiving channel

图17 发射通道仿真性能和实测性能对比Fig. 17 Comparison between simulation performance and measured performance of transmission channel

5 现场测试

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，进行定位极限距离测试，将测试结果与采用原有射频前端产品的测试结果进行对比，来验证使用电磁联合仿真方法设计的射频前端样品是否能满足产品的实际指标需求。

UWB 定位系统主要包括4 个部分：① 定位标签，由需要被定位的人员或设备携带，随时发送包含自身位置信息的UWB 信号。② 定位基站，固定在标定位置，负责接收并解算定位标签发送的UWB 信号。③ 软件平台，获取、分析并传输信息给用户和其他相关信息系统。④ 基站天线，在定位标签和定位基站之间收发UWB 信号。射频前端同时应用于定位基站和定位标签中。

测试布置如图18 所示。基站天线以支架固定在基准参考位置上，并与定位基站及搭载软件平台的计算机终端相连，测试人员携带定位标签逐渐远离定位基站，在此过程中，通过计算机终端的软件平台观察记录定位结果及接收到的定位标签信号强度。

图18 测试布置Fig. 18 Test layout

通过多次测试，采用电磁联合仿真方法设计的射频前端样品得到的最大定位距离为860 m 左右，在最大定位距离附近的接收信号强度为−85 dB·m 左右，与使用原有射频前端产品时的最大定位距离和接收信号强度水平基本相当，表明采用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。

6 结语

采用ADS 和HFSS 对UWB 定位系统射频前端有源器件、无源器件及整体板级电路进行了联合仿真，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，避免了多次反复调试设计，提高了设计效率，降低了设计成本。