使用Nuhertz FilterSolutions的过滤器设计

Ansys 最近在其产品组合中添加了 Nuhertz FilterSolutions 产品，使客户群能够非常快速地创建射频滤波器。新产品协助工程师设计、合成和优化射频、微波和数字滤波器，降低开发成本，缩短上市时间，优化产品性能。

Nuhertz FilterSolutions 工作流程开始输入滤波器性能规范，该工具使用该规范来综合理想和物理滤波器布局实现。它还在 3D 高频电磁 (EM) 仿真软件 Ansys HFSS 中自动设置滤波器分析和优化。

过滤器设计一直是一项相当复杂和艰巨的任务，通常需要经验和具有强大背景的人。例如，高性能微波和毫米波滤波器设计就是如此，它们需要专业知识来综合滤波器布局。此外，RF 和微波滤波器会受到电磁 (EM) 交叉耦合的影响，这通常是传统电路建模方法不准确的根源。然而，即使是 EM 软件也被证明不足以优化高阶滤波器，这个目标可以更快地实现，创建一个准确的第一个设计原型。

缺乏准确度的滤波器设计不可避免地需要一个漫长而昂贵的调整阶段，该阶段必须直接在工作台上执行。如果没有适当考虑组件的公差，这种情况通常会加剧。基于良好 CAE 的方法能够提供独立于制造或组件公差的免调整设计。

“如今，很难找到熟悉并具备滤波器设计专业知识的射频设计师，”Ansys Nuhertz FilterSolutions 产品经理 Shawn Carpenter 说。“我们购买了这款 Nuhertz FilterSolutions 产品，并将其用作我们的电磁仿真套件 ANSYS HFSS 软件的前端，以提供一种能够设计、合成、虚拟测试、调整和优化滤波器的工具，使其适用于制造公差”。

对新手用户特别有用的是 FilterQuick 界面（如图 1 所示），它还允许非专家用户快速设计和合成过滤器，所有控件都在一个面板中可用。然后可以将设计推送到 HFSS 进行验证。

图 1：FilterQuick 界面

Nuhertz FilterSolutions 是一种建模和仿真工具，其主要优点可概括如下：

过滤器设计和候选过滤器结构合成的自动化

通过精确的物理模拟对滤波器进行虚拟原型设计

有助于评估产量、工艺公差和相关影响，例如电损耗、加热、机械变形和应力。

“当您在商业公司中面临时间压力时，我们的新工具就会出现，或者在某种资助的研究中，您面临着提出过滤器设计的压力，并且需要经过验证的过滤器设计，以便在没有多个原型阶段的情况下快速构建”，卡彭特说。

过滤器设计

新工具可以设计和合成的过滤器类别很多，包括：

射频和微波滤波器：这些滤波器非常常见，广泛用于电子应用中，以通过或阻止射频频谱中的某些信号分量。它们还用于射频发射器和接收器，通过去除一些不需要的频率来提高选择性和灵敏度，以及用于 ADC 和 DAC 转换。对于平面过滤器，Nuhertz FilterSolutions 工具提供了与所选过滤器类型相关的几何形状列表，并在用户选择每个过滤器时立即预测过滤器响应。该工具生成的平面几何形状可以导出到 Ansys HFSS，以进行高保真预测和滤波器性能优化。图 2 显示了 Ansys HFSS 中低通滤波器的几何结构

无源和集总滤波器：集总元件滤波器是一种电容器和电感器 (LC) 的组合，可调谐为在特定频率或频带内谐振，对于抑制谐波和减少影响电力系统的失真至关重要。该工具提供与滤波器规格相匹配的 LC 原理图综合，并允许设计人员调整和优化每个元素

分布式滤波器：平面传输线和分布式滤波器的合成使设计人员能够快速合成具有平面传输线互连的微带线、带状线、悬浮带状线、非对称带状线和表面集总元件

有源滤波器：该工具允许合成有源滤波器，通常基于运算放大器。有源滤波器的网表可以以 SPICE 格式导出

开关电容滤波器：通常在集成电路中使用，其中电容器和 MOSFET 可用，比电阻器或电感器成本更低且体积更小，此类滤波器模拟滤波器的行为，其值是用于驱动开关频率的函数电路。该工具提供了一个广泛的开关电容数字滤波器实现库，包括具有 Z 变换的 IIR 和 FIR 实现以及用于灵敏度的蒙特卡罗分析

数字滤波器：广泛应用于嵌入式处理器和数字信号处理器（DSP），可合成FIR和IIR数字滤波器，提供滤波器架构和系数实现。数字滤波器合成模块还可以为生成的滤波器导出 C 代码，准备好包含在 DSP 系统中。

Zmatch：从复杂的负载定义开始，该模块合成一个匹配网络以实现最大功率传输。它包括离散频率和宽带匹配模式，并提供集总、分布式和混合实现的最佳匹配网络。

图 2：Ansys HFSS 中低通滤波器的几何结构，由 Ansys Nuhertz FilterSolutions 生成

新软件包也已添加到 Ansys 学术包中。因此，它现在可供研究和教育机构使用。它还与 HFSS 软件一起在 Ansys 教育包中提供。

“今天，在不同的情况下，需要滤波器的数字表示，而 Nuhertz FilterSolutions 包实际上能够合成可用于数字信号处理器的软件子程序或代码，”Carpenter 说。“该工具实际上通过现有的许多拓扑为 IIR 或 FIR 滤波器创建 C 代码以实现该滤波器，并且可以使用运算放大器或单个增益级晶体管等有源组件创建滤波器。我们有能力合成它们”。

审核编辑：汤梓红