如何实现射频滤波器的耦合系数优化提取

前言

射频滤波器是一种用于选择性地允许某些频率通过而阻挡其他频率的电子设备。它们在通信系统、雷达、无线网络和其他高频应用中起着至关重要的作用。

在实际项目设计中，在确定射频滤波器几何结构设计参数前，都需要根据滤波器的设计参数确定滤波器的理论等效电路架构，工程师可根据相关成熟的理论公式进行初步的设计，但实际项目中，不同的应用场景对滤波器性能都有不同的要求，此时用户需要使用原理图工具进行射频滤波器电路架构的灵活搭建，并进行参数化处理实现耦合系数的优化及提取，用于指导3D模型的设计。

XDS平台简介

芯和半导体XDS是面向射频系统的设计及仿真的软件平台，它集成了电路、电磁场（矩量法、有限元）的求解仿真功能，亦可进行场路协同仿真及高级优化分析，为客户在电路、电磁、系统等提供更好的设计指导及项目前期的可行性评估、风险的规避。

XDS射频滤波器耦合系数优化提取

本文案例以腔体滤波器为例，主要介绍如何使用XDS平台完成4/5G的Band3下行频段的腔体滤波器的原理图设计及其耦合系数优化提取的操作过程。

01电路拓扑的搭建

打开XDS后，选择新建New Cell的新原理图创建，软件自动打开新的原理图工程。

图 1 创建新的原理图工程

在原理图右侧窗口的ComponentLib中分别将并联RLC模型及1/4波长传输线模型拖拽出来，如下两图所示。RLC并联谐振电路在Lumped Component里面，1/4波长传输线模型在TML库下的Ideal TML下。

图 2 调用1/4波长传输线及RLC并联谐振电路模型

为需要对模型进行参数化及相关参数化的公式计算，需要导入变量，并对变量进行赋值或者公式化的计算，在Edit中点击VarEqn，点击原理图空白处即可完成变量模块的添加，然后双击模块在Name中填入变量，在Value中填入值或者公式，点击“>>”图标完成变量添加。最后在上述添加完的传输线或者RLC谐振电路中填入对应变量，即可完成对电路模型的变量化定义。

图 3 变量的添加并对电路模型参数化设置

对于1/4波长传输线模型，所有参数化模型配置如下图4所示。GA/GB为端口特性阻抗50Ω的导纳，J和K分别为耦合系数，传输线特性阻抗取J和K的倒数，1/4波长对应频率取Freq（为XDS软件自带的全局变量），Qes及Qel分别为外部端口与相邻谐振腔组合后的外部Q值。

图 4 1/4波长传输线模型及其变量设置

对于RLC并联谐振电路，如下图5所示，考虑变量Q可能为软件的默认其它模块全局变量的可能，因此将腔体自身的Q值变量定义为xQ，一般谐振腔Q值范围在2000~4000，因此在这里设置为3000。Fn、Ln、Cn分别为各自谐振腔对应的等效谐振频率及LC值。

图 5 RLC谐振电路模型及其变量设置

最后将上述模块和变量集合后，如下图全链路的搭建所示，各个变量的初始值为根据滤波器设计参数及理论计算出来的初始值。

图 6 全链路搭建

02仿真优化配置

全链路搭建完后，即可查看电路S参数，因此如下图所示，添加S参数仿真项目，频率从1.6到3GHz。

图 7 添加S参数扫描仿真

由于理论计算的结果一般都有一定的偏差，未能达到实际项目的设计冗余，因此需要对相关变量进行优化。首先需要进行变量优化范围的设置，在Simulation中，选择Optimization标签——即为自动优化设置，然后对需要自动优化的变量勾选Enable。

图8所示，分别对5个谐振腔的谐振中心频率Fn变量进行扫描范围配置，用户可根据自己经验设置扫描范围，一般情况下取中心频率的+/-10%左右。

图 8 RLC谐振电路谐振频率变量Fn扫描范围配置

图9：1/4波长传输线中的K和Qe扫描范围，用户可根据相关项目经验进行配置，一般情况下建议最小值配置为初始值的一半，最大值为初始值的2倍左右。

图 9 1/4波长传输线的Qe及K系数变量扫描范围设置

接下来是优化配置项及优化目标的添加，首先在左侧项目管理窗口中选择Optimetric中右键添加Optimization自动优化配置项，然后双击打开配置项目，在弹出窗口的add中添加对应反正目标的S参数，由于对滤波器的回损及插损的带外抑制都有限制。因此对于带内的S11/S22在1805-1880MHz限制为小于-22dB（相比-20dB的设计指标预留2dB余量），带外抑制S21在1600-1685MHz及2000-3000MHz频段需要57dB以上的衰减，因此目标设置为小于-57dB，下图中蓝色实线框为对应S参数下各频率范围设置。优化算法选择Newton算法，可在Setup中选择对应算法的迭代次数为100次，误差为0，对应不同的工程优化算法可能不一，用户需要根据实际情况，灵活调用优化算法。

图 10 自动优化项目的配置

优化项目配置完毕后，即可如下图所示右键选择仿真，并点击开始按钮，XDS会自动根据上述变量的范围进行自动的扫描计算，在弹出窗口中会分别显示对应不同目标当前优化值及限制门限值，软件根据Cost值去自动判断是否达标且停止优化。下图中，Cost值达到0后，自动优化自动停止，并点击Update Design后，软件会将自动优化完毕的变量值写到原理图变量中。

图 11 自动优化仿真

03优化结果输出

优化完毕后，可在软件中查看相关的S参数结果，用户可以通过标记Mark值读取对应频点的值。可从下图看出，结果均在自动优化目标要求范围内。

图 12 自动优化仿真

下图为软件根据优化结果，自动更新对应变量的值，从而实现了耦合系数的优化提取。用户可根据相关的耦合系数值、外部Q值去完成腔体滤波器3D模型的设计，或者根据变量值的趋势变化对3D模型进行调优设计。

图 13 自动优化后更新的变量值

总结

本文主要介绍了如何使用XDS平台完成射频滤波器的原理图参数化设计及其耦合系数优化提取流程：用户可根据理论对滤波器耦合系数进行初步的计算，利用XDS的原理图模块进行电路拓扑的搭建，在原理图中可使用XDS提供的阻抗变换器、RLC并联谐振器进行参数化设置。最后通过XDS原理图的自动优化功能，针对S参数目标值进行了参数化模型的自动扫参优化。

XDS是面向射频系统设计及仿真的软件平台，支持射频系统原理图的链路搭建及参数化建模，并可实现自动优化、Tune、参数化扫描、蒙特卡洛等高级分析功能，可以帮设计工程师节省时间，缩短设计的周期，提高设计效率。

关于芯和半导体EDA

芯和半导体提供“半导体全产业链仿真EDA解决方案”，是新一代智能电子产品中设计高频/高速电子组件的重要工具，拥有领先的2.5D/3D Chiplet先进封装设计分析全流程的EDA平台。产品涵盖三大领域：：

芯片设计：匹配主流晶圆厂工艺节点，支持定制化PDK构建需求，内嵌丰富的片上器件模型，帮助用户快速精准地实现建模与寄生参数提取。

封装设计：集成多类封装库，提供通孔、走线和叠层的全栈电磁场仿真工具，为2.5D/3DIC先进封装打造领先的统一仿真平台，提高产品开发和优化效率。

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