前言

射頻濾波器是一種用于選擇性地允許某些頻率通過而阻擋其他頻率的電子設備。它們在通信系統、雷達、無線網絡和其他高頻應用中起著至關重要的作用。

在實際項目設計中，在確定射頻濾波器幾何結構設計參數前，都需要根據濾波器的設計參數確定濾波器的理論等效電路架構，工程師可根據相關成熟的理論公式進行初步的設計，但實際項目中，不同的應用場景對濾波器性能都有不同的要求，此時用戶需要使用原理圖工具進行射頻濾波器電路架構的靈活搭建，并進行參數化處理實現耦合系數的優化及提取，用于指導3D模型的設計。

XDS平臺簡介

芯和半導體XDS是面向射頻系統的設計及仿真的軟件平臺，它集成了電路、電磁場（矩量法、有限元）的求解仿真功能，亦可進行場路協同仿真及高級優化分析，為客戶在電路、電磁、系統等提供更好的設計指導及項目前期的可行性評估、風險的規避。

XDS射頻濾波器耦合系數優化提取

本文案例以腔體濾波器為例，主要介紹如何使用XDS平臺完成4/5G的Band3下行頻段的腔體濾波器的原理圖設計及其耦合系數優化提取的操作過程。

01電路拓撲的搭建

打開XDS后，選擇新建New Cell的新原理圖創建，軟件自動打開新的原理圖工程。

圖 1 創建新的原理圖工程

在原理圖右側窗口的ComponentLib中分別將并聯RLC模型及1/4波長傳輸線模型拖拽出來，如下兩圖所示。RLC并聯諧振電路在Lumped Component里面，1/4波長傳輸線模型在TML庫下的Ideal TML下。

圖 2 調用1/4波長傳輸線及RLC并聯諧振電路模型

為需要對模型進行參數化及相關參數化的公式計算，需要導入變量，并對變量進行賦值或者公式化的計算，在Edit中點擊VarEqn，點擊原理圖空白處即可完成變量模塊的添加，然后雙擊模塊在Name中填入變量，在Value中填入值或者公式，點擊“>>”圖標完成變量添加。最后在上述添加完的傳輸線或者RLC諧振電路中填入對應變量，即可完成對電路模型的變量化定義。

圖 3 變量的添加并對電路模型參數化設置

對于1/4波長傳輸線模型，所有參數化模型配置如下圖4所示。GA/GB為端口特性阻抗50Ω的導納，J和K分別為耦合系數，傳輸線特性阻抗取J和K的倒數，1/4波長對應頻率取Freq（為XDS軟件自帶的全局變量），Qes及Qel分別為外部端口與相鄰諧振腔組合后的外部Q值。

圖 4 1/4波長傳輸線模型及其變量設置

對于RLC并聯諧振電路，如下圖5所示，考慮變量Q可能為軟件的默認其它模塊全局變量的可能，因此將腔體自身的Q值變量定義為xQ，一般諧振腔Q值范圍在2000~4000，因此在這里設置為3000。Fn、Ln、Cn分別為各自諧振腔對應的等效諧振頻率及LC值。

圖 5 RLC諧振電路模型及其變量設置

最后將上述模塊和變量集合后，如下圖全鏈路的搭建所示，各個變量的初始值為根據濾波器設計參數及理論計算出來的初始值。

圖 6 全鏈路搭建

02仿真優化配置

全鏈路搭建完后，即可查看電路S參數，因此如下圖所示，添加S參數仿真項目，頻率從1.6到3GHz。

圖 7 添加S參數掃描仿真

由于理論計算的結果一般都有一定的偏差，未能達到實際項目的設計冗余，因此需要對相關變量進行優化。首先需要進行變量優化范圍的設置，在Simulation中，選擇Optimization標簽——即為自動優化設置，然后對需要自動優化的變量勾選Enable。

圖8所示，分別對5個諧振腔的諧振中心頻率Fn變量進行掃描范圍配置，用戶可根據自己經驗設置掃描范圍，一般情況下取中心頻率的+/-10%左右。

圖 8 RLC諧振電路諧振頻率變量Fn掃描范圍配置

圖9：1/4波長傳輸線中的K和Qe掃描范圍，用戶可根據相關項目經驗進行配置，一般情況下建議最小值配置為初始值的一半，最大值為初始值的2倍左右。

圖 9 1/4波長傳輸線的Qe及K系數變量掃描范圍設置

接下來是優化配置項及優化目標的添加，首先在左側項目管理窗口中選擇Optimetric中右鍵添加Optimization自動優化配置項，然后雙擊打開配置項目，在彈出窗口的add中添加對應反正目標的S參數，由于對濾波器的回損及插損的帶外抑制都有限制。因此對于帶內的S11/S22在1805-1880MHz限制為小于-22dB（相比-20dB的設計指標預留2dB余量），帶外抑制S21在1600-1685MHz及2000-3000MHz頻段需要57dB以上的衰減，因此目標設置為小于-57dB，下圖中藍色實線框為對應S參數下各頻率范圍設置。優化算法選擇Newton算法，可在Setup中選擇對應算法的迭代次數為100次，誤差為0，對應不同的工程優化算法可能不一，用戶需要根據實際情況，靈活調用優化算法。

圖 10 自動優化項目的配置

優化項目配置完畢后，即可如下圖所示右鍵選擇仿真，并點擊開始按鈕，XDS會自動根據上述變量的范圍進行自動的掃描計算，在彈出窗口中會分別顯示對應不同目標當前優化值及限制門限值，軟件根據Cost值去自動判斷是否達標且停止優化。下圖中，Cost值達到0后，自動優化自動停止，并點擊Update Design后，軟件會將自動優化完畢的變量值寫到原理圖變量中。

圖 11 自動優化仿真

03優化結果輸出

優化完畢后，可在軟件中查看相關的S參數結果，用戶可以通過標記Mark值讀取對應頻點的值。可從下圖看出，結果均在自動優化目標要求范圍內。

圖 12 自動優化仿真

下圖為軟件根據優化結果，自動更新對應變量的值，從而實現了耦合系數的優化提取。用戶可根據相關的耦合系數值、外部Q值去完成腔體濾波器3D模型的設計，或者根據變量值的趨勢變化對3D模型進行調優設計。

圖 13 自動優化后更新的變量值

總結

本文主要介紹了如何使用XDS平臺完成射頻濾波器的原理圖參數化設計及其耦合系數優化提取流程：用戶可根據理論對濾波器耦合系數進行初步的計算，利用XDS的原理圖模塊進行電路拓撲的搭建，在原理圖中可使用XDS提供的阻抗變換器、RLC并聯諧振器進行參數化設置。最后通過XDS原理圖的自動優化功能，針對S參數目標值進行了參數化模型的自動掃參優化。

XDS是面向射頻系統設計及仿真的軟件平臺，支持射頻系統原理圖的鏈路搭建及參數化建模，并可實現自動優化、Tune、參數化掃描、蒙特卡洛等高級分析功能，可以幫設計工程師節省時間，縮短設計的周期，提高設計效率。

關于芯和半導體EDA

芯和半導體提供“半導體全產業鏈仿真EDA解決方案”，是新一代智能電子產品中設計高頻/高速電子組件的重要工具，擁有領先的2.5D/3D Chiplet先進封裝設計分析全流程的EDA平臺。產品涵蓋三大領域：：

芯片設計：匹配主流晶圓廠工藝節點，支持定制化PDK構建需求，內嵌豐富的片上器件模型，幫助用戶快速精準地實現建模與寄生參數提取。

封裝設計：集成多類封裝庫，提供通孔、走線和疊層的全棧電磁場仿真工具，為2.5D/3DIC先進封裝打造領先的統一仿真平臺，提高產品開發和優化效率。

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關于芯和半導體

芯和半導體是一家從事電子設計自動化（EDA）軟件工具研發的高新技術企業，以仿真驅動設計，提供覆蓋IC、封裝到系統的具備完全自主知識產權的全產業鏈 EDA 解決方案，支持SoC先進工藝與Chiplet先進封裝，致力于賦能和加速新一代高速高頻智能電子產品的設計，已在5G、智能手機、物聯網、人工智能和數據中心等領域得到廣泛應用。

芯和半導體創建于2010年，現已榮獲國家級專精特新小巨人企業、國家科技進步獎一等獎，公司運營及研發總部位于上海張江，在蘇州、武漢、西安和深圳設有研發分中心，在北京、深圳、成都、西安、美國硅谷設有銷售和技術支持部門。