使用Nuhertz FilterSolutions的過濾器設(shè)計

Ansys 最近在其產(chǎn)品組合中添加了 Nuhertz FilterSolutions 產(chǎn)品，使客戶群能夠非?？焖俚貏?chuàng)建射頻濾波器。新產(chǎn)品協(xié)助工程師設(shè)計、合成和優(yōu)化射頻、微波和數(shù)字濾波器，降低開發(fā)成本，縮短上市時間，優(yōu)化產(chǎn)品性能。

Nuhertz FilterSolutions 工作流程開始輸入濾波器性能規(guī)范，該工具使用該規(guī)范來綜合理想和物理濾波器布局實現(xiàn)。它還在 3D 高頻電磁 (EM) 仿真軟件 Ansys HFSS 中自動設(shè)置濾波器分析和優(yōu)化。

過濾器設(shè)計一直是一項相當(dāng)復(fù)雜和艱巨的任務(wù)，通常需要經(jīng)驗和具有強大背景的人。例如，高性能微波和毫米波濾波器設(shè)計就是如此，它們需要專業(yè)知識來綜合濾波器布局。此外，RF 和微波濾波器會受到電磁 (EM) 交叉耦合的影響，這通常是傳統(tǒng)電路建模方法不準確的根源。然而，即使是 EM 軟件也被證明不足以優(yōu)化高階濾波器，這個目標可以更快地實現(xiàn)，創(chuàng)建一個準確的第一個設(shè)計原型。

缺乏準確度的濾波器設(shè)計不可避免地需要一個漫長而昂貴的調(diào)整階段，該階段必須直接在工作臺上執(zhí)行。如果沒有適當(dāng)考慮組件的公差，這種情況通常會加劇。基于良好 CAE 的方法能夠提供獨立于制造或組件公差的免調(diào)整設(shè)計。

“如今，很難找到熟悉并具備濾波器設(shè)計專業(yè)知識的射頻設(shè)計師，”Ansys Nuhertz FilterSolutions 產(chǎn)品經(jīng)理 Shawn Carpenter 說?！拔覀冑徺I了這款 Nuhertz FilterSolutions 產(chǎn)品，并將其用作我們的電磁仿真套件 ANSYS HFSS 軟件的前端，以提供一種能夠設(shè)計、合成、虛擬測試、調(diào)整和優(yōu)化濾波器的工具，使其適用于制造公差”。

對新手用戶特別有用的是 FilterQuick 界面（如圖 1 所示），它還允許非專家用戶快速設(shè)計和合成過濾器，所有控件都在一個面板中可用。然后可以將設(shè)計推送到 HFSS 進行驗證。

圖 1：FilterQuick 界面

Nuhertz FilterSolutions 是一種建模和仿真工具，其主要優(yōu)點可概括如下：

過濾器設(shè)計和候選過濾器結(jié)構(gòu)合成的自動化

通過精確的物理模擬對濾波器進行虛擬原型設(shè)計

有助于評估產(chǎn)量、工藝公差和相關(guān)影響，例如電損耗、加熱、機械變形和應(yīng)力。

“當(dāng)您在商業(yè)公司中面臨時間壓力時，我們的新工具就會出現(xiàn)，或者在某種資助的研究中，您面臨著提出過濾器設(shè)計的壓力，并且需要經(jīng)過驗證的過濾器設(shè)計，以便在沒有多個原型階段的情況下快速構(gòu)建”，卡彭特說。

過濾器設(shè)計

新工具可以設(shè)計和合成的過濾器類別很多，包括：

射頻和微波濾波器：這些濾波器非常常見，廣泛用于電子應(yīng)用中，以通過或阻止射頻頻譜中的某些信號分量。它們還用于射頻發(fā)射器和接收器，通過去除一些不需要的頻率來提高選擇性和靈敏度，以及用于 ADC 和 DAC 轉(zhuǎn)換。對于平面過濾器，Nuhertz FilterSolutions 工具提供了與所選過濾器類型相關(guān)的幾何形狀列表，并在用戶選擇每個過濾器時立即預(yù)測過濾器響應(yīng)。該工具生成的平面幾何形狀可以導(dǎo)出到 Ansys HFSS，以進行高保真預(yù)測和濾波器性能優(yōu)化。圖 2 顯示了 Ansys HFSS 中低通濾波器的幾何結(jié)構(gòu)

無源和集總濾波器：集總元件濾波器是一種電容器和電感器 (LC) 的組合，可調(diào)諧為在特定頻率或頻帶內(nèi)諧振，對于抑制諧波和減少影響電力系統(tǒng)的失真至關(guān)重要。該工具提供與濾波器規(guī)格相匹配的 LC 原理圖綜合，并允許設(shè)計人員調(diào)整和優(yōu)化每個元素

分布式濾波器：平面?zhèn)鬏斁€和分布式濾波器的合成使設(shè)計人員能夠快速合成具有平面?zhèn)鬏斁€互連的微帶線、帶狀線、懸浮帶狀線、非對稱帶狀線和表面集總元件

有源濾波器：該工具允許合成有源濾波器，通?；?a target="_blank">運算放大器。有源濾波器的網(wǎng)表可以以 SPICE 格式導(dǎo)出

開關(guān)電容濾波器：通常在集成電路中使用，其中電容器和 MOSFET 可用，比電阻器或電感器成本更低且體積更小，此類濾波器模擬濾波器的行為，其值是用于驅(qū)動開關(guān)頻率的函數(shù)電路。該工具提供了一個廣泛的開關(guān)電容數(shù)字濾波器實現(xiàn)庫，包括具有 Z 變換的 IIR 和 FIR 實現(xiàn)以及用于靈敏度的蒙特卡羅分析

數(shù)字濾波器：廣泛應(yīng)用于嵌入式處理器和數(shù)字信號處理器（DSP），可合成FIR和IIR數(shù)字濾波器，提供濾波器架構(gòu)和系數(shù)實現(xiàn)。數(shù)字濾波器合成模塊還可以為生成的濾波器導(dǎo)出 C 代碼，準備好包含在 DSP 系統(tǒng)中。

Zmatch：從復(fù)雜的負載定義開始，該模塊合成一個匹配網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)最大功率傳輸。它包括離散頻率和寬帶匹配模式，并提供集總、分布式和混合實現(xiàn)的最佳匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖 2：Ansys HFSS 中低通濾波器的幾何結(jié)構(gòu)，由 Ansys Nuhertz FilterSolutions 生成

新軟件包也已添加到 Ansys 學(xué)術(shù)包中。因此，它現(xiàn)在可供研究和教育機構(gòu)使用。它還與 HFSS 軟件一起在 Ansys 教育包中提供。

“今天，在不同的情況下，需要濾波器的數(shù)字表示，而 Nuhertz FilterSolutions 包實際上能夠合成可用于數(shù)字信號處理器的軟件子程序或代碼，”Carpenter 說?！霸摴ぞ邔嶋H上通過現(xiàn)有的許多拓撲為 IIR 或 FIR 濾波器創(chuàng)建 C 代碼以實現(xiàn)該濾波器，并且可以使用運算放大器或單個增益級晶體管等有源組件創(chuàng)建濾波器。我們有能力合成它們”。

審核編輯：湯梓紅