基于HFSS、ADS微带滤波器仿真与设计

作者 |Stonerf 仿真秀优秀讲师

首发 |仿真秀App

导读：自毕业至今，从事微波射频相关工作已经十年了，回想这个行业的点点滴滴，有一些个人的学习心得体会和大家分享一下。“实践是检验真理的唯一标准”这句话一直伴随自己从学习到工作，当踏入社会工作的第一天，不是你从枯燥的学习生涯解脱，而是真正进入更深层的学习和自我总结之路。在这里接合人个的学习经验，给大家分享一下我的滤波器学习之路。

一、基础知识

基础知识不仅要扎实，而且需要经常重复学习。我们的记忆都会在时间流逝下遗忘的，不经常接触的东西或者事物，一般都会逐渐遗忘。因此，经常重复学习一些基础知识有利用加深我们对相关知识的理解与运用。

针对微波滤波器这一块，首先推荐第一本参考书《微波工程》，这是作为射频人应该必读的一本书，书的内容讲解了基础理论到器件设计，也讲解了微波整体系统的架构。每当在设计之中遇到一些复杂问题，或者思路卡住的时候，翻一翻这本书相信都会有新的收获。

第二本书 《现代微波滤波器结构与设计》，这本书分为上、下两册可以说是微波滤波器设计中最经典的一本中文书籍，书中介绍了很多类型滤波器的原理与设计，提供大量的结构类型，设计图表和专用数据供参考调用。

第三本《Microstrip Filters for RF Microwave Applications》,这本书属于微波平面滤波器里面写的比较好的一本书，也是自己经常重复翻阅的一本参考书。

最后推荐一本《通信系统微波滤波器——基础、设计与应用》，这本书有中文和英文版本，书中的内容比较专业偏理论方向。虽然还有其它很多关于滤波器的书籍，但是从个人角度来看，书籍并不需要太多，有这几本书反复学习，理解其中的理论和结构，在一定程度上对我们学习滤波器知识来说已经非常足够了。

二、仿真软件

电磁仿真可以说是目前一个微波工程师必备的技能之一，目前市面上招聘微波工程师的要求之一就是要熟练掌握仿真软件，这足以说明掌握仿真技能对一个微波工程师的重要性。要将一款微波滤波器从理论分析到最终实物制作，大致需要经过这几个过程：

（1）指标分析，

（2）电路模型的搭建，

（3）三维电磁仿真验证，

（4）设计图纸制作。

指标分析的目的是分析目标滤波器参数以获取阶数与实现的结构，推荐的分析软件有ADS中的滤波器设计向导、Designer、AWR中IFilter、FilterSolution、Couplefil等。这些分析软件能辅助我们快速分析一款滤波器指标，找到实现它的一种或者几种方案，但是这些软件是依据制作者当时所针对的特定需求而产生的，可能在一些时候并不能满足你的设计需要。如果大家对理论计算比较熟悉，也可以自己使用一些数学软件，将一些滤波器的分析与设计公式进行总结，形成属于自己的设计套路，这样在处理特定问题时，能够快速高效的完成。

指标分析完成后需要搭建一个电路来查看响应曲线是否满足要求，这就需要用到能进行电路分析的软件，推荐使用ADS、AWR、Designer等。

第三就是三维电磁仿真软件，这一步的仿真就是对实际物体进行模型interwetten与威廉的赔率体系 ，查看产品的性能，找到最优的设计方案。推荐使用的软件有HFSS、CST、Mician Uwave、Sonnet等，个人习惯使用HFSS，它的仿真精度毋庸置疑，但是由于其通用性在一定程度限制了它的仿真效率，因此常用HFSS来做最后一步的验证。

三维仿真分析完成后，在一定程度上说明此产品的设计验证是没有问题了，那剩下的工作就是将此产品的加工图纸制作出来，推荐的二维制图软件是AutoCAD，三维制图软件Solidworks。仿真软件，只有正确的使用才会达到其应有的效果，同时也要明白仿真和实际加工是存在误差的，把实际经验与仿真精度都考虑到产品设计中去，这样的仿真才是最有效的。

三、我的滤波器学习之路

摸爬滚打几年后，总结了一套属于自己学习滤波器的路子给大家分享下。

第一点学会记录设计实例和仿真流程，通过对比理论分析、仿真结果及实测结果，找出它们之间存在差异，有人说搞射频经验很重要，这些所谓的经验其实洽洽就是你对每次设计过程的分析与总结后得到的东西。

第二点就是组装调试，搞微波设计一定不能脱离调试，通过在调试中的积累在一定程度上可以更好反馈设计。一方面可以加深对产品的理解，另一方面也能掌握对测试仪器的操作。因此，好的设计一定不能脱离调试。随着现在电磁仿真软件的发展，目前的微波滤波器设计早已经脱离以前反复打样再修改的阶段，现在大部分时间都是花在仿真软件的使用上，再一次说明熟悉掌握仿真软件的重点性。

工作之余经常参考看的两本书《现代微波滤波器结构与设计》和《Microstrip Filters for RF Microwave Applications》，每一次看都会有不同收获，建议要深入搞滤波器这块的朋友反复学习这两本书籍。

二、我的知识付费探索过程

受口罩原因的影响，前几年大部分时间在家，偶然机会在仿真秀看到有老师分享HFSS软件相关的内容，购买了一些课程后发现可以其中很多东西都对自己有一定的帮助和新的理解。这个时候就在想自己要不要也去做视频课程的想法，一个是总结这些年在微波滤波器中学习的东西，同时也能在一定程度上帮助有需要的朋友。

21年时推出一个课程《HFSS耦合带通滤波器综合方法与仿真24讲》主要讲述使用耦合谐振器原理设计带通滤波器的课程，由于第一次做课程，视频质量以及录制效果也不好，但是发现还有很多朋友购买这个课程。交流后发现其实和很多朋友有同样的经历，就是微波滤波器不知道入门，学习的软件太多等等问题。回忆当年的学习经历，同时也在平台老师的沟通下，接合当前很多朋友遇到的问题，希望再推出一套关于滤波器的精品课程。

由此推出了这个课程《基于HFSS、ADS微带滤波器仿真与设计37讲》，这个课程偏向于从基础滤波器理论入手，到实例操练仿真滤波器模型。包含低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器这四类滤波器，从分析到最终模型仿真的全过程。希望通过这个课程，能让大家快速上手设计一款微带或者悬置带线结构的滤波器。现在是知识付费时代，知识付费不仅让工程师有动力去制作，同时也能在一定程度上完善和丰富自己的知识体系，使我们相互学习和共同进步。

三、微带滤波器工程仿真与设计

有人说微波行业很难上手，学习的知识和软件太多。很多时候一开始遇到问题无法解决就劝退了很多朋友。因此，这个课程结合工程实践，以大量仿真实例为基石来演示微波滤波器在微带线结构和悬置带线结构中的仿真实现。让大家能够快速上手分析综合一款微带滤波器并用于实践中，良好开始是成功的一半，当我们逐渐掌握了方法，就会慢慢深入其中，通过不断的学习与自我总结，走得越来越远。

《基于HFSS、ADS微带滤波器仿真与设计37讲》这个视频课程总共规划37讲内容，包含微波滤波器基础知识介绍，同时重点讲解和演示低通、高通、带通和带阻滤波器在微带线结构和悬置带线结构中的设计与仿真，课程中实例演示了27个HFSS滤波器仿真实例，一方面可以从实例操作演示中了解滤波器的设计流程，同时也能学习ADS和HFSS仿真软件的操作。

课程的安排与大纲如下图所示：

图一 课程内容安排

下面是截取课程中一讲内容，主要讲述悬置带线双工器的设计。我们课程的总体思路是以一个等效电路来指导最终模型的仿真设计，因此一般来说一个仿真实例包含两个模型：一个ADS电路模型和一个HFSS场仿真模型。比如下面这个悬置带线双工器仿真实例，要完成这样一个由低通滤波器与高通滤波器级联构成的双工器设计，首先要在电路软件中验证其可行性。

图二 HFSS悬置带线双工器仿真模型

图三 HFSS悬置带线双工器仿真结果

依据设计指标将双工器分解为两个单独的滤波器设计，在集总元件滤波器设计中可以使用ADS中滤波器设计向导来快速得到相应电路元件值。

图四 ADS集总元件低通滤波器

图五 ADS集总元件低通滤波器响应

图六 ADS集总元件高通滤波器

图七 ADS集总元件高通滤波器响应

将低通滤波器通道和高通滤波器的一端连接起来构成一个三端双工器，调试其中元件参数使响应满足设计指标。

图八、ADS集总元件双工器

图九、ADS集总元件双工器响应

将集总元件双工器设计思路推广到悬置带线结构双工器设计中，分别将低通滤波器和高通滤波器单独设计完成，再连接构成双工器。

图十、ADS悬置带线低通滤波器

图十一、ADS悬置带线低通滤波器响应

图十二、ADS悬置带线高通滤波器

图十三、ADS悬置带线高通滤波器响应

完成每个通道的滤波器设计后，可以在ADS中新建一个原理图，搭建悬置带线双工器等效电路，并调试其中元件参数使最终响应满足设计要求。

图十四、ADS悬置带线双工器响应

完成电路级仿真验证后，就可以将理论的电路转换为实际的结构并通过HFSS查看其仿真结果。由于在ADS电路已经将悬置带线的各个参数优化好了，而HFSS只是起最终验证的作用，因此我们并不需要在HFSS中创建一个参数化的模型。一般我们在ADS将对应滤波器或者双工器设计好以后，可以在AUTOCAD中将此滤波器或者双工器结构绘制出来，然后再导入HFSS中进行仿真验证。

图十五、Autocad双工器结构

将Autocad绘制的双工器结构导入HFSS中仿真验证，可以看出HFSS的仿真结果和ADS电路的仿真结果是基本吻合的，甚至可以说是一模一样。

图十六、HFSS悬置带线双工器

图十七、HFSS悬置带线双工器响应

目前这种等效电路的仿真就代表了最终HFSS仿真的结果是我们比较推崇的设计方法，常规的方法你会发现ADS电路的仿真与HFSS仿真的结果差异较大，因此要花很多时间去HFSS中进行调试和优化。同时，如果模型的复杂程度较高，则需要浪费很多时间在模型的创建上面。

审核编辑：汤梓红