Mine UWB radio frequency front-end electromagnetic co-simulation method based on ADS and HFSS
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摘要: 射频前端是矿井超宽带（UWB）定位系统的重要组成部分，其电磁性能影响定位精度。目前UWB定位系统射频前端设计一般针对单独器件或芯片使用ADS或HFSS进行仿真设计，随着射频前端设计的频段越来越高，分立元件、传输线等三维结构之间引起的寄生效应对射频前端电路性能的影响越来越大，需要研究板级射频前端电磁联合仿真方法。针对上述问题，提出了一种基于ADS和HFSS的矿井UWB射频前端电磁联合仿真方法。首先，采用HFSS软件对无源器件进行建模，并用HFSS软件直接进行仿真得到对应的snp文件。然后，使用ADS软件建立有源器件原理图，将参数读取控件和原理图连接，并将snp文件导入控件中。最后，在ADS中对原理图进行仿真，ADS和HFSS之间通过S参数作为媒介来进行联合操作，实现UWB射频前端电磁特性的联合仿真。综合运用ADS和HFSS对UWB射频前端有源器件、无源器件及整体板级电路进行联合仿真，并根据仿真原理制作测试样品，实验结果表明，联合仿真结果与样品实测结果匹配，可用于UWB射频前端设计和电磁性能综合测试。将以电磁联合仿真方法设计的射频前端制作成PCB样品并用于UWB定位系统进行定位极限距离测试，测试结果表明，以电磁联合仿真方法设计的射频前端完全可以满足实际产品性能需求，在设计阶段对实际产品效果预测准确，提高了设计效率，降低了设计成本。Abstract: The radio frequency front-end is an important part of mine ultra-wideband (UWB) positioning system. Its electromagnetic performance affects positioning precision. At present, the RF front-end design of the UWB positioning system is generally simulated by ADS or HFSS for single device or chip. With the increasing frequency band of RF front-end design, the parasitic effect caused by three-dimensional structures such as discrete components and transmission lines has more and more influence on the performance of RF front-end circuits. It is necessary to study the electromagnetic co-simulation method of the board-level RF front-end. In order to solve the above problems, a mine UWB RF front-end electromagnetic co-simulation method based on ADS and HFSS is proposed. Firstly, the passive device is modeled by HFSS software. The corresponding snp file is obtained by directly simulating with HFSS software. Secondly, ADS software is used to build the schematic diagram of active devices, connect the parameter reading control with the schematic diagram, and import the snp file into the control. Finally, the schematic diagram is simulated in ADS, and the joint operation between ADS and HFSS is realized through S parameters as the medium to realize the joint simulation of UWB RF front-end electromagnetic characteristics. ADS and HFSS are used to co-simulate the active components, passive components and the whole board-level circuit of the UWB RF front-end. The test samples are made according to the simulation principle. The experimental results show that the co-simulation results match the measured results of the samples. It can be used for the design of the UWB RF front-end and the comprehensive test of electromagnetic performance. The RF front-end designed by the electromagnetic co-simulation method is made into a PCB sample and used in a UWB positioning system to test the positioning limit distance. The test results show that the RF front-end designed by the electromagnetic co-simulation method can completely meet the performance requirements of the actual product. It can accurately predict the effect of the actual product in the design stage, improve the design efficiency and reduce the design cost.
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Keywords:
- UWB positioning /
- RF front-end /
- HFSS /
- ADS /
- electromagnetic simulation
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0. 引言
无人化是煤炭智能化开采的最终目标，精确定位是实现矿井无人化的关键技术之一[1-4]。超宽带（Ultra-WideBand，UWB）技术产生于20世纪80年代，具有结构简单、功耗低、穿透力与抗干扰能力强、测距精度高等优点，在煤矿井下可实现厘米级定位精度[5-8]。射频前端是UWB定位系统的重要组成部分，影响系统定位精度和成本。随着煤矿井下对UWB定位精度要求的提高，对射频前端提出了低成本、高性能、短周期、高迭代更新速率等要求。传统的射频前端设计方法已不能满足UWB定位系统射频前端研发的需求。
为提高射频前端设计性能、缩短设计周期、降低设计成本，许多学者对射频前端进行了仿真研究。朱臣伟等[9]利用COMSOL的场仿真特性与先进设计系统（Advanced Design System，ADS）的路仿真特性，对UWB射频微系统进行了热−电物理场仿真，研究受热场耦合对射频微系统的影响。王也等[10]依据IEEE 802.11系列协议，使用ADS软件对2.4 GHz频段的射频通信系统及电路关键技术进行了仿真，提升了对射频前端系统级链路仿真及指标分析的能力。王尚等[11]采用高频结构仿真（High Frequency Structure Simulator，HFSS）软件探究了0～20 GHz金带尺寸变化对电路射频性能的影响规律，并利用ANSYS Q3D和ADS软件对超细引线键合的电路进行阻抗匹配，仿真了射频器件超细引线键合射频性能。南敬昌等[12]通过改进阶梯形微带馈电线，在介质基板底层和顶层添加H形枝节，并在辐射贴片上添加矩形条，使用ANSYS HFSS 15.0对UWB MIMO天线进行建模、仿真和优化，提高了天线的带宽和隔离度。谢红云等[13]设计了寄生效应和耦合效应的版图模型，针对寄生效应的晶体管、电容、电感和电阻的等效模型，使用ADS软件中的Momentum模块完成原理图和版图的联合仿真，设计了可应用于3.0～6.0 GHz频带下的UWB可变增益放大器。谢泽明等[14]选取平均有效相干能量增益作为UWB天线时域特性的衡量参数，采用三维电磁场仿真软件与Matlab协同编程运算，对UWB平面振子天线的形状进行重构设计，实现了天线时域特性的优化。然而ADS内含的Momentum模块是对第三维进行简化的电磁场仿真器，对平面电路的电磁场仿真一般是2.5维的，不能仿真三维复杂结构的电磁场；HFSS基于有限元法（Finite Element Method，FEM）和时域有限积分法（Finite Integration Time Domain Method，FITD），适合仿真三维复杂结构的电磁场，但一般多适用于仿真无源器件，且仿真所需时间随精度要求提高明显增加[15-17]。
当前UWB定位系统射频前端设计一般针对单独器件或芯片使用ADS或HFSS进行仿真设计和实验研究，对整个射频前端使用ADS与HFSS联合的电磁仿真设计相对很少。随着射频前端设计的频段越来越高，分立元件、传输线等三维结构之间引起的寄生效应对射频前端电路性能的影响越来越大。因此，研究板级射频前端电磁联合仿真方法具有重要意义。本文综合运用ADS和HFSS对射频前端有源器件、无源器件及整体板级电路进行联合仿真，可在设计阶段准确预测出射频前端实际性能，从而达到提高设计准确度、节省设计成本、提升研发效率的目的。
1. 联合仿真原理
1.1 ADS简介
ADS是当前射频和微波电路设计的首选工程软件，可以支持从模块到系统的设计，能够完成射频和微波电路、通信系统、射频集成电路（Radio Frequency Integrated Circuit，RFIC）和数字信号处理系统等的设计。适用于射频、微波和信号完整性应用，其内部集成多种电路模块，可以对模拟和数字信号在时域和频域范围内进行数值仿真。运用S参数和谐波平衡等仿真器可以对系统性能参数开展模拟检测，缩短射频前端电路设计周期，节约开发成本[18]。ADS可提供原理图和layout版图设计，设计好的原理图可直接转换成layout版图并对layout版图编辑仿真。在频域内可对小信号线性和非线性射频前端进行线性分析，在频域内分析非线性电路多频输入信号，得到谐波失真、功率压缩点、三阶交调点、非线性噪声等参数。ADS实现了将频域分析模型进行拉普拉斯变换后的高频集成电路模拟的仿真程序（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，SPICE）瞬态分析功能，可直接使用频域分析模型对微带传输线和分布参数滤波器进行瞬态分析。在对数字调制射频信号分析时，将高频调制信号分解为时域和频域2个部分，低频调制信号在时域用SPICE方法分析，高频载波信号用类似谐波平衡法在频域处理。ADS内置的矩量法（Method of Moments，MoM）、FEM可求微分方程和积分方程的数值解，被广泛用于电磁场数值计算[19]。
1.2 HFSS简介
HFSS是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，可根据用户定义的结构原理图、材料电磁特性、端口和边界条件自动生成求解方案，用内置的矢量FEM可以计算任意形状三维无源结构的S参数、微波器件的电磁场分布和传播电磁场[20]。基于麦克斯韦方程组的求解方案可用于计算射频前端的高频性能，如辐射、散射、模式转换等引起的电磁场损耗。在求解任意三维结构的电磁场问题时，根据待求解问题所使用的电磁波波长，把物理空间划分为多个离散化网格，得到离散化的网格矩阵数据后可以求出网格内的电磁场分布及端口参数，HFSS自适应对物理空间内的电磁问题进行迭代运算，当2次迭代的计算结果误差小于用户设定的阈值即停止迭代过程，得到最终的计算结果。在高频结构设计时，HFSS软件具有仿真精度高、仿真速度快、可靠性高的优点，被广泛用于航空、航天、电子、通信等领域，可高效地设计射频和微波部件、微波电路结构、高速互联结构等[21]。
1.3 ADS和HFSS联合仿真
ADS和HFSS联合仿真原理如图1所示。首先，将电路中的无源器件部分（如微带传输线、巴伦、层叠基板等）在HFSS中进行建模，并用HFSS直接进行仿真得到对应的snp文件。然后，将电路中的有源器件（如晶体管等）及其外围电路在ADS中建立原理图，将参数读取控件和原理图连接，并将snp文件导入控件中。最后，在ADS中对原理图进行仿真，得到的结果即为联合仿真结果。ADS和HFSS之间通过S参数作为媒介来进行联合操作，如果其中涉及到添加直流电源的问题，则联合仿真操作会变得复杂。ADS和HFSS联合仿真可以同时发挥二者的优点，不仅能验证设计理论，更能以相当高的精度近似预估实际电路的性能。
2. 无源器件的联合仿真
2.1 微带传输线的联合仿真
微带传输线是射频前端匹配的基础，很大程度上影响整个射频前端各功能模块之间的匹配和损耗。由于使用ADS对微带传输线进行仿真时，所有参数都是通过控件设置，体现不出三维结构上多层板间的寄生耦合及不同线型之间过渡、走向弯折等情况的影响。所以，仅就微带传输线结构而言，HFSS建模仿真得到的结果更接近真实情况，且模型的网格剖分时间和仿真时间也极短。微带传输线的HFSS模型如图2所示，实际制作的PCB样品如图3所示。
微带传输线联合仿真性能与样品实测性能对比如图4所示。可看出仿真性能和实测性能相当接近，证明HFSS建模仿真可以准确预测微带传输线的真实性能。
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图 4 微带传输线仿真性能和实测性能对比Figure 4. Comparison between simulation performance and measured performance of microstrip transmission line2.2 巴伦的联合仿真
以巴伦为代表的一类无源器件，它们出现在射频前端电路中时常常包括器件本身和外围附带的微带传输线，因此在电磁联合仿真时要将这2个部分的影响都考虑进去，才能得到接近真实性能的仿真结果。以巴伦为例，采用的联合仿真方法：巴伦芯片本身性能通过厂商提供的参数模型在ADS中进行模拟，而端口外部的基板和微带传输线等三维结构以HFSS建模仿真来得到考虑了所有空间耦合情况的snp文件，最终将参数模型与snp文件在ADS中进行联合仿真，得到电磁联合仿真方法下对巴伦性能的预估。其中关键的技术难点在于如何在HFSS模型中添加端口，使得在联合仿真时能从端口处有效地插入巴伦参数模型，从而得到正确的仿真结果。如果端口设置方式不正确，就不能得出有意义的仿真结果。
在HFSS中建立的巴伦测试板模型如图5所示，其中设置的lump port端口用于插入巴伦参数模型和贴片电容等器件，wave port端口用于外部信号输入输出。实际制作的巴伦测试板样品如图6所示。巴伦测试板联合仿真原理如图7所示。
巴伦测试板联合仿真性能和样品实测性能对比如图8所示。可看出仿真和实测的插入损耗性能曲线基本重合，回波损耗整体水平基本一致，表明联合仿真对实物性能的预测精度较高。
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图 8 巴伦测试板仿真性能和实测性能对比Figure 8. Comparison between simulation performance and measured performance of Barron test board3. 有源器件的联合仿真
对有源器件进行电磁联合仿真是整个射频前端仿真中难度最高的环节，其建模、端口设置和读取等操作中包含许多需要注意的地方，尤其是HFSS模型中lump port端口设置的形式、加入的位置等。另外，在ADS中对有源器件参数模型和HFSS仿真snp文件进行联合读取时，需要在特定位置加入理想隔直元件，否则会影响直流电源加载效果，导致直流偏置异常，从而无法正常读取有源器件的性能参数。以射频前端主要组成部分放大器为例，BFP840低噪晶体管是放大器的核心器件，其电磁联合仿真的建模方式：使用厂商提供的参数封装模型来描述BFP840晶体管内部结构的性能，通过HFSS建模仿真提取管脚外部所有PCB三维结构的耦合性能，外围使用的贴片电抗元件则使用Murata真实参数封装模型来模拟。
放大器测试板的HFSS模型如图9所示，放大器测试板样品如图10所示。放大器测试板联合仿真原理如图11所示。
放大器测试板联合仿真性能和样品实测性能对比如图12所示，可看出仿真性能和实测性能的曲线十分接近。
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图 12 放大器测试板仿真性能和实测性能对比Figure 12. Comparison between simulation performance and measured performance of amplifier test board4. 板级射频前端整体联合仿真
根据UWB定位系统实际产品需求，射频前端由射频开关、发射通道放大器、接收通道低噪放模块、微带传输线连接结构等部分构成。射频前端联合仿真方法：对微带传输线连接结构、芯片外围无源传输线结构、多层基板物理结构等进行三维建模，并以特殊方式在特定位置插入仿真端口；对射频开关、放大器、低噪放晶体管等有源器件采用厂商提供的参数封装模型；对阻容感等贴片元件采用实测参数模型；在ADS中将三维电磁仿真数据、封装模型、实测模型等部分通过正确方式有机组合，得到电磁联合仿真结果。由于射频开关参数封装模型端口数不足，不能对收发通道同时导通，因此，虽然收发通道三维模型一样，但在读取收发通道联合仿真数据时需要分别建立原理图单独读取。
射频前端HFSS模型如图13所示，实际制作的射频前端样品如图14所示。发射状态和接收状态下射频前端联合仿真原理如图15所示。
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图 15 收发状态下射频前端联合仿真原理Figure 15. Co-simulation principle of RF front-end under transceiver status接收状态下，整个射频前端发射通道的联合仿真性能和实测性能对比如图16所示。发射状态下，整个射频前端接收通道的联合仿真性能和实测性能对比如图17所示。从图16、图17可看出，接收通道的电磁联合仿真性能和实测性能整体基本吻合；而发射通道回波损耗仿真结果虽然和实测结果存在一定程度的频率偏差，但整体水平基本一致，作为设计阶段的仿真预测来说满足应用需求。由此可充分验证，对射频前端整体使用的电磁联合仿真方法具有高度的预测性，在仿真阶段完全可以作为有效的分析评估手段。
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图 16 接收通道仿真性能和实测性能对比Figure 16. Comparison between simulation performance and measured performance of receiving channel![]()
图 17 发射通道仿真性能和实测性能对比Figure 17. Comparison between simulation performance and measured performance of transmission channel5. 现场测试
将以电磁联合仿真方法设计的射频前端制作成PCB样品并用于UWB定位系统，进行定位极限距离测试，将测试结果与采用原有射频前端产品的测试结果进行对比，来验证使用电磁联合仿真方法设计的射频前端样品是否能满足产品的实际指标需求。
UWB定位系统主要包括4个部分：① 定位标签，由需要被定位的人员或设备携带，随时发送包含自身位置信息的UWB信号。② 定位基站，固定在标定位置，负责接收并解算定位标签发送的UWB信号。③ 软件平台，获取、分析并传输信息给用户和其他相关信息系统。④ 基站天线，在定位标签和定位基站之间收发UWB信号。射频前端同时应用于定位基站和定位标签中。
测试布置如图18所示。基站天线以支架固定在基准参考位置上，并与定位基站及搭载软件平台的计算机终端相连，测试人员携带定位标签逐渐远离定位基站，在此过程中，通过计算机终端的软件平台观察记录定位结果及接收到的定位标签信号强度。
通过多次测试，采用电磁联合仿真方法设计的射频前端样品得到的最大定位距离为860 m左右，在最大定位距离附近的接收信号强度为−85 dB·m左右，与使用原有射频前端产品时的最大定位距离和接收信号强度水平基本相当，表明采用电磁联合仿真方法设计的射频前端完全可以满足实际产品性能需求。
6. 结语
采用ADS和HFSS对UWB定位系统射频前端有源器件、无源器件及整体板级电路进行了联合仿真，将以电磁联合仿真方法设计的射频前端制作成PCB样品并用于UWB定位系统进行定位极限距离测试。测试结果表明，以电磁联合仿真方法设计的射频前端完全可以满足实际产品性能需求，在设计阶段对实际产品效果预测准确，避免了多次反复调试设计，提高了设计效率，降低了设计成本。
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图 4 微带传输线仿真性能和实测性能对比
Figure 4. Comparison between simulation performance and measured performance of microstrip transmission line
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图 8 巴伦测试板仿真性能和实测性能对比
Figure 8. Comparison between simulation performance and measured performance of Barron test board
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图 12 放大器测试板仿真性能和实测性能对比
Figure 12. Comparison between simulation performance and measured performance of amplifier test board
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图 15 收发状态下射频前端联合仿真原理
Figure 15. Co-simulation principle of RF front-end under transceiver status
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图 16 接收通道仿真性能和实测性能对比
Figure 16. Comparison between simulation performance and measured performance of receiving channel
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图 17 发射通道仿真性能和实测性能对比
Figure 17. Comparison between simulation performance and measured performance of transmission channel
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