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HFSS 应用案例：射频衰减器仿真与优化
01、摘要
射频衰减器是一种提供衰减的电子元器件， 广泛地应用于电子设备中，它的主要用途是：
调整电路中信号的大小；
在比较法测量电路中，可用来直读被测网络的衰减值；
此次仿真的目的，是通过仿真提供该衰减器在最大衰减和最小衰减 2 种配置下的插入损耗和回波损耗数据，并同时提供对衰减器附近走线进行调整优化之后的仿真结果。
02、HFSS 仿真思路与流程 01 仿真思路
通过 IC DATASHEET 上获得衰减器内 IC 本身在最大衰减和最小衰减状态下的插入损耗和回波损耗，提供该衰减器在最大衰减和最小衰减 2 种配置下的插入损耗和回波损耗数据，并同时提供对衰减器附近走线进行调整优化之后的仿真结果。此方法使用 HFSS 2020R2 版本，并配合 Circuit 求解器进行场路协同仿真。
02、仿真流程
2.2.1 仿真数据准备
仿真数据准备主要是获得射频衰减 IC 本身在最大衰减和最小衰减状态下的插入损耗和回波损耗，该数据可以从 IC DATASHEET 上查询到，然后通过 Excel 将该 DATASHEET 上的数据制作成可以被仿真软件使用的 S 参数文件，制作完成的 S 参数如图 1 和图 2 所示：
图 1 最大衰减模式下 IC 的 S 参数
图 2 最小衰减模式下 IC 的 S 参数
2.2.2 CAD 模型导入
将客户提供的衰减器的 CAD 模型导入到 HFSS，并经过必要的几何修复和调整，并设定相应的材料属性，得到如图 3 所示的 HFSS 仿真模型
图 3 衰减器 CAD 模型
2.2.3 仿真端口设置
在 CAD 模型的同轴输入端和 IC 的焊盘端分别设定 Port, 并设定仿真频率为 7GHz 到 50GHz，得到如图 4 所示的衰减器 LAYOUT 的 S 参数 .
图 4 衰减器 LAYOUT 通道的 S 参数
将图 4 的 S 参数与 IC 本身的 S 参数在 Circuit 中进行组合（图 5），形成最终完整的通道并进行 Linear Network Analysis，得到衰减器的完整 S 参数特性，分别如图 6 和图 7 所示
图 5 在 Circuit 中组件完整衰减器通道
图 6 衰减器完整通道的 S 参数（最大衰减配置）
图 7 衰减器完整通道的 S 参数（最小衰减配置）
2.2.4 仿真结果分析及优化
从图 6 和图 7 的结果来看，组装完成后的全通道 S 参数与 IC 本身的 S 参数相比，在 39GHz 和 49GHz 这 2 个频点附近性能恶化较多。所以对 LAYOUT 本身和盒子结构做适当改进，下面是选择的 2 条改进手段：
l 增加若干地过孔（图 8）
l 改变 IC 上方空腔形状（图 9），
图 8 增加的地过孔
图 9 改变 IC 上方腔体形状
03、仿真结果与效果分析
经过上述步骤优化之后，再次进行仿真，得到的最终衰减器全通道 S 参数如图 10 和图 11 所示，可以看到在 39GHz 和 49GHz 处有明显改变。
图 10 优化后最大衰减配置下的全通道 S 参数
图 11 优化后最小衰减配置下的全通道 S 参数
04、投入资源与时间
此次运算运用 3 核计算（没有使用 HPC 模块），用时 01:28:37
05、结论
ANSYS HFSS 可以实现从建模到仿真以及多目标优化的全过程设计，大大提高了设计效率，缩短研发周期；
ANSYS HFSS 解决方案可解决衰减器设计流程中可能遇到的频点性能恶化的情况，并针对问题频点进行性能优化；
利用 ANSYS HFSS 完整的虚拟原型设计，从而提升研发设计能力，有效指导新产品的研发设计，节省产品开发成本。
