1、基于 ADS 和 HFSS 的矿井 UWB射频前端电磁联合仿真方法任文清（国家能源集团神东煤炭集团公司，陕西 榆林719315）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
2、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
3、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。关键词：UWB 定位；射频前端；HFSS；ADS；电磁仿真中图分类号：TD655文献标志码：AMine UWB radio frequency front-end electromagnetic co-simulation method based on ADS and HFSSREN Wenqing(CHN Energy Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Yulin 719315,China)Abstrac
4、t:The radio frequency front-end is an important part of mine ultra-wideband(UWB)positioningsystem.Its electromagnetic performance affects positioning precision.At present,the RF front-end design of theUWB positioning system is generally simulated by ADS or HFSS for single device or chip.With the inc
5、reasingfrequency band of RF front-end design,the parasitic effect caused by three-dimensional structures such as discretecomponents and transmission lines has more and more influence on the performance of RF front-end circuits.It isnecessary to study the electromagnetic co-simulation method of the b
6、oard-level RF front-end.In order to solve theabove problems,a mine UWB RF front-end electromagnetic co-simulation method based on ADS and HFSS isproposed.Firstly,the passive device is modeled by HFSS software.The corresponding snp file is obtained bydirectly simulating with HFSS software.Secondly,AD
7、S software is used to build the schematic diagram of activedevices,connect the parameter reading control with the schematic diagram,and import the snp file into thecontrol.Finally,the schematic diagram is simulated in ADS,and the joint operation between ADS and HFSS isrealized through S parameters a
8、s the medium to realize the joint simulation of UWB RF front-end electromagnetic 收稿日期：2023-01-18；修回日期：2023-02-16；责任编辑：盛男。基金项目：国家能源集团科技创新项目（GJNY2030XDXM-19-06.1）；国家重点研发计划项目（2017YFC0804303）。作者简介：任文清（1984），男，陕西神木人，工程师，硕士，现从事矿井精确定位方面的工作，E-mail:。引用格式：任文清.基于 ADS 和 HFSS 的矿井 UWB 射频前端电磁联合仿真方法J.工矿自动化，2023，49（
9、2）：85-93.REN Wenqing.Mine UWB radio frequency front-end electromagnetic co-simulation method based on ADS and HFSSJ.Journalof Mine Automation，2023，49（2）：85-93.第 49 卷 第 2 期工矿自动化Vol.49 No.22023 年 2 月Journal of Mine AutomationFeb.2023文章编号：1671251X（2023）02008509DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.18073charact
10、eristics.ADS and HFSS are used to co-simulate the active components,passive components and the wholeboard-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 t
11、he samples.It can beused for the design of the UWB RF front-end and the comprehensive test of electromagnetic performance.The RFfront-end designed by the electromagnetic co-simulation method is made into a PCB sample and used in a UWBpositioning system to test the positioning limit distance.The test
12、 results show that the RF front-end designed bythe electromagnetic co-simulation method can completely meet the performance requirements of the actualproduct.It can accurately predict the effect of the actual product in the design stage,improve the design efficiencyand reduce the design cost.Key wor
13、ds:UWB positioning;RF front-end;HFSS;ADS;electromagnetic simulation 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
14、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 FrequencyStructure Simul
15、ator，HFSS）软件探究了 020 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.
16、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 TimeDomain 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