Эффективное проектирование фильтров с cst Studio Suite

CST Studio Suite – высокопроизводительный пакет программного обеспечения для ЭМ-анализа в 3D, предназначенный для проектирования, анализа и оптимизации электромагнитных компонентов и систем.

Эффективное проектирование фильтров SIW и ESIW с использованием CST Studio Suite

В этой статье мы покажем, как комбинировать различные инструменты и методы в среде SIMULIA CST Studio Suite для разработки микроволновых фильтров. Мы применяем эти рабочие процессы для проектирования фильтров на основе технологии интегрированного волновода с подложкой (SIW) и интегрированного волновода с пустой подложкой (ESIW).

Технологии SIW и ESIW

Большинству современных беспроводных систем требуются электромагнитные (ЭМ) фильтры: базовые станции сотовой связи, спутниковая связь, радарные системы и т. д. Функция такого устройства состоит в фильтрации спектра сигнала, как правило, при сохранении целостности и предотвращении теплового шума и нежелательных помех.

В течение последних двух десятилетий технология интегрированных в подложку волноводов (SIW) использовалась для разработки фильтров на высоких частотах. Эта технология является хорошим компромиссом между преимуществами волноводов, имеющих низкие потери и высокую мощность, и планарных схем, обеспечивающих тесную интеграцию и низкую стоимость.

Совсем недавно некоторые авторы предложили технологию, основанную на волноводной технологии, которая совместима с интегральными планарными схемами, так называемый интегрированный волновод с пустой подложкой (ESIW). Такой подход обеспечивает прямой доступ волновода к микрополосковой линии. Таким образом, может быть разработана схема с малыми потерями, полностью интегрированная в плоскую подложку.

С другой стороны, разработка фильтра часто является трудоемкой задачей, особенно если характеристики фильтра сложны. В этой статье мы покажем, как комбинировать различные инструменты и методы для эффективной разработки фильтров на основе технологий SIW и ESIW. В частности, мы представляем два конкретных рабочих процесса, которые разработчики фильтров также могут применять в своих разработках независимо от конкретной технологии.

Прежде чем описывать рабочие процессы проектирования микроволновых фильтров в среде CST Studio Suite, мы представим конкретные инструменты и решатели, которые нам понадобятся в процессе проектирования.

Технология моделирования фильтров SIMULIA

CST Studio Suite — это высокопроизводительный программный пакет для трехмерного электромагнитного (ЭМ) анализа, предназначенный для анализа/проектирования ЭМ-компонентов и систем. Он включает в себя несколько решателей электромагнитного поля, подходящих для различных приложений. В частности, для проектирования фильтров CST Studio Suite включает два подходящих 3D-решателя:

1. Решатель в частотной области, который представляет собой мощный многоцелевой полноволновый 3D-решатель, основанный на методе конечных элементов (FEM). Он включает в себя функцию уменьшения порядка модели (MOR), которая ускоряет моделирование резонансных устройств, а также метод подвижной сетки, который важен для уменьшения шума сетки при моделировании высокочувствительных фильтров, что обеспечивает оптимизацию сходимости.
2. Решатель Eigenmode , который является специальным решателем для моделирования резонансных компонентов. Общие области применения решателя собственных мод включают фильтры со связанными резонаторами, высокодобротные резонаторы ускорителей частиц и замедляющие волны, такие как лампы бегущей волны. Он также поддерживает задачи с открытыми границами, что очень важно для моделей, основанных на SIW или других планарных технологиях.

Filter Designer 3D (FD3D) — это инструмент синтеза и анализа матриц связи для проектирования полосовых фильтров и дуплексеров. Он также предлагает автоматизацию для создания 3D-моделей и оптимизации распределенных фильтров, реализованных в различных технологиях, таких как коаксиальный резонатор, волновод, планар и т. Д.

Fest3D  — это программный инструмент, способный очень эффективно анализировать сложные пассивные микроволновые компоненты на основе волноводных и коаксиальных резонаторов. Это достигается с помощью подхода «разделяй и властвуй», при котором различные части компонента решаются наиболее эффективным методом и соединяются с другими элементами через модальное расширение EM на интерфейсах (портах). Кроме того, Fest3D предлагает передовые инструменты автоматического проектирования полосовых, двухрежимных и низкочастотных фильтров на основе волноводной технологии.

Рабочий процесс проектирования фильтра SIW

Общий, но автоматизированный рабочий процесс в среде CST Studio Suite описан в следующих шагах:

1. Определите спецификации фильтра в FD3D и выберите из ряда топологий, которые обеспечат подходящую матрицу связи для синтеза.
2. Выберите в библиотеке компонентов нужные 3D-модели, представляющие различные части фильтра, т. е. резонаторы и соединительные элементы.
3. Анализ собственных мод резонаторов и муфт выполняется в среде FD3D по заданным параметрам конструкции.
4. Модель 3D-фильтра создается в CST Studio Suite посредством сборки этих различных моделей компонентов в соответствии с топологической компоновкой. Окончательное определение размеров выполняется автоматически с помощью процедуры отображения пространства, основанной на матрице связи.

FD3D является центральным инструментом в этом общем рабочем процессе, контролируя необходимые ЭМ-решатели и моделирование сборки во время проектирования.

В следующем примере мы применяем этот рабочий процесс к разработке фильтра SIW. В частности, мы выбрали следующие электрические характеристики:

• Центральная частота: 5 ГГц
• Полоса пропускания: 400 МГц
• Обратные потери: 20 дБ
• Количество полюсов: 4

Используя эти спецификации в FD3D, мы получаем матрицу связи для этого отклика, как показано на рис. 1. Мы будем использовать эту матрицу связи в качестве цели во время полной процедуры проектирования.

Рис. 1: Матрица связи для фильтра SIW.

Мы выбрали следующие основные элементы для построения фильтра SIW, показанного на рис. 2:

1. Резонаторы: прямоугольные резонаторы, в которых электрические стенки реализованы посредством сквозных отверстий.
2. Внутренние соединения: прямоугольные диафрагмы, в которых электрические стенки выполнены с сквозными отверстиями.
3. Внешние соединения: конический переход микрополоска-SIW.

Рис. 2: 3D-модель фильтра SIW.

Мы получили начальные размеры каждого компонента с помощью быстрого моделирования собственных мод. Затем мы назначили параметр конструкции для каждого компонента (обозначенный размерными линиями (синие) на рис. 2) для управления отдельными механизмами, связанными с матрицей связи:

1. Длина прямоугольных резонаторов
2. Ширина межполостных диафрагм
3. Ширина входной/выходной диафрагмы на переходах микрополоска-SIW.

На рис. 3 показано изменение каждого элемента матрицы связи в пределах диапазона, заданного для физического параметра конструкции.

Рис. 3: (а) Значение матрицы связи компонента резонатора в зависимости от длины резонатора. (b) Значение матрицы взаимодействий межрезонаторных взаимодействий в зависимости от ширины диафрагмы. (c) Значение матрицы связи источник/нагрузка как функция ширины диафрагмы на переходе от микрополоски к SIW.

Для первоначального проектирования FD3D выбирает соответствующие размеры в соответствии с этими кривыми для отдельных элементов матрицы связи. Начальный отклик (обозначенный красной пунктирной линией на рис. 4) отклоняется от целевого из-за эффектов нагрузки, не учтенных при анализе собственных мод. Чтобы решить эту проблему, мы запускаем специальную оптимизацию картографирования пространства, включенную в FD3D.

Обратите внимание: Японцы разработали эффективное лекарство от гриппа. «Оно спасет мир от пандемии».

Этот алгоритм извлекает матрицу связи из S-параметров и вычисляет новый набор значений параметров на основе кривых на рис. 3. Результат этой специальной процедуры показан сплошной зеленой кривой на рис. 4, где желаемая фильтрующая характеристика синтеза достигается.

Рис. 4: Коэффициент отражения фильтра. Красная пунктирная кривая представляет собой отклик после первоначальной процедуры проектирования. Зеленая сплошная кривая — это окончательный ответ фильтра после применения специального алгоритма оптимизации пространственного отображения.

Рабочий процесс проектирования фильтра ESIW

В случае фильтров ESIW мы можем воспользоваться специальными решателями для волноводной технологии, которые значительно ускоряют анализ. Затем рабочий процесс, который мы представляем для ESIW, включает в себя два дополнительных компонента: оптимизацию Fest3D и CST Studio Suite на основе извлечения матрицы связи из FD3D. Цель состоит в том, чтобы спроектировать фильтр, показанный на рис. 5. Фильтр состоит из внешних портовых муфт (переход микрополоска-ESIW) и объемных резонаторов, реализованных по технологии прямоугольных волноводов. Рабочий процесс описан в следующих шагах:

1. Определите характеристики фильтра в FD3D и выберите из ряда топологий подходящую матрицу связи для синтеза и окончательной оптимизации.
2. Сгенерируйте полосовой фильтр прямоугольного волновода с помощью мастера автоматизированного синтеза в Fest3D.
3. Спроектируйте переход от микрополоски к ESIW с помощью CST Studio Suite, используя решатель Eigenmode.
4. Соедините две части (переход + волноводный фильтр) в CST Studio Suite Circuits & Systems и запустите оптимизатор на основе извлечения матрицы связи, где в качестве цели выбран проект FD3D на шаге 1.

Рис. 5: 3D-модель фильтра ESIW.

Спецификации фильтра, которые мы выбрали в этом случае:

• Центральная частота: 20 ГГц
• Полоса пропускания: 500 МГц
• Обратные потери: 25 дБ
• Количество полюсов: 5

Используя эти спецификации в FD3D, мы получаем соответствующую матрицу связи, как показано на рис. 6.

Рис. 6: Матрица связи фильтра ESIW.

Мы разработали волноводный фильтр, используя инструмент автоматического проектирования Fest3D для индуктивных полосовых фильтров. В качестве порта мы выбрали стандартный прямоугольный волновод WR-42. Однако ключевым элементом конструкции фильтра ESIW является упрощение соединения фильтра с переходом за счет использования той же высоты фильтра, что и толщина подложки перехода (см. рис. 5). В этом случае мы выбрали подложку толщиной 1,524 мм, что соответствует высоте фильтра, как показано на рис. 7 (а). Используя инструмент автоматического проектирования, мы получили ответ на рис. 7(б), который полностью соответствует спецификациям. Обратите внимание, что это получается без необходимости дополнительной оптимизации.

Рис. 7. Волноводный фильтр, разработанный с помощью инструмента автоматического проектирования в Fest3D.

После этого мы спроектировали переход микрополоска-волновод, как показано на рис. 8 (а). Мы получили начальный отклик (красная кривая на рис. (b)), который мы оптимизировали для обеспечения входного согласования лучше, чем 35 дБ в интересующей полосе частот (зеленая кривая на рис. (b)).

Рис. 8: (а) 3D-модель перехода от микрополоски к ESIW В. (б) Коэффициент отражения перехода до и после оптимизации.

Следующим шагом является подключение волноводного фильтра к входному/выходному переходу. Для этого мы использовали CST Studio Suite Circuits & Systems , который может электромагнитно соединять обе части с помощью электромагнитных режимов на интерфейсах. Затем мы получаем результат, показанный красной кривой на рис. 9. Результат уже достаточно близок к золотому (идеальному) отклику, потому что мы спроектировали переход так, чтобы он имел очень хорошее согласование и, как уже было сказано, интерфейс переход и фильтр имеют одинаковые размеры (рассогласование не добавляется). Наконец, мы оптимизируем компонент с помощью оптимизатора CST Studio Suite, связанного с FD3D, т. е. вместо использования S-параметров в качестве целевой функции для оптимизатора мы используем идеальную матрицу связи (см. рис. 6). Кроме того, для окончательной оптимизации нам нужно настроить только волноводный фильтр, а не переход. Таким образом, процесс оптимизации очень эффективен, поскольку мы вычисляем волноводный фильтр с помощью модального решателя Fest3D EM, а переходный блок не пересчитывается от итерации к итерации. Окончательный отклик имеет идеальную равную пульсацию, как видно из зеленой кривой на рис. 9.

Рис. 9: Отклик полного фильтра до (Исходный) и после (Наилучший) оптимизации.

Резюме

В этой статье мы показали, как комбинировать различные инструменты и методы в среде CST Studio Suite для разработки микроволновых фильтров. Мы успешно применили эти рабочие процессы для разработки двух конкретных фильтров на основе технологий SIW и ESIW.

#cst #cst studio suite #наука #наука и образование #наука и технологии #электромагнитное моделирование #3д моделирование #simulia

Еще по теме здесь: Новости науки и техники.

Источник: Эффективное проектирование фильтров с cst Studio Suite.

• Водород тоже будет российский: «Росатом» начал тестирование первого поколения гибридных электролизных установок
• Обратите внимание на свои сны