CST Studio Suite представляет собой мощный программный комплекс для трехмерного электромагнитного анализа, который широко применяется для проектирования, моделирования и оптимизации различных электромагнитных компонентов и систем. Его возможности особенно востребованы в области разработки современных микроволновых устройств.
Эффективное проектирование фильтров SIW и ESIW с использованием CST Studio Suite
В данном материале рассматривается, как с помощью интегрированных инструментов и методов среды SIMULIA CST Studio Suite можно создавать высокоэффективные микроволновые фильтры. В качестве практических примеров демонстрируются рабочие процессы для проектирования фильтров на основе двух перспективных технологий: интегрированного волновода в подложке (SIW) и интегрированного волновода с пустой подложкой (ESIW).
Технологии SIW и ESIW
Современные беспроводные системы, такие как базовые станции сотовой связи, спутниковые коммуникации и радиолокационные установки, немыслимы без электромагнитных фильтров. Основная задача этих устройств — селективная фильтрация сигналов, которая позволяет сохранить их целостность, минимизировать тепловые шумы и подавить нежелательные помехи.
На протяжении последних двадцати лет технология SIW зарекомендовала себя как эффективное решение для создания фильтров, работающих на высоких частотах. Её ключевое преимущество — удачный компромисс между достоинствами классических волноводов (низкие потери, высокая мощность) и планарных схем (компактность, низкая стоимость и простота интеграции).
Более новая разработка — технология ESIW (Empty Substrate Integrated Waveguide). Она обеспечивает прямой доступ волновода к микрополосковой линии, что позволяет создавать полностью интегрированные в плоскую подложку схемы с минимальными потерями сигнала.
Проектирование фильтров, особенно со сложными характеристиками, традиционно является трудоемкой задачей. В этой статье показано, как комбинирование различных инструментов CST Studio Suite позволяет значительно ускорить и оптимизировать этот процесс. Представленные рабочие процессы носят универсальный характер и могут быть адаптированы для различных технологий.
Технологии моделирования фильтров в SIMULIA
CST Studio Suite включает в себя набор специализированных решателей и инструментов, идеально подходящих для задач проектирования фильтров:
- Решатель в частотной области (Frequency Domain Solver): это многофункциональный полноволновой 3D-решатель, основанный на методе конечных элементов (FEM). Для ускорения моделирования резонансных структур в нем реализована функция уменьшения порядка модели (MOR). Также важной особенностью является метод подвижной сетки, который снижает шум дискретизации при анализе высокочувствительных фильтров, что критически важно для успешной оптимизации.
- Решатель собственных мод (Eigenmode Solver): этот специализированный решатель предназначен для анализа резонансных компонентов, таких как фильтры со связанными резонаторами или высокодобротные резонаторы. Он поддерживает расчеты с открытыми границами, что необходимо для корректного моделирования планарных структур, включая SIW.
Помимо решателей, в арсенале разработчика есть два ключевых инструмента:
- Filter Designer 3D (FD3D): инструмент для синтеза и анализа матриц связи, используемый при проектировании полосовых фильтров и дуплексеров. Он автоматизирует создание 3D-моделей и оптимизацию фильтров, реализованных в различных технологиях (волновод, планарные структуры, коаксиальные резонаторы).
- Fest3D: программный инструмент, который использует стратегию «разделяй и властвуй» для высокоэффективного анализа сложных пассивных микроволновых компонентов на основе волноводных и коаксиальных резонаторов. Он также предлагает продвинутые средства автоматического проектирования фильтров.
Рабочий процесс проектирования фильтра SIW
Автоматизированный процесс проектирования фильтра на основе технологии SIW в среде CST Studio Suite можно разбить на несколько четких этапов:
- Определение спецификаций и синтез топологии: в инструменте FD3D задаются целевые параметры фильтра (центральная частота, полоса пропускания, обратные потери), на основе которых синтезируется оптимальная матрица связи.
- Выбор компонентов: из библиотеки выбираются 3D-модели базовых элементов будущего фильтра: резонаторов и соединительных элементов.
- Анализ компонентов: в FD3D выполняется анализ собственных мод для выбранных резонаторов и муфт, что позволяет определить их начальные геометрические параметры.
- Сборка и автоматическая оптимизация: 3D-модель фильтра собирается из компонентов в соответствии с выбранной топологией. Финальная подгонка размеров выполняется автоматически с помощью процедуры пространственного отображения (space mapping), которая использует целевую матрицу связи из первого шага.
В качестве примера рассмотрен фильтр SIW со следующими характеристиками: центральная частота 5 ГГц, полоса пропускания 400 МГц, обратные потери не менее 20 дБ и 4 полюса. После синтеза в FD3D была получена целевая матрица связи. Конструкция фильтра (Рис. 2) включает прямоугольные резонаторы со стенками из металлизированных отверстий, межрезонаторные диафрагмы и конические переходы с микрополосковой линии на SIW.
Ключевые параметры, которыми управляет оптимизатор — длина резонаторов, ширина межполостных диафрагм и ширина диафрагм на переходах. На Рис. 3 показано, как изменение этих параметров влияет на элементы матрицы связи.
Первоначальный отклик модели (красная пунктирная кривая на Рис. 4) может отклоняться от идеала из-за эффектов нагрузки, неучтенных при изолированном анализе компонентов. Для коррекции в FD3D запускается специальный алгоритм оптимизации на основе пространственного отображения. Он извлекает фактическую матрицу связи из рассчитанных S-параметров и, сопоставляя её с целевой, корректирует геометрические параметры. Результат — зеленая кривая на Рис. 4 — демонстрирует достижение требуемых характеристик фильтра.
Рабочий процесс проектирования фильтра ESIW
Для фильтров на технологии ESIW можно задействовать специализированные решатели для волноводных структур, что значительно ускоряет анализ. Предлагаемый рабочий процесс (Рис. 5) интегрирует возможности Fest3D и оптимизацию на основе матрицы связи из FD3D.
- Синтез в FD3D: как и в предыдущем случае, в FD3D задаются спецификации фильтра и синтезируется целевая матрица связи.
- Автоматизированное проектирование волноводного фильтра в Fest3D: с помощью мастера проектирования создается модель полосового фильтра на прямоугольном волноводе. Важный нюанс — высота волноводного резонатора выбирается равной толщине подложки (1.524 мм в примере), что упрощает последующее соединение с переходом.
- Проектирование перехода микрополоска-ESIW в CST: с использованием решателя собственных мод проектируется и оптимизируется переход для обеспечения хорошего согласования (лучше 35 дБ в рабочей полосе).
- Соединение и финальная оптимизация в CST Circuits & Systems: волноводный фильтр и переходы соединяются электромагнитно через модальные порты. Затем запускается оптимизатор, который в качестве целевой функции использует не S-параметры, а идеальную матрицу связи из FD3D. Эффективность процесса повышается за счет того, что оптимизируется только волноводный фильтр (рассчитываемый быстрым модальным решателем Fest3D), а модель перехода остается неизменной.
Для примера был выбран фильтр ESIW на 20 ГГц с полосой 500 МГц, обратными потерями 25 дБ и 5 полюсами. Результат первоначального соединения (красная кривая на Рис. 9) уже близок к цели благодаря тщательно спроектированному переходу. Финальная оптимизация (зеленая кривая) позволила получить отклик с идеальной равноволновой характеристикой.
Резюме
В статье продемонстрировано, как комплексное использование инструментов среды CST Studio Suite — решателей, FD3D и Fest3D — позволяет создавать эффективные методики проектирования. Представленные рабочие процессы были успешно применены для разработки конкретных фильтров на технологиях SIW и ESIW, показав свою гибкость и эффективность.
#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.