01技術(shù)支持

 

SIW技術(shù)與ESIW技術(shù)

 

大多數(shù)現(xiàn)代無線系統(tǒng)都需要電磁（EM）濾波器，這些系統(tǒng)包括蜂窩基站、衛(wèi)星通信、雷達(dá)系統(tǒng)等。這種裝置的功能是過濾信號的頻譜，通常來說它在保證信號完整性的同時(shí)又能濾除熱噪聲和一些不必要的干擾。

 

在過去的二十年里，基片集成波導(dǎo)（SIW）技術(shù)[1]已被用于開發(fā)高頻濾波器。這種技術(shù)在波導(dǎo)（具有低損耗和高功率容量特性）和平面電路（具有高集成度和低成本特性）的優(yōu)點(diǎn)之間做了很好的折中。

 

最近，一些研究者提出了一種基于波導(dǎo)技術(shù)的可與平面集成電路兼容的新技術(shù)，即所謂的空心基片集成波導(dǎo)（ESIW）[2]。這種方法能讓波導(dǎo)直接接入微帶線。因此，就能開發(fā)出完全集成在平面基片上的低損耗電路。

 

另一方面，濾波器設(shè)計(jì)通常是一項(xiàng)繁重的工作，特別是在濾波器的規(guī)格要求難度較大的時(shí)候。在這篇博文中，我們展現(xiàn)了如何綜合運(yùn)用多種不同的工具與方法，高效地設(shè)計(jì)基于SIW技術(shù)和ESIW技術(shù)的濾波器。具體而言，我們介紹了兩種特定的工作流程，濾波器設(shè)計(jì)人員可以將其應(yīng)用到自己的開發(fā)工作中，而無需考慮實(shí)際采用了何種技術(shù)。

 

在講解CST Studio Suite®環(huán)境下的用于設(shè)計(jì)微波濾波器的工作流程之前，我們首先介紹在設(shè)計(jì)流程中將要用到的具體工具和求解器。

 

 

SIMULIA濾波器仿真技術(shù)

 

CST Studio Suite是一種用于分析/設(shè)計(jì)電磁組件與系統(tǒng)的高性能3D電磁（EM）分析軟件包。它結(jié)合了多種適用于不同應(yīng)用的電磁場求解器。特別是對于濾波器設(shè)計(jì)來說，CST Studio Suite內(nèi)置兩種適用的3D求解器：

 

01頻域求解器

一種基于有限元法（FEM）的功能強(qiáng)大的多用途3D全波求解器。它包含可加快諧振元件仿真速度的模型降階（MOR）特性以及在高靈敏度濾波器仿真中對降低網(wǎng)格噪聲，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化收斂起重要作用的移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。

 

 

 

02本征模求解器

這是一種專用于仿真諧振元件的求解器。本征模求解器的常見應(yīng)用包括耦合諧振濾波器、高Q粒子加速腔以及行波管等慢波結(jié)構(gòu)。此外，它也支持開放邊界問題的求解，這對基于SIW技術(shù)或其他平面技術(shù)的模型很重要。

 

 

Filter Designer 3D (FD3D) 是一種耦合矩陣綜合與分析工具，用于設(shè)計(jì)帶通濾波器和雙工器。此外，它也支持分布式濾波器（以同軸腔、波導(dǎo)、平面等各類技術(shù)實(shí)現(xiàn)）3D模型的創(chuàng)建和優(yōu)化自動(dòng)化。

 

Fest3D 是一種軟件工具，用于分析復(fù)雜的基于波導(dǎo)技術(shù)和同軸腔技術(shù)的無源微波組件，且效率很高。它采用分而治之的方法，先采用效率很高的方法求解組件的不同組成部分，然后在接口（端口）上通過EM模態(tài)擴(kuò)展，與其他組成部分相連。重要的是，F(xiàn)est3D為基于波導(dǎo)技術(shù)的帶通、雙模和低通濾波器提供了先進(jìn)的自動(dòng)設(shè)計(jì)工具。

 

 

 

02工作流程

 

SIW濾波器設(shè)計(jì)工作流程

 

CST Studio Suite®環(huán)境下，通用且自動(dòng)化工作流程概述如下：

 

1. 在FD3D中定義濾波器規(guī)格，并且從一系列能夠?yàn)榻M合體提供合適耦合矩陣的拓?fù)渲羞x擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2. 從元件庫中為濾波器所需的部分選擇3D模型，如諧振器和耦合元件。
3. 諧振器和連接器的本征模分析是在FD3D環(huán)境中根據(jù)指定的設(shè)計(jì)參數(shù)執(zhí)行的。

 

 

在CST Studio Suite®內(nèi)根據(jù)拓?fù)洳季纸M合這些不同組件的模型來創(chuàng)建3D濾波器模型。通過基于耦合矩陣的“空間映射”（space mapping）例程，自動(dòng)完成最終的尺寸設(shè)定。

 

FD3D是這個(gè)通用工作流程中的核心工具，控制著設(shè)計(jì)流程中所需的EM求解器和組合建模。

 

 

在下面的示例中，我們應(yīng)用這個(gè)工作流程設(shè)計(jì)SIW濾波器。具體而言，我們選擇以下這些電氣規(guī)格：

 

50. 中心頻率：5GHz
50. 帶寬：400MHz
50. 回波損耗：20dB
50. 極數(shù)：4

 

在FD3D中使用這些規(guī)格，我們得到一個(gè)響應(yīng)情況如圖1所示的耦合矩陣。我們應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中以此耦合矩陣為目標(biāo)。

 

圖1：SIW濾波器的耦合矩陣

 

我們已經(jīng)選擇好下列基本元件，用于構(gòu)建圖2所示的SIW濾波器：

 

1. 諧振器：矩形諧振器，其電壁用通孔實(shí)現(xiàn)。
2. 內(nèi)部連接器：矩形開口處，其電壁用通孔實(shí)現(xiàn)。
3. 外部連接器：微帶傳輸線到SIW的過渡段。

 

圖2：SIW濾波器的3D模型

 

我們已通過快速本征模仿真，確定了每個(gè)組件的初始尺寸。接著我們逐組件地指定設(shè)計(jì)參數(shù)（用圖2中的標(biāo)注弧線（藍(lán)色）表示），以控制與耦合矩陣相關(guān)的各個(gè)部分：

 

1. 矩形諧振器的長度
2. 內(nèi)腔開口處的寬度
3. 微帶到SIW過渡段的輸入/輸出開口處的寬度。

 

在圖3中我們展示出了每個(gè)耦合矩陣元素在真實(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)定義的范圍內(nèi)的變化。

 

圖3：(a)諧振器組件的耦合矩陣值與腔長度的關(guān)系。(b)諧振器之間連接器的耦合矩陣值與開口處寬度的關(guān)系。(c)源/負(fù)載的耦合矩陣值與微帶到SIW過渡段上開口處寬度的關(guān)系。

 

對于初始設(shè)計(jì)，FD3D根據(jù)這些曲線為各個(gè)耦合矩陣項(xiàng)選擇合適的值。由于在本征模分析中沒有考慮加載的影響，初始響應(yīng)（用圖4中所示的紅色虛線表示）偏離了目標(biāo)。為了解決這個(gè)問題，我們啟動(dòng)了FD3D中提供的空間映射點(diǎn)對點(diǎn)優(yōu)化功能。該算法從S參數(shù)提取耦合矩陣并根據(jù)圖3中的曲線計(jì)算出一組新的參數(shù)值。這個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)流程的結(jié)果如圖4中的綠色實(shí)線所示。此時(shí)該組合體所需的濾波器響應(yīng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

 

圖4：濾波器的反射系數(shù)。紅色虛線是初始設(shè)計(jì)流程得到的響應(yīng)。綠色實(shí)線是應(yīng)用點(diǎn)對點(diǎn)空間映射優(yōu)化算法后得到的濾波器的最終響應(yīng)。

 

 

ESIW濾波器設(shè)計(jì)工作流程

 

對于ESIW濾波器，我們可以運(yùn)用專門針對波導(dǎo)技術(shù)的專用求解器，它可以顯著加快分析速度。此外，我們針對ESIW開發(fā)的工作流程新增了兩個(gè)環(huán)節(jié)：Fest3D和CST Studio Suite®優(yōu)化（基于從FD3D提取的耦合矩陣）。其目標(biāo)是設(shè)計(jì)出如圖5所示的濾波器。

 

該濾波器由外部端口連接器（微帶到ESIW過渡段）和采用矩形波導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的空腔諧振器構(gòu)成。該工作流程大致由如下步驟構(gòu)成：

 

1. 在FD3D內(nèi)定義濾波器規(guī)格并從可為組合體和最終優(yōu)化提供合適的耦合矩陣的一系列拓?fù)渲羞x擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2. 使用Fest3D中的自動(dòng)組合向?qū)删匦尾▽?dǎo)帶通濾波器。
3. 使用本征模求解器，結(jié)合CST Studio Suite®設(shè)計(jì)微帶到ESIW過渡段。
4. 在CST Studio Suite®Circuits & Systems中連接這兩個(gè)部分（過渡段+波導(dǎo)濾波器），并且根據(jù)耦合矩陣的提取執(zhí)行優(yōu)化器，其中選擇步驟1中FD3D項(xiàng)目作為優(yōu)化目標(biāo)。

 

圖5：ESIW濾波器的3D模型

 

我們在本例中選擇的濾波器規(guī)格是：

 

50. 中心頻率：20GHz
50. 帶寬：500MHz
50. 回波損耗：25dB
50. 極數(shù)：5

 

在FD3D中使用這些規(guī)格，我們得到如圖6所示的對應(yīng)耦合矩陣。

 

圖6：ESIW濾波器的耦合矩陣

 

我們使用Fest3D自動(dòng)設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)了用于感應(yīng)式帶通濾波器的波導(dǎo)濾波器。我們選擇了標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)WR-42作為端口。然而，ESIW濾波器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于使用跟過渡段基片厚度一樣高的濾波器（如圖5所示），以簡化濾波器到過渡段的連接。在本例中，我們選擇了厚度為1.524mm[2]的基片，這就是圖7（a）中所示濾波器的高度。使用自動(dòng)設(shè)計(jì)工具，我們獲得圖7(b)所示的響應(yīng)，它很好地滿足了規(guī)格要求。請注意，這是在無需額外優(yōu)化的情況下取得的結(jié)果。

 

圖7：使用Fest3D中的自動(dòng)設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)的波導(dǎo)濾波器

 

此后，我們設(shè)計(jì)了圖8(a)[2]所示的微帶到波導(dǎo)的過渡段。我們先獲得初始響應(yīng)（圖8(b)中的紅色曲線）。對此優(yōu)化后，我們在目標(biāo)頻帶內(nèi)得到優(yōu)于35dB的輸入匹配（圖8(b)中的綠色曲線）。

 

圖8：(a)微帶到ESIW過渡的3D模型。(b)優(yōu)化前與優(yōu)化后的過渡段的反射系數(shù)

 

下一步是將波導(dǎo)濾波器與輸入/輸出過渡段進(jìn)行連接。為此，我們使用了CST Studio Suite®Circuits & Systems，它能通過接口上的EM模態(tài)，在兩個(gè)部分間建立電磁連接。我們隨后得到的結(jié)果如圖9中的紅色曲線所示。這個(gè)結(jié)果已經(jīng)非常接近金色（理想）響應(yīng)，因?yàn)槲覀冊O(shè)計(jì)的過渡段有很優(yōu)異的匹配性能，并且正如前文提到的，過渡段與濾波器之間的接口有相同的尺寸（沒有額外的失配）。最后，我們結(jié)合FD3D并使用CST Studio Suite®優(yōu)化器優(yōu)化這個(gè)組件，也就是說，我們使用理想的耦合矩陣（如圖6所示）作為優(yōu)化器的目標(biāo)函數(shù)而不是S參數(shù)。此外，要完成這個(gè)最終優(yōu)化，我們只需要微調(diào)波導(dǎo)濾波器而非過渡段。因此，優(yōu)化流程非常高效，這是因?yàn)槲覀兪褂肍est3D EM模態(tài)求解器計(jì)算波導(dǎo)濾波器，而且不必在每次迭代時(shí)都重新計(jì)算過渡塊。最終響應(yīng)具有理想的等紋波，如圖9中的綠色曲線所示。

 

圖9：完整濾波器在優(yōu)化前（初始）和優(yōu)化后（到目前為止最佳）的響應(yīng)

 

 

03總結(jié)

 

在本文中，我們介紹了如何綜合運(yùn)用CST Studio Suite®環(huán)境中的不同工具與方法來設(shè)計(jì)微波濾波器。我們已經(jīng)成功地將這些工作流程應(yīng)用于設(shè)計(jì)基于SIW技術(shù)和ESIW技術(shù)的兩種特定的濾波器。

 

 

參考資料

 

[1] D. Deslandes and K. Wu, “Integrated microstrip and rectangular waveguide in planar form,” IEEE Microwave Wireless Component Letter, vol. 11, no. 2, pp. 68–70, Feb. 2001.

 

[2] A. Belenguer, H. Esteban, and V. E. Boria, “Novel Empty Substrate Integrated Waveguide for High-Performance Microwave Integrated Circuits”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 62, No. 4, April 2014.

 

 

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