Разработка в ПО ANSYS HFSS линейки СВЧ микрополосковых полосовых фильтров

При разработке СВЧ микрополосковых фильтров (как собственно и других пассивных устройств СВЧ) часто стоит задача разработки не одного фильтра с определёнными характеристиками, а целой линейки подобных или почти подобных устройств. Известно, что для того чтобы получить пассивное, взаимное СВЧ-устройство работающее на частоте (или в диапазоне частот) отличной от первоначальной (на той на которой было рассчитано "эталонное" устройство) можно применить обычное масштабирование. Собственно, что и очень часто применяется на практике.

При линейном равномерном изменении размеров всего устройства в целом можно получить линейное изменение его характеристик (например, увеличиваем габариты селективного устройства в N раз и в N раз снижаемся по частоте). Но в случае, когда требуется изменить не только рабочую полосу частот, но и, например, ширину полосы пропускания нового фильтра, то необходимо уже подбирать несколько различных масштабных коэффициентов для разных составных частей разрабатываемого устройства. Такие манипуляции достаточно легко проводить, используя современное программное обеспечение, например, ANSYS HFSS.

Исходные данные:

  1. Топология микрополоскового полосового фильтра (произведен обмер).
  2. Измерены АЧХ (Fо = 5,25 ГГц, полоса пропускания по уровню пульсаций 1,5 ГГц )
  3. Материал подложки - поликор.
  4. Затухание на частоте 2Fо не менее 10 дБ.

Задача:

  1. Определить точные размеры фильтра, взятого за основу.
  2. Определить влияние расстояния от крышки до плоскости подложки фильтра на его AЧХ, особенно на частотах 2Fо, 3Fо.
  3. Разработать линейку фильтров используя линейное преобразование размеров на центральные частоты Fо1 =7.8 ГГц и Fо2 = 11 ГГц.
  4. Разработать линейку фильтров используя линейное преобразование размеров отдельных элементов фильтра на центральные частоты Fо1 =7.8 ГГц и Fо2 = 11 ГГц с полосами пропуская по уровню амплитудных пульсаций 2,2 ГГц и 3 ГГц соответственно.
  5. Оценить влияние подтравов на характеристики фильтров.

Решение.

Первое что пришлось сделать – это определить допустимо ли в данном случае использовать 2D топологию фильтра вместо 3D. Как известно при моделировании СВЧ-устройств которые строятся на связанных между собой резонаторах необходимо быть очень осторожным, потому как чем меньше зазор между резонаторами и чем толще напыление, тем сильнее связь между резонаторами и тем большее влияние такая связь будет оказывать на характеристики устройства.

В данной работе оказалось достаточным использование 2D, что заметно уменьшило размер задачи и что естественно в конечном итоге привело к экономии времени на моделирование.

Второе. Была построена параметризованная модель фильтра на основе неточных замеров реального устройства. Проведена параметризация с целью определения какие изменения на какие характеристики и в какой степени оказывают влияние. Далее проведена оптимизация с целью определения точных размеров фильтра, обладающего характеристиками достаточно точно повторяющие измеренные.

Третье. Для масштабирования геометрии использовался инструмент HFSS – Edit - Scale. Масштабирование геометрии можно проводить по любой из трёх осей координат. Посредством данного инструмента очень быстро и легко была получена вся линейка фильтров согласно заданию.

Четвёртое. При использовании инструмента Scale в первоначальную параметрическую модель были добавлены переменные для каждой координаты. Далее была проведена оптимизация, целью которой было достижение характеристик фильтра согласно пункту задания №4.

Пятое. Было определено что ощутимое влияние подтравов/недотравов оказывается только на ширину полосы пропускания, а место представляющее интерес для исследования – ширина зазоров между резонаторами фильтра.

Заключение.

В процессе данной работы были определены точные размеры микрополоскового полосового фильтра, обладающего заданными характеристиками. Далее посредством численного моделирования были разработаны две линейки фильтров, одна из которых строилась на основе равномерного масштабирования всей конструкции устройства, а вторая посредством использования разных коэффициентов масштабирования для разных частей разрабатываемого фильтра. Было оценено влияние подтравов/недотравов на характеристики исследуемого селективного СВЧ-устройства. Все результаты моделирования, а также готовые проекты ANSYS HFSS были переданы заказчику.