使用 cst studio suite 高效设计 siw 和 esiw 滤波器-博天堂登陆

在这篇博文中，我们展示了如何在simulia cst studio suite®环境中结合不同的工具和技术来设计微波滤波器。我们将这些工作流程应用于基于基板集成波导（siw）和空基板集成波导（esiw）技术的滤波器设计。

 

siw 和 esiw 技术

大多数现代无线系统都需要电磁 (em) 滤波器：蜂窝基站、卫星电信、雷达系统等。此类设备的功能是过滤信号频谱，通常同时保持完整性并避免热噪声和不必要的干扰。

 

在过去的二十年中，衬底集成波导（siw）技术[1]已被用于开发高频滤波器。该技术很好地平衡了波导（具有低损耗和高功率处理能力）和平面电路（提供紧密集成和低成本）的优点。

 

最近，一些作者提出了一种基于波导技术的与集成平面电路兼容的技术，即所谓的空基片集成波导（esiw）[2]。这种方法使得波导能够直接接入微带线。因此，可以开发出完全集成在平面基板中的低损耗电路。

 

另一方面，滤波器设计通常是一项繁琐的任务，特别是当滤波器规格具有挑战性时。在这篇博文中，我们展示了如何结合不同的工具和技术来有效地设计基于 siw 和 esiw 技术的滤波器。特别是，我们提出了两个特定的工作流程，过滤器设计者也可以将其应用到自己的开发中，无论具体技术如何。

 

在描述在 cst studio suite® 环境中设计微波滤波器的工作流程之前，我们先介绍一下设计过程中需要的特定工具和求解器。

 

simulia滤波器模拟技术

cst studio suite® 是一款高性能 3d 电磁 (em) 分析软件包，用于分析/设计 em 组件和系统。它包含多个适合不同应用的电磁场求解器。特别是，对于滤波器设计，cst studio suite® 包含两个合适的 3d 解算器：

 

1. 频域求解器是一种基于有限元法 (fem) 的强大的多用途 3d 全波求解器。它包括模型降阶 (mor) 功能，可加快谐振器件的仿真速度，还包括移动网格技术，这对于减少高灵敏度滤波器仿真中的网格噪声非常重要，从而实现优化收敛。

 

2. eigenmode 求解器，它是用于模拟谐振组件的特定求解器。本征模求解器的常见应用包括耦合谐振器滤波器、高 q 值粒子加速器腔以及行波管等慢波结构。它还支持开放边界问题，这对于基于 siw 或其他平面技术的模型非常重要。

 

filter designer 3d (fd3d)是一种耦合矩阵综合和分析工具，用于设计带通滤波器和双工器。它还提供 3d 模型创建和优化以同轴腔、波导、平面等各种技术实现的分布式滤波器的自动化。

 

fest3d  是一款软件工具，能够非常高效地分析基于波导和同轴腔技术的复杂无源微波元件。这是通过分而治之的方法来实现的，其中组件的不同部分用最有效的方法求解，并通过接口（端口）上的 em 模态扩展连接到其他元素。除此之外，fest3d 还为基于波导技术的带通、双模和低通滤波器提供先进的自动设计工具。

 

siw 滤波器设计工作流程

cst studio suite® 环境中的通用自动化工作流程概述如下：

在 fd3d 中定义滤波器规格，并从一系列拓扑中进行选择，为合成提供适当的耦合矩阵。

在组件库中选择所需的 3d 模型，这些模型代表滤波器的不同部分，即谐振器和耦合元件。

谐振器和联轴器的本征模分析是在 fd3d 环境中根据指定的设计参数执行的。

 

3d 滤波器模型是通过根据拓扑布局组装这些不同的组件模型在 cst studio suite® 中创建的。最终尺寸标注是通过基于耦合矩阵的空间映射例程自动完成的。

 

fd3d 是此一般工作流程中的核心工具，可在设计过程中控制所需的 em 解算器和装配建模。

 

在以下示例中，我们将此工作流程应用于 siw 滤波器的设计。我们特别选择了以下电气规格：

中心频率：5ghz

带宽：400兆赫

回波损耗：20分贝

极数：4

使用 fd3d 中的这些规范，我们获得了该响应的耦合矩阵，如图 1 所示。我们将在整个设计过程中使用该耦合矩阵作为目标。

图 1：siw 滤波器的耦合矩阵。

 

我们选择了以下基本元素来构建图 2 所示的 siw 滤波器：

l谐振器：矩形谐振器，其中电壁通过通孔实现。

l内部耦合：矩形虹膜，其中电气壁通过通孔实现。

l外部耦合：锥形微带线到 siw 的过渡。

 

图 2：siw 滤波器的 3d 模型。

 

我们通过快速本征模模拟获得了每个组件的初始尺寸。然后，我们为每个组件分配一个设计参数（由图 2 中的尺寸线（蓝色）表示）来控制与耦合矩阵相关的各个机制：

 

1. 矩形谐振器的长度

2. 腔间虹膜的宽度

3. 微带线到 siw 转换处的输入/输出虹膜宽度。

在图 3 中，我们显示了每个耦合矩阵元素在物理设计参数定义的范围内的变化。

 

 

图 3：(a) 谐振器组件的耦合矩阵值作为腔长度的函数。(b) 谐振器间耦合的耦合矩阵值作为光圈宽度的函数。(c) 源/负载的耦合矩阵值作为微带到 siw 过渡处虹膜宽度的函数。

 

对于初始设计，fd3d 根据这些曲线为各个耦合矩阵条目选择适当的尺寸。由于本征模分析中未考虑负载效应，初始响应（由图 4 中的红色虚线表示）偏离目标。为了解决这个问题，我们启动了 fd3d 中包含的空间映射临时优化。该算法从 s 参数中提取耦合矩阵，并根据图 3 中的曲线计算一组新的参数值。该临时过程的结果如图 4 中的绿色实线所示，其中实现了合成所需的滤波器响应。

 

图 4：滤波器的反射系数。红色虚线是初始设计过程后的响应。绿色实线是应用临时空间映射优化算法后滤波器的最终响应。

 

esiw 滤波器设计工作流程

对于 esiw 滤波器，我们可以利用波导技术的特定求解器，从而显着加快分析速度。然后，我们为 esiw 引入的工作流程涉及两个附加成分：fest3d 和基于 fd3d 耦合矩阵提取的 cst studio suite® 优化。目标是设计图 5 所示的滤波器。该滤波器由外部端口耦合（微带到 esiw 的过渡）和采用矩形波导技术实现的空腔谐振器组成。工作流程概述如下：

 

在 fd3d 中定义滤波器规格，并从一系列拓扑中进行选择，为合成和最终优化提供适当的耦合矩阵。

 

使用 fest3d 中的自动合成向导生成矩形波导带通滤波器。

通过使用本征模式解算器，利用 cst studio suite® 设计微带线到 esiw 的过渡。

连接 cst studio suite® circuits & systems 中的两个部分（过渡 波导滤波器），并基于耦合矩阵的提取执行优化器，其中选择步骤 1 中的 fd3d 项目作为目标。

 

图 5：esiw 滤波器的 3d 模型。

 

本例中我们选择的过滤器规格为：

l中心频率：20ghz

l带宽：500兆赫

l回波损耗：25分贝

l极数：5

 

在 fd3d 中使用这些规范，我们得到相应的耦合矩阵，如图 6 所示。

 

图 6：esiw 滤波器的耦合矩阵。

我们使用感应带通滤波器的 fest3d 自动设计工具设计了波导滤波器。我们选择标准矩形波导 wr-42 作为端口。然而，esiw 滤波器设计的关键是通过使用与过渡基板厚度相同的滤波器高度来简化滤波器与过渡的连接（见图 5）。在本例中，我们选择厚度为 1.524 mm 的基板 [2]，这就是滤波器的高度，如图 7 (a) 所示。使用自动设计工具，我们得到了图7（b）中的响应，它完全符合规范。请注意，这是无需额外优化即可获得的。

 

图 7：使用 fest3d 中的自动设计工具设计的波导滤波器。

 

之后，我们设计了微带到波导的过渡，如图 8 (a) [2] 所示。我们获得了初始响应（图 (b) 中的红色曲线），并对其进行了优化，以在感兴趣的频带中提供优于 35 db 的输入匹配（图 (b) 中的绿色曲线）。

 

 

图 8：(a) 微带线到 esiw 过渡的 3d 模型。(b) 优化前后过渡的反射系数。

 

下一步是将波导滤波器连接到输入/输出转换。为此，我们使用了 cst studio suite® 电路与系统，它能够通过接口处的 em 模式以电磁方式连接两个部件。然后我们得到图 9 中红色曲线所示的结果。结果已经非常接近黄金（理想）响应，因为我们设计的过渡具有非常好的匹配，并且正如已经说过的，过渡和过滤器具有相同的尺寸（没有添加不匹配）。最后，我们使用与 fd3d 耦合的 cst studio suite® 优化器来优化组件，即我们不使用 s 参数作为优化器的目标函数，而是使用理想耦合矩阵（见图 6）。

 

此外，为了进行最终的优化，我们只需要调整波导滤波器，不是过渡。因此，优化过程非常高效，因为我们使用 fest3d em 模态求解器计算波导滤波器，并且在迭代之间不会重新计算过渡块。最终响应具有理想的相等纹波，如图 9 中的绿色曲线所示。

 

图 9：优化之前（初始）和优化之后（迄今为止最好）的完整滤波器的响应。

 

概括

在这篇博文中，我们展示了如何在 cst studio suite® 环境中结合不同的工具和技术来设计微波滤波器。我们已成功地将这些工作流程应用于基于 siw 和 esiw 技术的两种特定过滤器的设计。

 

参考

[1] d. deslandes 和 k. wu，“平面形式的集成微带和矩形波导”，ieee 微波无线组件通讯，卷。11、没有。2，第 68-70 页，2001 年 2 月。

[2] a. belenguer、h. esteban 和 ve boria，“用于高性能微波集成电路的新型空基板集成波导”，ieee 微波理论与技术汇刊，卷。62，第 4 期，2014 年 4 月。