Mikrowellen-/HF-Filter- und Komponentensimulation
Effiziente Simulation von sehr resonanten Strukturen
HF-Filter und -Komponenten
Die CST Studio Suite Technologie bietet eine Reihe von elektromagnetischen Solvern für die Simulation von Mikrowellen- und Hochfrequenz-Filtern (HF) und -komponenten.
HF-Komponentensimulation im Zeitbereich
Der Zeitbereich-Solver ist die perfekte Lösung für Breitband-Wanderwellenkomponenten wie Stromleitungen und -übergänge sowie Hoch-/Tiefpassfilter.
Hochfrequenz-Filterkonstruktion
Bei sehr resonanten Strukturen wie Bandpassfiltern und Diplexern bietet der Frequenzbereich-Solver große Vorteile in Bezug auf die Simulationsgenauigkeit im Verhältnis zur Geschwindigkeit. Darüber hinaus verfügt er über einzigartige Technologien wie das bewegliche Netz, das für die Verringerung von numerischem Rauschen wichtig ist, das durch Änderungen der Diskretisierung erzeugt wird. Er bietet auch eine Methode zur Modellordnungsreduktion (MOR), die selbst bei der Berechnung von Breitbandergebnissen sehr schnell ist.
Wellenleiteranschlüsse können verwendet werden, um jede Art von Versorgungsleitung anzuregen und spezifische modale Verteilungen zu erzwingen. Sie können auch als nützliches Werkzeug bei der Analyse von Transversalmodi willkürlicher Leiterformen dienen.
Die Modellierung und Analyse von Geräten mit unterschiedlichen Komponenten oder komplexen Bausteinen, wie z. B. Multiplexern, kann durch System Assembly and Modeling (SAM) vereinfacht werden. SAM ermöglicht die schnelle Erstellung von Baugruppen sowie die Analyse/Optimierung der einzelnen Teile innerhalb des größeren Systems, z. B. des speisenden Netzes einer Antenne. Zu diesem Zweck bietet Fest3D eine spezielle und effiziente Solver-Technologie für die Simulation von Wellenleiterstrukturen.
Passive HF-Komponentenkonstruktion
- Filtersimulation
- Wellenleiterkomponenten-Simulation
- Hochleistungskomponenten-Simulation
Filtersimulation
Kommunikationsnetze, sowohl terrestrische als auch im Weltraum, werden im Hinblick auf die Verwendung des Frequenzspektrums immer anspruchsvoller. Um den strengen Spektrumanforderungen gerecht zu werden, werden Filter eingesetzt. Die Konstruktion und Analyse solcher Systeme kann eine Herausforderung darstellen und die Simulation kann eine wichtige Rolle im Entwicklungsprozess spielen. Die CST Studio Suite bietet eine Reihe von Lösungen für verschiedene Implementierungen.
FD3D – Ein Tool für die Filterkonstruktion
Filter Designer 3D ist ein universelles Bandpassfilter- und Diplexer-Synthesetool. Es verwendet die bewährte Kopplungsmatrixsynthese und bietet Abstimmungsunterstützung mit einer robusten Filterparameterextraktion aus S-Parametern. Diese Technik ist auch in einen speziellen Optimierer für Filtermodelle integriert, der eine schnelle Konvergenz erreicht, ohne langwierige Raumzuordnungen oder Anschlussoptimierungsroutinen durchführen zu müssen. Es kann sogar auf der Werkbank eingesetzt werden, wo die Hardware mithilfe einer Echtzeit-Kopplungsmatrixextraktion der Messungen angepasst werden kann.
Für den Schritt von der Auswahl der Filterspezifikationen und -synthese zu einem vollständig parametrisierten 3D-Modell stehen eine Reihe von Optionen zur Verfügung. Mit Filter Designer 3D wird ein allgemeiner Ansatz zur Nutzung der Komponentenbibliothek bereitgestellt. Der Benutzer kann entweder die verschiedenen verfügbaren Bausteine auswählen oder diese vollständig an seine technologischen Anforderungen anpassen. Die Blöcke werden automatisch gemäß der synthetisierten Topologie zusammengesetzt, um ein vollständig parametrisiertes Modell zu erstellen, das bereits für die Optimierung eingerichtet ist. Für spezifische wellenleiterbasierte Tiefpass-, Breitband- oder Dualmodus-Filter bietet Fest3D Design-Assistenten.
Simulation von Wellenleiterfiltern und -komponenten
Fest3D ermöglicht die schnelle Analyse verschiedener Komponenten in der Wellenleiter-Technologie, was für Optimierungsroutinen oder komplexe Divide-and-Conquer-Workflows von entscheidender Bedeutung ist. Es bietet außerdem eine Modellsynthese von kreisförmigen Dual-Modus-Hohlräumen bis hin zu Wellenleiterfiltern. Diese Projekte können auch in der Schaltplanumgebung von CST Studio Suite verbunden werden, um Co-Simulationen mit anderen Solver-Technologien einzurichten, z. B. ein speisendes Wellenleiternetz, das mit einer Hornantenne kaskadiert.
Zirkulatorsimulation
Zirkulatorkomponenten erfordern in der Regel auch gekoppelte Simulationen, wenn Ferritmaterialien beteiligt sind. Für die Vormagnetisierung des Ferrits ist ein statisches Feld erforderlich, das die Nichtreziprozität herstellt, die wiederum für den Hochfrequenzbetrieb des Zirkulators erforderlich ist. Dies kann mit einem einzigen Modell in einem gekoppelten Workflow in derselben Umgebung nahtlos erreicht werden.
Hochleistungskomponenten-Simulation
Mikrowellenbauteile mit hoher Leistung erfordern in der Regel die Analyse multiphysikalischer Phänomene, um ihre Leistungsbelastbarkeit zu verstehen. Es gibt immer einige Leitverluste im Gerät, die zu einer thermischen Erwärmung führen. Durch die Temperaturveränderung kann sich die Struktur verformen, was schließlich die elektromagnetische Leistung beeinträchtigen kann. In einem gekoppelten Workflow können wir diese drei physischen Bereiche mit nur einem Modell für das Gerät analysieren.
HF-Durchschlaganalyse
Der HF-Durchschlag ist ein weiteres Phänomen, das ein Gerät zerstören kann. Oszillierende Felder mit hoher Intensität können das Gas in einem Gerät ionisieren, was dann eine Koronaentladung verursachen kann. Wenn kein Gas vorhanden ist und freie Elektronen vorhanden sind, kann es zum Multipaktoreffekt kommen. Spark3D bietet fortschrittliche Technologien zur Berechnung dieser physikalischen Domänen und zeigt im Vergleich mit gut kontrollierten Messdaten eine hohe Genauigkeit.
All dies muss bereits in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses berücksichtigt werden, um einen unvorhergesehenen Ausfall von komplexen oder kritischen Komponenten zu vermeiden.
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FAQs zur HF-Filterkonstruktion
Für den Entwurf eines HF-Filters sind in der Regel die folgenden Schritte von Bedeutung:
1. Bestimmen Sie die Frequenzspezifikationen:
Legen Sie fest, wie der Frequenzbereich gefiltert werden muss, indem Sie die Frequenzbänder angeben, in denen das Signal passieren können soll, und die Frequenzbänder, die zurückgewiesen werden sollen, wie in der Regel durch die S-Parameter dargestellt. Dies hilft bei der Auswahl des geeigneten Filtertyps.
2. Wählen Sie den Filtertyp:
Es gibt verschiedene Arten von Filtern, wie Tiefpass, Hochpass, Bandpass und Bandstopp. Jeder Typ hat seine eigenen Eigenschaften und ist, wie die entsprechenden Namen vermuten lassen, für eine bestimmte Reaktion beim Zulassen von HF-Signalen geeignet. Beispielsweise wird eine „Bandpass“-Filterreaktion in der Regel verwendet, um Signale in einem bestimmten Frequenzband durchzulassen, während alles außerhalb dieses Bandes zurückgewiesen wird.
3. Wählen Sie die Filtertopologie aus:
Eine Topologie ist in der Regel eine Art Schaltkreislayout für die Realisierung der gewünschten Filterreaktion. Dies kann in Form einer Leiter-Induktivität und eines Kondensatorschaltkreises (LC) oder im Bandpass-Fall in Form von gekoppelten Resonatoren erfolgen.
4. Berechnen Sie die Komponentenwerte:
Die Filtertopologie kann mithilfe verschiedener mathematischer Methoden oder einer Filterkonstruktion-Software synthetisiert werden. Dadurch werden die erforderlichen Werte für die Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Induktoren berechnet.
5. Realisieren Sie die HF-Schaltkreiskonstruktion:
Sobald dieser ideale Schaltkreis entwickelt wurde, muss er in einem herstellbaren Medium realisiert werden. Ein Ansatz besteht darin, diskrete Induktor- und Kondensator-Komponenten (LC) zu verwenden und die Topologie so zu implementieren, wie sie ist. Bei einer Erhöhung des entsprechenden Frequenzbereichs ist dieser Ansatz jedoch weniger angemessen. Die parasitären Auswirkungen von Komponenten und Verbindungen werden sehr groß, und die Filtereigenschaften können zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht mehr erreicht werden. Ein weiterer Ansatz besteht daher darin, den Schaltkreis in verteilter Form mithilfe von Mikrostreifen, Wellenleitern oder anderen Hochfrequenztechnologien zu implementieren.
6. Simulieren und optimieren Sie die Konstruktion:
Vor der Fertigstellung des entwickelten Modells ist eine Simulation erforderlich, um die Leistung des Filters zu überprüfen. Es ist auch durchaus üblich, in der EDA-Umgebung Anpassung oder Optimierung vorzunehmen, um die erforderlichen Frequenzspezifikationen zu erreichen. Weitere Aspekte, die während der Simulationsphase von Interesse sein können, sind die thermischen oder HF-Durchschlageffekte – insbesondere bei Hochleistungsgeräten.
7. Erstellen Sie einen Filter-Prototyp:
Wenn Sie mit den Simulationsergebnissen zufrieden sind, erstellen Sie einen physischen Prototyp und testen Sie ihn unter verschiedenen Bedingungen, um seine Leistung zu überprüfen.
8. Stimmen Sie den Filter genau ab:
Wenn es Abweichungen zwischen den Simulationsergebnissen und realen Messungen gibt, passen Sie die Komponentenwerte entsprechend an, bis die gewünschten Spezifikationen erreicht sind. Eine Möglichkeit besteht darin, die computergestützte Abstimmung von erweiterten Softwaretools zu verwenden.
Hochfrequenzfilter (HF-Filter) sind elektronische Geräte, die abhängig von ihren Frequenzkomponenten Signale zulassen oder blockieren. Sie werden häufig in einer Vielzahl von drahtlosen (und kabelgebundenen) Anwendungen verwendet, wo kommerzielle Kommunikationssysteme wahrscheinlich besser bekannt sind, wie z. B. Radio-, Fernseh-, Mobilfunk- und GPS-Netze. Im Folgenden werden einige der grundlegenden Konzepte von HF-Filtern erläutert:
1. Filtertechnologie:
Es gibt verschiedene Arten von HF-Filtern, von denen jeder verschiedene technologische Verfahren verwendet, die vom Frequenzbereich, der physischen Größe, den Herstellungskosten und der Stromaufnahme abhängen. Dazu gehören unterschiedliche Arten von Wellenleitern, keramische Materialien, Leiterplatten, integrierte Schaltkreise und sogar piezoelektrische Kristalle.
2. Filterkonstruktion:
Die Konstruktion eines HF-Filters hängt von seiner Anwendung und dem spezifischen Frequenzbereich ab, der gefiltert werden muss. Einige gängige Typen sind Tiefpass-, Hochpass-, Bandpass- und Bandstoppfilter. Diese können mithilfe verschiedener Techniken synthetisiert werden, die die Schaltkreistheorie (z. B. Leiterschaltkreise) und die angewandte Mathematik (z. B. Kopplungsmatrizen) umfassen.
3. Frequenzgang:
Der Frequenzgang eines HF-Filters bezieht sich auf das Verhalten in Bezug auf verschiedene Frequenzkomponenten eines Signals, das angelegt wird. Der ideale Bandpassfilter sollte einen flachen Frequenzgang ohne Welligkeit im zulässigen Band mit minimaler Phasenverzerrung haben, während alle anderen Frequenzen gedämpft werden.
4. Impedanzanpassung:
Für eine optimale Leistung müssen HF-Filter an die Quelle und die Lastschaltkreise angepasst werden, mit denen sie verbunden sind, um eine optimale Leistungsabgabe mit reduzierten Signalreflexionen zu gewährleisten.
5. Einfügedämpfung:
Jeder Filter führt zu einem gewissen Verlust des gefilterten Signals. Dies wird als Einfügedämpfung bezeichnet und in Dezibel (dB) gemessen. Eine geringere Einfügedämpfung bedeutet eine höhere Effizienz für das Systemverbindungsbudget.
6. Bandbreite:
Die Bandbreite bezieht sich auf einen kontinuierlichen Bereich des Frequenzspektrums, der typischerweise durch S-Parameter dargestellt wird.
7. Selektivität:
Die Selektivität ist ein Maß dafür, wie gut ein HF-Filter innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs zwischen gewünschten und unerwünschten Signalen unterscheiden kann. Je steiler der Abrollwinkel der Dämpfung ist, desto höher ist ihre Selektivität. Die Ordnung des Filters beeinflusst in der Regel die Selektivität.
8. Anwendungen:
HF-Filter werden in Kommunikationssystemen auf vielfältige Weise eingesetzt, z. B. zur Signaltrennung, Störungsunterdrückung, Unterdrückung von Oberschwingungen, Kanalauswahl und für spektrale Reinheit.
1. Bandpassfilter:
Diese Art von Filter erlaubt nur den Durchlauf eines bestimmten Frequenzbands, während alle anderen Frequenzen gedämpft werden. Sie wird häufig in Funkgeräten und Kommunikationssystemen verwendet.
2. Tiefpassfilter:
Ein Tiefpassfilter ermöglicht, dass Frequenzen unterhalb eines bestimmten Grenzwerts passieren können und gleichzeitig höhere Frequenzen abgeschwächt werden. Er wird häufig verwendet, um Oberschwingungen zu entfernen.
3. Hochpassfilter:
Ein Hochpassfilter ermöglicht, dass Frequenzen oberhalb eines bestimmten Grenzwerts passieren können und gleichzeitig niedrigere Frequenzen gedämpft werden. Er wird häufig verwendet, um niederfrequentes Rauschen von Signalen zu entfernen.
4. Sperrfilter:
Ein Sperrfilter dämpft eine bestimmte Frequenz oder ein extrem schmales Frequenzband, während alle anderen passieren können. Er wird häufig zur Minderung von Hochfrequenzstörungen (RFI) verwendet.
5. Stoppband-Filter:
Dieser Filtertyp schwächt nur ein bestimmtes Frequenzband ab und lässt alle anderen Frequenzen passieren. Er wird häufig in Anwendungen verwendet, in denen unerwünschte Signale entfernt werden müssen.
6. Abstimmbare Filter:
Diese Filter ermöglichen es dem Anwender, die Grenzfrequenzen der Filterreaktion an seine Bedürfnisse anzupassen, wodurch sie für verschiedene Anwendungen wie Signalverarbeitung und -prüfung geeignet sind.
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