Simulazione di componenti e filtri a microonde/RF
Simulazione efficiente di strutture altamente risonanti
Filtri e componenti RF
La tecnologia CST Studio Suite fornisce una gamma di solutori elettromagnetici per la simulazione di filtri e componenti a microonde e a radiofrequenza (RF).
Simulazione di componenti RF nel dominio del tempo
Il solutore nel Dominio del tempo è la soluzione perfetta per componenti a banda larga che viaggiano su onda, ad esempio le linee di trasmissione e le transizioni, e i filtri passa-alto/passa-basso.
Progettazione del filtro a radiofrequenza
Con strutture altamente risonanti, come filtri passa-banda e diplexer, il solutore del Dominio della frequenza offre notevoli vantaggi in termini di precisione della simulazione rispetto alla velocità. Inoltre, è dotato di tecnologie esclusive come la mesh mobile, importante per la mitigazione del rumore numerico generato da cambiamenti nella discretizzazione. Offre inoltre un metodo di riduzione dell'ordine del modello estremamente rapido, anche nel calcolo dei risultati a banda larga.
Le porte della guida d'onda possono essere utilizzate per eccitare qualsiasi tipo di linea di trasmissione e per forzare specifiche distribuzioni modali. Possono anche servire come strumento nell'analisi dei modi trasversali di forme di conduzione arbitrarie.
La modellazione e l'analisi di dispositivi con diversi componenti o blocchi di costruzione complessi, come i multiplexer, vengono semplificate utilizzando il System Assembly & Modeling (SAM). SAM consente di realizzare assiemi in modo rapido e di analizzare/ottimizzare le singole parti all'interno di un sistema più grande, ad esempio la rete di alimentazione di un'antenna. A tale scopo, Fest3D offre una tecnologia di risoluzione dedicata ed efficiente per la simulazione di strutture a guida d'onda.
Progettazione di componenti RF passivi
- Simulazione del filtro
- Simulazione dei componenti delle guide d'onda
- Simulazione di componenti ad alta potenza
Simulazione del filtro
Le reti di comunicazione, in applicazioni terrestri e spaziali, fanno un uso sempre maggiore dello spettro di frequenza. Per gestire le esigenze dello spettro più severe, vengono utilizzati filtri. La progettazione e l'analisi di tali dispositivi possono essere difficili e la simulazione può svolgere un ruolo fondamentale nel processo di sviluppo. CST Studio Suite offre un'ampia gamma di soluzioni per diverse implementazioni.
FD3D: uno strumento di progettazione dei filtri
Filter Designer 3D è uno strumento di sintesi per filtri a banda passante e diplexer per uso generico. Utilizza una sintesi consolidata della matrice di accoppiamento e assiste nella regolazione con un'affidabile estrazione dei parametri di filtro da parametri S. Questa tecnica è inoltre integrata in un ottimizzatore dedicato per modelli di filtro che raggiungono una rapida convergenza senza dover eseguire noiose routine di mappatura dello spazio o di sintonizzazione delle porte. Può essere utilizzato anche su banchi di lavoro dove l'hardware può essere regolato con l'aiuto dell'estrazione della matrice di accoppiamento in tempo reale sulle misurazioni.
Per passare dalle specifiche dei filtri e dalla sintesi a un modello 3D completamente parametrizzato, è disponibile un'ampia gamma di opzioni. Con Filter Designer 3D è possibile seguire un approccio generale che utilizza la libreria dei componenti. L'utente può scegliere i diversi elementi di base disponibili o personalizzarli interamente in base ai propri requisiti tecnologici. I blocchi vengono assemblati automaticamente in base alla topologia sintetizzata per produrre un modello completamente parametrizzato che include la configurazione dell'ottimizzazione. Fest3D offre procedure di progettazione guidate per specifici filtri passa-basso, a banda larga o dual-mode basati su guide d'onda.
Simulazione di filtri e componenti a guide d'onda
Fest3D fornisce una rapida analisi di diversi componenti nella tecnologia delle guide d'onda, essenziale per le routine di ottimizzazione o per complessi flussi di lavoro Divide-and-Conquer. Fornisce inoltre una sintesi del modello di cavità circolari dual-mode attraverso filtri a guida d'onda corrugati. Questi progetti possono anche essere collegati nell'ambiente schematico di CST Studio Suite per stabilire co-simulazioni con altre tecnologie di solutori, ad esempio una rete di alimentazione in guida d'onda collegata a cascata con un'antenna a tromba.
Simulazione del circolatore
I componenti del circolatore in genere richiedono anche simulazioni accoppiate in cui sono coinvolti materiali in ferrite. È necessario un campo statico per influenzare la ferrite che determinerebbe la non reciprocità, che è di nuovo necessaria per il funzionamento ad alta frequenza del circolatore. Questo risultato può essere ottenuto senza problemi nello stesso ambiente utilizzando un unico modello in un flusso di lavoro accoppiato.
Simulazione di componenti ad alta potenza
I componenti a microonde ad alta potenza richiedono in genere l'analisi di fenomeni multifisici per comprenderne le capacità di gestione dell'alimentazione. Le inevitabili perdite di conduzione che si verificano nel dispositivo portano al riscaldamento termico. La variazione di temperatura può causare la deformazione della struttura e, infine, può compromettere le prestazioni elettromagnetiche. In un flusso di lavoro accoppiato, possiamo analizzare questi tre domini fisici utilizzando un solo modello per il dispositivo.
Analisi del breakdown RF
Il breakdown a radiofrequenza è un altro fenomeno che può distruggere un dispositivo. I campi oscillanti ad alta intensità hanno il potenziale di ionizzare il gas all'interno di un dispositivo che può quindi portare a una scarica a corona oppure, in assenza di gas e in presenza di elettroni liberi, il multipaction. Spark3D fornisce tecnologie avanzate per calcolare questi domini fisici e dimostra un'elevata precisione rispetto a dati di misurazione ben controllati.
È importante tenere conto di tutto questo nelle prime fasi del processo di sviluppo per evitare guasti imprevisti di componenti sofisticati o critici.
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Domande frequenti sulla progettazione di filtri RF
Per progettare un filtro RF, in genere sono rilevanti i seguenti passaggi:
1. Determinare le specifiche di frequenza:
Determinare il modo in cui deve essere filtrata la gamma di frequenza, specificando le bande di frequenza in cui deve essere consentito il passaggio del segnale e quelle che devono essere rifiutate, in genere illustrate dai parametri S. In questo modo sarà più utile selezionare il tipo di filtro appropriato.
2. Scegliere il tipo di filtro:
Esistono diversi tipi di filtri, come passa-basso, passa-alto, passa-banda ed elimina-banda. Ogni tipo ha le proprie caratteristiche e consente i segnali RF attraverso una risposta specifica, come suggerito dai nomi corrispondenti. Ad esempio, una risposta di filtraggio "passa-banda" viene generalmente utilizzata per consentire il passaggio dei segnali in una banda di frequenza specifica, rifiutando tutto al di fuori di tale banda.
3. Selezionare la topologia del filtro:
Una topologia è in genere un tipo di layout del circuito che consente di ottenere la risposta di filtraggio desiderata. Questo può essere fornito sotto forma di un circuito induttore e condensatore (LC) a scala, oppure nel caso del passa-banda, è comunemente sotto forma di risonatori accoppiati.
4. Calcolare i valori dei componenti:
La topologia dei filtri può essere sintetizzata utilizzando vari metodi matematici o software di progettazione dei filtri. In questo modo vengono calcolati i valori richiesti per i componenti come resistori, condensatori e induttori.
5. Realizzare la progettazione di circuiti RF:
Una volta progettato questo circuito ideale, deve essere realizzato in un mezzo producibile. Un approccio consiste nell'utilizzare componenti discreti di induttore e condensatore (LC) e implementare la topologia così com'è. Tuttavia, con l'aumentare della frequenza di interesse, questo approccio diventa meno appropriato. Gli effetti parassiti dei componenti e delle interconnessioni diventano molto grandi, finché non è più possibile ottenere le caratteristiche di filtraggio. Pertanto, un altro approccio consiste nell'implementare il circuito in forma distribuita, utilizzando microstrisce, guide d'onda o altre tecnologie ad alta frequenza.
6. Simulare e ottimizzare la progettazione:
Prima di finalizzare il modello progettato, sarà necessaria una simulazione per verificare le prestazioni del filtro. Inoltre, è molto comune applicare la sintonizzazione o l'ottimizzazione nell'ambiente EDA per ottenere le specifiche di frequenza richieste. Altri aspetti d'interesse durante la fase di simulazione sono gli effetti termici o il breakdown RF, soprattutto con i dispositivi ad alta potenza.
7. Creare un prototipo di filtro:
Dopo aver verificato la validità dei risultati ottenuti mediante la simulazione, si procede alla realizzazione di un prototipo fisico e all'esecuzione di test in diverse condizioni operative, con l'obiettivo finale accertarne le prestazioni effettive.
8. Regolazione fine del filtro:
In caso di discrepanze tra i risultati della simulazione e le misurazioni del mondo reale, regolare i valori dei componenti di conseguenza fino a raggiungere le specifiche desiderate. A tale scopo, un'opzione è utilizzare la sintonizzazione assistita dal computer fornita da strumenti software avanzati.
I filtri a radiofrequenza (RF) si riferiscono a dispositivi elettronici progettati per consentire o bloccare i segnali, a seconda dei componenti della frequenza. Sono comunemente utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni wireless (e cablate), in cui i sistemi di comunicazione commerciale sono forse più noti, come le reti radio, televisive, cellulari e GPS. Ecco alcuni dei concetti di base dei filtri RF:
1. Tecnologia di filtraggio:
Esistono diversi tipi di filtri RF, ciascuno dei quali utilizza diversi mezzi tecnologici che dipendono dalla gamma di frequenza, dalle dimensioni fisiche, dai costi di produzione e dalla gestione dell'alimentazione. Questi includono vari tipi di guide d'onda, ceramiche, schede a circuito stampato, circuiti integrati e persino cristalli piezoelettrici.
2. Progettazione del filtro:
La progettazione di un filtro RF dipende dalla sua applicazione e dalla gamma di frequenza specifica che deve essere filtrata. Alcuni tipi comuni includono filtri passa-basso, passa-alto, passa-banda ed elimina-banda. Questi possono essere sintetizzati utilizzando varie tecniche che coinvolgono la teoria del circuito (ad esempio i circuiti a scala) e la matematica applicata (ad esempio le matrici di accoppiamento).
3. Risposta in frequenza:
La risposta in frequenza di un filtro RF si riferisce al suo comportamento rispetto ai diversi componenti di frequenza di un segnale che viene applicato. Il filtro passa-banda ideale deve avere una risposta in frequenza piatta, senza ondulazioni nella banda consentita e con una distorsione di fase minima, mentre attenua tutte le altre frequenze.
4. Corrispondenza di impedenza:
Per prestazioni ottimali, i filtri RF devono essere adattati all'impedenza dei circuiti di sorgente e di carico a cui sono collegati, garantendo un'erogazione di potenza ottimale con riflessi del segnale ridotti.
5. Perdita d'inserzione:
Ogni filtro introduce una certa perdita nel segnale filtrato. Questa è nota come perdita di inserimento e viene misurata in decibel (dB). Una perdita di inserimento minore si traduce in una maggiore efficienza per il bilancio di collegamento al sistema.
6. Larghezza di banda:
La larghezza di banda fa riferimento alla gamma continua dello spettro di frequenza, tipicamente rappresentata attraverso i parametri S.
7. Selettività:
La selettività è una misura della capacità di un filtro RF di distinguere tra i segnali desiderati e quelli indesiderati all'interno di un intervallo di frequenza specifico. Maggiore è la velocità di roll-off delle pendenze di attenuazione, maggiore è la sua selettività. L'ordine del filtro in genere influenza la selettività.
8. Applicazioni:
I filtri RF hanno varie applicazioni nei sistemi di comunicazione, tra cui la separazione dei segnali, il rifiuto delle interferenze, l'eliminazione delle armoniche, la selezione del canale, ecc., e la purezza spettrale.
1. Filtro passa-banda:
Questo tipo di filtro consente il passaggio solo di una banda di frequenza specifica attenuando tutte le altre frequenze. Viene comunemente utilizzato nelle radio e nei sistemi di comunicazione.
2. Filtri passa-basso:
Un filtro passa-basso consente il passaggio delle frequenze al di sotto di un determinato punto di taglio attenuando al contempo le frequenze più alte. Viene comunemente utilizzato per rimuovere le armoniche di ordine superiore.
3. Filtro passa-alto:
Un filtro passa-alto consente il passaggio delle frequenze al di sopra di un determinato punto di taglio attenuando le frequenze più basse. Viene comunemente utilizzato per rimuovere i disturbi a bassa frequenza dai segnali.
4. Filtro notch:
Un filtro notch attenua una frequenza specifica o una banda di frequenze estremamente stretta consentendo il passaggio di tutte le altre. Viene comunemente utilizzato nella mitigazione delle interferenze di radiofrequenza (RFI).
5. Filtro elimina banda:
Questo tipo di filtro è in grado di attenuare solo una specifica banda di frequenza, lasciando passare tutte le altre frequenze. Viene comunemente utilizzato nelle applicazioni in cui è necessario rimuovere i segnali indesiderati.
6. Filtri regolabili:
Questi filtri consentono all'utente di regolare le frequenze di taglio della risposta di filtraggio in base alle proprie esigenze, rendendoli adatti per varie applicazioni come l'elaborazione e il test del segnale.
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