RF-フィルターとコンポーネント

CST Studio Suite テクノロジーは、マイクロ波や無線周波数(RF)のフィルター、コンポーネントのシミュレーションに使える電磁ソルバーを幅広く提供します。

時間領域における RF-コンポーネントのシミュレーション

Time Domain ソルバーは、伝送線路やトランジションなどの広帯域進行波コンポーネントや、ハイパス/ローパス・フィルターに最適なソリューションです。

無線周波数フィルターの設計

バンドパス・フィルターやダイプレクサーなどの共振性の高い構造の場合、Frequency Domain ソルバーはシミュレーションの精度と速度のバランスという点で大きなメリットがあります。また、離散化の変化によって発生する数値ノイズを減らすうえで欠かせない移動メッシュなどの独自の技術を備えています。さらに、広帯域の計算でも、非常に高速なモデル次数低減方式を提供します。

導波管ポートは任意のタイプの伝送線路の励振や、特定のモード分布を強制的に発生させるために使用できます。また、任意の導体形状を横方向モードで解析する際にも役に立ちます。

マルチプレクサなど、複数のコンポーネントや複雑な構成要素からなる機構のモデリングと解析は、System Assembly & Modeling(SAM)ワークフローで簡素化できます。SAM を用いると、アンテナの給電ネットワークなど大規模なシステムの構成部品を個々に解析/最適化できるだけでなく、アセンブリーも高速化できます。そのため、Fest3D は導波路構造のシミュレーションに特化した効率的なソルバー技術を提供しています。

パッシブ RF コンポーネント設計

フィルターのシミュレーション
導波管コンポーネントのシミュレーション
高電力コンポーネントのシミュレーション

フィルターのシミュレーション

地上および宇宙用途の両方において、通信ネットワークの周波数スペクトル使用要件はますます厳しくなっており、そうした厳しい要件に対応するためにフィルターが使われています。このような素子の設計と解析には困難を伴うことが少なくなく、開発工程ではシミュレーションが重要な役割を果たすことがあります。CST Studio Suite には、さまざまな実装に応じた幅広いソリューションを提供します。

FD3D - フィルター設計ツール

Filter Designer 3D は、汎用のバンドパス・フィルターおよびダイプレクサー合成ツールです。定評のあるカップリング・マトリックス合成を使用し、S パラメータから強力なフィルター・パラメータを抽出してチューニングを支援します。この手法は、フィルター・モデル専用のオプティマイザーにも組み込まれており、面倒な空間マッピングやポートチューニング・ルーチンを実行しなくても迅速な収束を可能にします。また、この手法はワークベンチでも使用することができ、測定データに対して実行されるリアルタイムの結合行列の抽出を使用して、ハードウェアをチューニングできます。

フィルターの仕様や合成から、完全にパラメータ化された 3D モデルに至るまで、さまざまなオプションを用意しています。Filter Designer 3D では、コンポーネント・ライブラリを利用する一般的な手法が採用されています。使用可能なさまざまな構成要素から選択することも、技術要件に従ってすべてをカスタマイズすることもできます。構成要素は合成トポロジーに従って自動的に組み立てられ、最適化セットアップを含む完全にパラメータ化されたモデルが生成されます。導波管ベースの一部のローパス・フィルター、ワイドバンド・フィルター、デュアルモード・フィルターでは、設計ウィザードを利用可能です。

CST Studio Suite の詳細

Fest3D の詳細

さあ、始めましょう

マイクロ波フィルター/コンポーネント・シミュレーションの世界は、テクノロジーの進歩、革新的な方法論、発展を続ける産業需要によって変わりつつあります。SIMULIA で一歩先を行きましょう。今すぐご確認ください。

RF フィルター設計に関する FAQ

RFフィルターを設計するには、一般的に次のような手順を踏みます：

1.周波数仕様の決定

信号の通過を許可する周波数帯と遮断する周波数帯を指定して、フィルタリングする周波数帯域を決定します。通常は S パラメータで示されます。これで、適切なフィルター・タイプを選べるようになります。

2.フィルター・タイプの選択

ローパス、ハイパス、バンドパス、バンドストップなど、さまざまなタイプのフィルターがあります。タイプごとに特性が異なり、それぞれのフィルター名が示すように、特定の周波数応答で RF 信号を許可します。たとえば「バンドパス(帯域通過)」というフィルタリング応答は、通常、特定の周波数帯域の信号を通過させ、それ以外のすべての信号を遮断します。

3.フィルター・トポロジーの選択

通常、トポロジーとは、求めるフィルタリング応答を実現させるタイプの回路レイアウトを指します。LC 回路と呼ばれるコイルとコンデンサーのみの形式や、バンドパス回路と呼ばれる結合共振器の形式などがあります。

4.コンポーネントの値の計算

フィルター・トポロジーは、各種の数学的手法やフィルター設計ソフトウェアを使って合成できます。レジスター、コンデンサー、インダクターなどのコンポーネントに必要な値が計算されます。

5.RF 回路の設計の実現

この理想的な回路を設計したら、製造可能な媒体で実現しなければなりません。その手法の一つは、コイルとコンデンサー(LC)のコンポーネントから、そのままのトポロジーを実装することです。ただし、対象の周波数帯域が増えると、この手法の妥当性は弱くなります。コンポーネントの寄生効果と相互接続が増大すると、ある時点からフィルタリング特性を得られなくなるためです。その場合は、マイクロストリップや導波管など高周波のテクノロジーを使って分散型の回路を実装するという、もう一つの手法を使います。

6.性能シミュレーションと設計最適化

設計したモデルを仕上げる前に、シミュレーションを通してフィルターの性能を確かめる必要があります。また、EDA 環境でチューニングや最適化を行って、必要な周波数仕様を達成することも非常に一般的です。シミュレーションの段階では、高電力素子の場合は特に、熱や RF 絶縁破壊などの側面にも目を向けることができます。

7.フィルターの試作

シミュレーションで要求仕様を満たしたら、実際に試作品を作り、さまざまな条件下で試験して性能を検証します。

8.フィルターの微調整

シミュレーション結果と実際の測定値に矛盾がある場合は、目的の仕様を達成するまでコンポーネントの値を微調整します。そのために、高度なソフトウェア・ツールの機能を活用して微調整することも1つの方法です。

無線周波数(RF)フィルターは、信号をその周波数成分に応じて通過させたり遮断したりするように作られた電子機器を指します。無線(および有線)のさまざまな用途に幅広く使われており、ラジオ、テレビ、携帯電話、GPS ネットワークなど、商用の通信システムがよく知られています。RF フィルターの基本な概念について説明します。

1.フィルタリング・テクノロジー

RF フィルターにはさまざまなタイプがあります。それぞれ周波数帯域、物理サイズ、製造コスト、および電力処理能力に応じて異なる技術基盤を使用し、セラミック、プリント回路基板、集積回路、さらには圧電結晶など、さまざまな種類があります。

2.フィルターの設計

RF フィルターの設計は、その用途やフィルタリング対象の周波数帯域により異なります。一般的なタイプは、ローパス・フィルター、ハイパス・フィルター、バンドパス・フィルター、バンドストップ・フィルターなどです。これらは、回路理論(ラダー回路など)と応用数学(結合行列など)が関わる各種手法を用いて合成できます。

3.周波数応答

RF フィルターの周波数応答とは、入力信号のさまざまな周波数成分に対する挙動を指します。理想的なバンドパス・フィルターは、通過域の周波数応答が平らでリップルがなく、位相ひずみは最小限で、それ以外の周波数帯域は減衰させます。

4.インピーダンス整合

最良の性能を得るには、RF フィルターが接続される電源回路と負荷回路のインピーダンスを整合させることで信号反射を抑え、電源供給を最適化する必要があります。

5.挿入損失

どんなフィルターであれ、フィルタリングされる信号にはある程度の損失が生じます。これは挿入損失と呼ばれ、デシベル(dB)単位で測定されます。挿入損失が低いほど、システムのリンク・バジェット効率が向上します。

6.帯域幅

帯域幅とは、一般に S パラメータで示される、周波数スペクトルの連続範囲を指します。

7.選択性

選択性は、特定の周波数帯域内において RF フィルターが希望信号と不要信号をどれだけ識別できるかを示す尺度です。減衰傾度のロールオフが急峻であるほど、その選択度は高くなります。一般に、フィルター次数は選択性に影響を与えます。

8.用途

通信系における RF フィルターには、信号分離、干渉除去、高調波抑制、チャネル選択、スペクトル純度などさまざまな用途があります。