使用 CST Studio Suite 高效设计 SIW 和 ESIW 滤波器

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。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。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 1SIW 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 滤波器谐振器矩形谐振器其中电壁通过通孔实现。内部耦合矩形虹膜其中电气壁通过通孔实现。外部耦合锥形微带线到 SIW 的过渡。图 2SIW 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矩形谐振器的长度腔间虹膜的宽度微带线到 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 5ESIW 滤波器的 3D 模型。本例中我们选择的过滤器规格为中心频率20GHz带宽500兆赫回波损耗25分贝极数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 6ESIW 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7b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。【相关内容】CST 2026建模新功能UV Slice切片后可直接删除指定一侧实CST 多端口同时激励仿真设置CST Python 脚本运行报错环境怎么配置​​​​​​​