Comment concevoir un filtre diélectrique ?

Un filtre diélectrique est une fibre optique qui transmet sélectivement une longueur d'onde et en réfléchit d'autres en fonction des interférences à l'intérieur de la structure. Aussi appelé filtre interférentiel. Les céramiques à effets diélectriques micro-ondes améliorent la taille des dispositifs et la densité d'emballage des circuits intégrés micro-ondes. Pour cette raison, il est largement utilisé pour les filtres micro-ondes et les circuits imprimés dans les stations de base des systèmes de communication mobile et de communication par satellite, en particulier dans la 5G.
La technologie 5G, développée rapidement, apportera un espace de marché considérable à la station de base 5G ainsi qu'au filtre diélectrique pour la station de base 5g.

Principe de conception

Un modèle symétrique d'un filtre à résonateur diélectrique [1] est analysé à l'aide du module de paramètres de diffusion de HFWorks pour déterminer sa bande passante, l'atténuation dans et hors de la bande et les distributions de champ électrique pour différentes fréquences. Le résultat montre une correspondance parfaite avec ceux présentés dans [2]. Les câbles ont un conducteur avec perte et une partie intérieure en téflon. HF Works donne la possibilité de tracer divers paramètres de diffusion sur des tracés 2D et Smith Chart. En outre, le champ électrique peut être repéré dans des tracés 3D vectoriels et de franges pour toutes les fréquences étudiées.

Simulation

Pour simuler le comportement de ce filtre (perte d'insertion et de retour...), nous allons créer une étude des paramètres de diffusion, et préciser la plage de fréquence pertinente sur laquelle fonctionne l'antenne (dans notre cas 100 fréquences uniformément réparties de 4 GHz à 8 GHz ).

Solides et matériaux

Sur la figure 1, nous avons montré le modèle discrétisé d'un filtre à circuit diélectrique avec des coupleurs d'entrée et de sortie coaxiaux. Les deux disques diélectriques agissent comme des résonateurs couplés, de sorte que l'ensemble du dispositif devient un filtre passe-bande de haute qualité.

Charge/Retenue

Deux ports sont appliqués sur les côtés des deux coupleurs coaxiaux. Les faces inférieures de la boîte à air sont traitées comme des limites électriques parfaites. La structure profite du plan de symétrie horizontal et nous n’avons donc besoin d’en modéliser qu’une moitié. Par conséquent, nous devrions annoncer cela au simulateur HFWorks en appliquant une condition aux limites PEMS ; qu'il s'agisse d'un PECS ou d'un PEMS, cela dépend de l'orientation du champ électrique près de la limite de symétrie. Si tangentiel, alors c'est PEMS ; s'il est orthogonal alors c'est un PECS.

Maillage

Le maillage doit être concentré sur les ports et les faces PEC. Le maillage de ces surfaces aide le solveur à affiner sa précision sur les parties tourbillonnaires, et à prendre en compte leurs formes particulières.

Résultats

Différents tracés 3D et 2D sont disponibles à exploiter, en fonction de la nature de la tâche et du paramètre qui intéresse l'utilisateur. Comme il s'agit d'une simulation de filtre, tracer le paramètre S21 semble être une tâche intuitive.

Comme mentionné au début de ce rapport, HFWorks trace les courbes des paramètres électriques sur des tracés 2D ainsi que sur des graphiques Smith. Cette dernière solution est plus adaptée aux problèmes de correspondance et est plus pertinente lorsque nous traitons de conceptions de filtres. On remarque ici que l'on a des bandes passantes pointues et qu'on atteint un grand isolement en dehors de la bande.

Les tracés 3D pour les études des paramètres de diffusion couvrent un large éventail de paramètres : les deux figures suivantes montrent la distribution du champ électrique pour deux fréquences (l'une est à l'intérieur de la bande et l'autre à l'extérieur de la bande)

Le modèle peut également être simulé à l'aide du solveur de résonance de HFWorks. On peut détecter autant de modes que l'on souhaite. Il est facile de dériver une telle étude à partir de l'étude simulée S-Parameter : HFWorks permet des opérations par glisser-déposer pour mettre en place rapidement la simulation de résonance. Le solveur de résonance prend en compte la matrice EM du modèle et fournit les différentes solutions de mode propre. Les résultats correspondent très bien aux résultats des études précédentes. Nous montrons ici le tableau des résultats :

Références

[1] Analyse de filtre micro-ondes utilisant une nouvelle méthode de fréquence modale à 3 éléments finis, John R. Brauer, Fellow, IEEE, et Gary C. Lizalek, membre, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 45, NON. 5 MAI 1997
[2] John R. Brauer, Fellow, IEEE, et Gary C. Lizalek, membre, IEEE "Analyse de filtre à micro-ondes utilisant une nouvelle méthode de fréquence modale à éléments finis 3-D." Transactions IEEE sur la théorie et les techniques des micro-ondes, Vol45, No .5, pages 810 à 818, mai 1997.

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