Come progettare il filtro dielettrico?

Un filtro dielettrico è una fibra ottica che trasmette selettivamente una lunghezza d'onda e ne riflette altre in base all'interferenza all'interno della struttura. Chiamato anche filtro interferenziale. Le ceramiche con effetti dielettrici a microonde migliorano le dimensioni dei dispositivi e la densità di confezionamento dei circuiti integrati a microonde. Per questo motivo è ampiamente utilizzato per i filtri a microonde e i circuiti stampati nelle stazioni base dei sistemi di comunicazione mobile e satellitare, soprattutto nel 5G.
La tecnologia 5G in rapido sviluppo porterà un notevole spazio di mercato alla stazione base 5G e al filtro dielettrico per la stazione base 5G.

Principio di progettazione

Un modello simmetrico di un filtro risonatore dielettrico [1] viene analizzato utilizzando il modulo Parametri di scattering di HFWorks per determinare la sua banda passante, l'attenuazione dentro e fuori la banda e le distribuzioni del campo elettrico per varie frequenze. Il risultato mostra una corrispondenza perfetta con quelli presentati in [2]. I cavi hanno un conduttore dissipativo e hanno una parte interna in Teflon. HF Works offre la possibilità di tracciare vari parametri di scattering su grafici 2D e Smith Chart. Inoltre, il campo elettrico può essere individuato in grafici 3D vettoriali e marginali per tutte le frequenze studiate.

Simulazione

Per simulare il comportamento di questo filtro (inserzione e perdita di ritorno...), creeremo uno studio sui parametri di scattering e specificheremo la gamma di frequenze rilevante alla quale opera l'antenna (nel nostro caso 100 frequenze distribuite uniformemente da 4 GHz a 8 GHz ).

Solidi e materiali

Nella figura 1, abbiamo mostrato il modello discretizzato di un filtro del circuito dielettrico con accoppiatori di ingresso e uscita coassiali. I due dischi dielettrici agiscono come risonatori accoppiati in modo tale che l'intero dispositivo diventa un filtro passa banda di alta qualità.

Carico/Retenzione

Ai lati dei due accoppiatori coassiali sono applicate due porte. Le facce inferiori dell'airbox sono trattate come confini elettrici perfetti. La struttura sfrutta il piano di simmetria orizzontale e quindi dobbiamo modellarne solo la metà. Di conseguenza, dovremmo annunciarlo al simulatore HFWorks applicando una condizione al contorno PEMS; che si tratti di un PECS o di un PEMS, dipende dall'orientamento del campo elettrico vicino al confine di simmetria. Se tangenziale, allora è PEMS; se ortogonale allora è un PECS.

Meshing

La mesh deve essere concentrata sulle porte e sulle facce PEC. Il meshing di queste superfici aiuta il risolutore a perfezionare la precisione sulle parti vorticose e a tenere conto delle loro forme particolari.

Risultati

Sono disponibili vari grafici 3D e 2D da sfruttare, a seconda della natura del compito e del parametro a cui l'utente è interessato. Poiché abbiamo a che fare con una simulazione di filtro, tracciare il parametro S21 sembra un compito intuitivo.

Come accennato all'inizio di questo rapporto, HFWorks traccia le curve per i parametri elettrici su grafici 2D e su grafici Smith. Quest'ultimo è più adatto per problemi di corrispondenza ed è più rilevante quando si tratta di progetti di filtri. Notiamo qui che abbiamo bande passanti strette e che raggiungiamo un grande isolamento fuori banda.

I grafici 3D per gli studi sui parametri di diffusione coprono un'ampia gamma di parametri: le due figure seguenti mostrano la distribuzione del campo elettrico per due frequenze (una è all'interno della banda e l'altra è all'esterno della banda)

Il modello può essere simulato anche utilizzando il solutore di risonanza di HFWorks. Possiamo rilevare tutte le modalità che desideriamo. È facile ricavare uno studio di questo tipo dallo studio simulato dei parametri S: HFWorks consente operazioni di trascinamento della selezione per impostare rapidamente la simulazione della risonanza. Il risolutore di risonanza prende in considerazione la matrice EM del modello e fornisce le varie soluzioni in modalità Eigen. I risultati corrispondono molto bene a quelli degli studi precedenti. Mostriamo qui la tabella dei risultati:

Riferimenti

[1] Analisi del filtro a microonde utilizzando un nuovo metodo di frequenza modale a 3 elementi finiti, John R. Brauer, membro, IEEE, e Gary C. Lizalek, membro, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 45, n. 5, MAGGIO 1997
[2] John R. Brauer, Fellow, IEEE, e Gary C. Lizalek, membro, IEEE "Analisi del filtro a microonde utilizzando un nuovo metodo di frequenza modale a elementi finiti 3-D." Transazioni IEEE sulla teoria e le tecniche delle microonde, Vol45, No 5, pp.810-818, maggio 1997.

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