Como projetar um filtro dielétrico?

Um Filtro Dielétrico é uma fibra óptica que transmite seletivamente um comprimento de onda e reflete outros com base na interferência dentro da estrutura. Também chamado de filtro de interferência. A cerâmica de efeitos dielétricos de micro-ondas melhora o tamanho dos dispositivos e a densidade de empacotamento dos circuitos integrados de micro-ondas. Por esse motivo, é amplamente utilizado em filtros de micro-ondas e placas de circuito em estações base de comunicação móvel e sistemas de comunicação via satélite, especialmente em 5G.
A tecnologia 5G rapidamente desenvolvida trará um espaço de mercado considerável para a estação base 5G, bem como um filtro dielétrico para a estação base 5g.

Princípio de projeto

Um modelo simétrico de um filtro ressonador dielétrico [1] é analisado usando o módulo de parâmetros de dispersão do HFWorks para determinar sua banda passante, a atenuação dentro e fora da banda e as distribuições de campo elétrico para várias frequências. O resultado mostra uma correspondência perfeita com aqueles apresentados em [2]. Os cabos possuem condutor com perdas e possuem parte interna de Teflon. HF Works oferece a possibilidade de plotar vários parâmetros de dispersão em gráficos 2D e Smith Chart. Além disso, o campo elétrico pode ser visualizado em gráficos 3D vetoriais e de franja para todas as frequências estudadas.

Simulação

Para simular o comportamento deste filtro (inserção e perda de retorno...), criaremos um estudo de Parâmetros de Dispersão, e especificaremos a faixa de frequência relevante na qual a antena opera (no nosso caso 100 frequências distribuídas uniformemente de 4 GHz a 8 GHz ).

Sólidos e Materiais

Na figura 1 mostramos o modelo discretizado de um filtro de circuito dielétrico com acopladores coaxiais de entrada e saída. Os dois discos dielétricos atuam como ressonadores acoplados, de modo que todo o dispositivo se torna um filtro passa-banda de alta qualidade.

Carga/Restrição

Duas portas são aplicadas nas laterais dos dois acopladores coaxiais. As faces inferiores da caixa de ar são tratadas como Limites Elétricos Perfeitos. A estrutura beneficia o plano de simetria horizontal e portanto, só precisamos modelar uma metade. Consequentemente, devemos anunciar isso ao simulador HFWorks aplicando uma condição de contorno PEMS; seja um PECS ou PEMS, depende da orientação do campo elétrico próximo ao limite de simetria. Se tangencial, então é PEMS; se for ortogonal, então é um PECS.

Malha

A malha deve estar concentrada nas portas e nas faces do PEC. A malha dessas superfícies ajuda o solucionador a refinar sua precisão nas partes turbulentas e a levar em consideração suas formas específicas.

Resultados

Vários gráficos 3D e 2D estão disponíveis para exploração, dependendo da natureza da tarefa e do parâmetro no qual o usuário está interessado. Como estamos lidando com uma simulação de filtro, traçar o parâmetro S21 parece uma tarefa intuitiva.

Conforme mencionado no início deste relatório, o HFWorks traça curvas para parâmetros elétricos em gráficos 2D, bem como em gráficos Smith. Este último é mais adequado para questões de correspondência e é mais relevante quando lidamos com projetos de filtros. Notamos aqui que temos bandas passantes acentuadas e que alcançamos um grande isolamento fora da banda.

Os gráficos 3D para estudos de parâmetros de espalhamento cobrem uma ampla gama de parâmetros: as duas figuras a seguir mostram a distribuição do campo elétrico para duas frequências (uma está dentro da banda e a outra está fora da banda)

O modelo também pode ser simulado usando o solucionador de ressonância do HFWorks. Podemos detectar quantos modos desejarmos. É fácil derivar tal estudo do estudo simulado de parâmetro S: o HFWorks permite arrastar e soltar para configurar rapidamente a simulação de ressonância. O solucionador de ressonância leva em consideração a matriz EM do modelo e fornece as diversas soluções de modo Eigen. Os resultados correspondem muito bem aos resultados dos estudos anteriores. Mostramos aqui a tabela de resultados:

Referências

[1] Análise de filtro de micro-ondas usando um novo método de frequência modal de 3 elementos finitos, John R. Brauer, Fellow, IEEE, e Gary C. Lizalek, membro, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 45, NÃO. 5, MAIO DE 1997
[2] John R. Brauer, Fellow, IEEE, e Gary C. Lizalek, membro, IEEE "Análise de filtro de micro-ondas usando um novo método de frequência modal de elementos finitos 3-D."IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol45, No. 5, pp.810-818, maio de 1997.

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