技术干货｜采用CST Studio Suite高效设计SIW和ESIW滤波器

[ 软件介绍 ] 广州智造 2022-04-21 16:58

在本文中，我们展现了如何综合运用SIMULIA CST Studio Suite®环境下的多种不同的工具与方法，设计微波滤波器。我们应用这些工作流程设计基于基片集成波导（SIW）技术和空心基片集成波导（ESIW）技术的滤波器。

技术支持

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SIW技术与ESIW技术

大多数现代无线系统都需要电磁（EM）滤波器，这些系统包括蜂窝基站、卫星通信、雷达系统等。这种装置的功能是过滤信号的频谱，通常来说它在保证信号完整性的同时又能滤除热噪声和一些不必要的干扰。

在过去的二十年里，基片集成波导（SIW）技术[1]已被用于开发高频滤波器。这种技术在波导（具有低损耗和高功率容量特性）和平面电路（具有高集成度和低成本特性）的优点之间做了很好的折中。

最近，一些研究者提出了一种基于波导技术的可与平面集成电路兼容的新技术，即所谓的空心基片集成波导（ESIW）[2]。这种方法能让波导直接接入微带线。因此，就能开发出完全集成在平面基片上的低损耗电路。

另一方面，滤波器设计通常是一项繁重的工作，特别是在滤波器的规格要求难度较大的时候。在这篇博文中，我们展现了如何综合运用多种不同的工具与方法，高效地设计基于SIW技术和ESIW技术的滤波器。具体而言，我们介绍了两种特定的工作流程，滤波器设计人员可以将其应用到自己的开发工作中，而无需考虑实际采用了何种技术。

在讲解CST Studio Suite®环境下的用于设计微波滤波器的工作流程之前，我们首先介绍在设计流程中将要用到的具体工具和求解器。

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SIMULIA滤波器仿真技术

CST Studio Suite是一种用于分析/设计电磁组件与系统的高性能3D电磁（EM）分析软件包。它融合了多种适用于不同应用的电磁场求解器。特别是对于滤波器设计来说，CST Studio Suite内置两种适用的3D求解器：

频域求解器

一种基于有限元法（FEM）的功能强大的多用途3D全波求解器。它包含可加快谐振元件仿真速度的模型降阶（MOR）特性以及在高灵敏度滤波器仿真中对降低网格噪声，实现优化收敛起重要作用的移动网格技术。

本征模求解器

这是一种专用于仿真谐振元件的求解器。本征模求解器的常见应用包括耦合谐振滤波器、高Q粒子加速腔以及行波管等慢波结构。此外，它也支持开放边界问题的求解，这对基于SIW技术或其他平面技术的模型极其重要。

Filter Designer 3D (FD3D) 是一种耦合矩阵综合与分析工具，用于设计带通滤波器和双工器。此外，它也支持分布式滤波器（以同轴腔、波导、平面等各类技术实现）3D模型的创建和优化自动化。

Fest3D 是一种软件工具，用于分析复杂的基于波导技术和同轴腔技术的无源微波组件，且效率极高。它采用分而治之的方法，先采用效率最高的方法求解组件的不同组成部分，然后在接口（端口）上通过EM模态扩展，与其他组成部分相连。较重要的是，Fest3D为基于波导技术的带通、双模和低通滤波器提供了先进的自动设计工具。

工作流程

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SIW滤波器设计工作流程

CST Studio Suite®环境下

通用且自动化工作流程概述如下：

在FD3D中定义滤波器规格，并且从一系列能够为组合体提供合适耦合矩阵的拓扑中选择拓扑结构。
从元件库中为滤波器所需的部分选择3D模型，如谐振器和耦合元件。
谐振器和连接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。

在CST Studio Suite®内根据拓扑布局组合这些不同组件的模型来创建3D滤波器模型。通过基于耦合矩阵的“空间映射”（space mapping）例程，自动完成最终的尺寸设定。

FD3D是这个通用工作流程中的核心工具，控制着设计流程中所需的EM求解器和组合建模。

在下面的示例中，我们应用这个工作流程设计SIW滤波器。具体而言，我们选择以下这些电气规格：

中心频率：5GHz
带宽：400MHz
回波损耗：20dB
极数：4

在FD3D中使用这些规格，我们得到一个响应情况如图1所示的耦合矩阵。我们应在整个设计流程中以此耦合矩阵为目标。

图1：SIW滤波器的耦合矩阵

我们已经选择好下列基本元件，用于构建图2所示的SIW滤波器：

1.谐振器：矩形谐振器，其电壁用通孔实现。

2.内部连接器：矩形开口处，其电壁用通孔实现。

3.外部连接器：微带传输线到SIW的过渡段。

图2：SIW滤波器的3D模型

技术干货｜采用CST Studio Suite高效设计SIW和ESIW滤波器

我们已通过快速本征模仿真，确定了每个组件的初始尺寸。接着我们逐组件地指定设计参数（用图2中的标注弧线（蓝色）表示），以控制与耦合矩阵相关的各个部分：

1.矩形谐振器的长度

2.内腔开口处的宽度

3.微带到SIW过渡段的输入/输出开口处的宽度。

在图3中我们展示出了每个耦合矩阵元素在真实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与腔长度的关系。(b)谐振器之间连接器的耦合矩阵值与开口处宽度的关系。(c)源/负载的耦合矩阵值与微带到SIW过渡段上开口处宽度的关系。

对于初始设计，FD3D根据这些曲线为各个耦合矩阵项选择合适的值。由于在本征模分析中没有考虑加载的影响，初始响应（用图4中所示的红色虚线表示）偏离了目标。为了解决这个问题，我们启动了FD3D中提供的空间映射点对点优化功能。该算法从S参数提取耦合矩阵并根据图3中的曲线计算出一组新的参数值。这个点对点流程的结果如图4中的绿色实线所示。此时该组合体所需的滤波器响应已经实现。

图4：滤波器的反射系数。红色虚线是初始设计流程得到的响应。绿色实线是应用点对点空间映射优化算法后得到的滤波器的最终响应。

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ESIW滤波器设计工作流程

对于ESIW滤波器，我们可以运用专门针对波导技术的专用求解器，它可以显著加快分析速度。此外，我们针对ESIW开发的工作流程新增了两个环节：Fest3D和CST Studio Suite®优化（基于从FD3D提取的耦合矩阵）。其目标是设计出如图5所示的滤波器。

该滤波器由外部端口连接器（微带到ESIW过渡段）和采用矩形波导技术实现的空腔谐振器构成。该工作流程大致由如下步骤构成：

1.在FD3D内定义滤波器规格并从可为组合体和最终优化提供合适的耦合矩阵的一系列拓扑中选择拓扑结构。

2.使用Fest3D中的自动组合向导生成矩形波导带通滤波器。

3.使用本征模求解器，结合CST Studio Suite®设计微带到ESIW过渡段。

4.在CST Studio Suite®Circuits & Systems中连接这两个部分（过渡段+波导滤波器），并且根据耦合矩阵的提取执行优化器，其中选择步骤1中FD3D项目作为优化目标。

图5：ESIW滤波器的3D模型

我们在本例中选择的滤波器规格是：

中心频率：20GHz
带宽：500MHz
回波损耗：25dB
极数：5

在FD3D中使用这些规格，我们得到如图6所示的对应耦合矩阵。

图6：ESIW滤波器的耦合矩阵

我们使用Fest3D自动设计工具设计了用于感应式带通滤波器的波导滤波器。我们选择了标准矩形波导WR-42作为端口。然而，ESIW滤波器设计的关键在于使用跟过渡段基片厚度一样高的滤波器（如图5所示），以简化滤波器到过渡段的连接。在本例中，我们选择了厚度为1.524mm[2]的基片，这就是图7（a）中所示滤波器的高度。使用自动设计工具，我们获得图7(b)所示的响应，它很好地满足了规格要求。请注意，这是在无需额外优化的情况下取得的结果。

图7：使用Fest3D中的自动设计工具设计的波导滤波器

此后，我们设计了图8(a)[2]所示的微带到波导的过渡段。我们先获得初始响应（图8(b)中的红色曲线）。对此优化后，我们在目标频带内得到优于35dB的输入匹配（图8(b)中的绿色曲线）。

图8：(a)微带到ESIW过渡的3D模型。(b)优化前与优化后的过渡段的反射系数

下一步是将波导滤波器与输入/输出过渡段进行连接。为此，我们使用了CST Studio Suite®Circuits & Systems，它能通过接口上的EM模态，在两个部分间建立电磁连接。我们随后得到的结果如图9中的红色曲线所示。这个结果已经非常接近金色（理想）响应，因为我们设计的过渡段有极其优异的匹配性能，并且正如前文提到的，过渡段与滤波器之间的接口有相同的尺寸（没有额外的失配）。最后，我们结合FD3D并使用CST Studio Suite®优化器优化这个组件，也就是说，我们使用理想的耦合矩阵（如图6所示）作为优化器的目标函数而不是S参数。此外，要完成这个最终优化，我们只需要微调波导滤波器而非过渡段。因此，优化流程非常高效，这是因为我们使用Fest3D EM模态求解器计算波导滤波器，而且不必在每次迭代时都重新计算过渡块。最终响应具有理想的等纹波，如图9中的绿色曲线所示。

图9：完整滤波器在优化前（初始）和优化后（到目前为止更佳）的响应

总结

在本文中，我们介绍了如何综合运用CST Studio Suite®环境中的不同工具与方法来设计微波滤波器。我们已经成功地将这些工作流程应用于设计基于SIW技术和ESIW技术的两种特定的滤波器。

参考资料

[1] D. Deslandes and K. Wu, “Integrated microstrip and rectangular waveguide in planar form,” IEEE Microwave Wireless Component Letter, vol. 11, no. 2, pp. 68–70, Feb. 2001.

[2] A. Belenguer, H. Esteban, and V. E. Boria, “Novel Empty Substrate Integrated Waveguide for High-Performance Microwave Integrated Circuits”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 62, No. 4, April 2014.

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