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4-2017

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Design Bild A: Nutzung

Design Bild A: Nutzung eines konventionellen Microstrip-Modelles, um die Geometrie zu definieren sind, werden in Blau dargestellt. Der Extract-Block enthält die EM-Analyse-Parameter, wie etwa Zellengröße, Simulations- Engine und Materialdefinitionen. Die Stackup-Parameter gehören zu einem MSUB-Definitionselement, welches die Nutzung verschiedener Material-Layer erlaubt, um dem Anwender die Steuerung und Kontrolle der normalen Substratparameter, des Leitermaterials und der Hohlräume (Air Gaps) zu erleichtern. Beide Spurenmuster wurden hier definiert, und einer der Elementparameter wurde dementsprechend ausgewählt, auf welcher Seite des Boards eine Teilsektion platziert ist. Es ist von grundlegender Bedeutung, sicherzustellen, dass alle Sektionen gut verbunden sind. In diesem Fall wird sowohl primär als auch sekundär eine einfache Windung eingesetzt, wobei Kondensatoren und/oder Erdungsmethoden ausgespart wurden. Die EM-Sektion der Schaltung ist zwecks möglichst schneller Analyse separiert; wenn dieser Teil der Schaltung nicht verändert wird, dann muss man die Analyse auch nicht wiederholen, und das spart Zeit. Ist stattdessen die EM-Sektion als Block enthalten, so sind die anderen Schaltungselemente einbezogen. In diesem Falle wurden die Resonanzkondensatoren hinzugefügt, wie in Bild 11 gezeigt. (Anmerkung: Andere Anpasselemente können ebenfalls einbezogen werden.) Die Resultate der Optimierung der Kondensatorwerte für einen 3-dB-Split werden in Bild 12 dargestellt. Wie man daraus erkennen kann, ist mit dieser Konstruktion eine Unsymmetrie von 0,5 dB zwischen den Ports vorhanden. Es gibt mehrere Techniken, welche man heranziehen kann, um diesen Makel innerhalb der Simulationsmöglichkeiten zu beheben. Dabei muss man sorgfältig vorgehen, um die 180° Phasendifferenz nicht zu gefährden, denn diese ist eine Grundanforderung an den Balun. Mit diesem Wissen im Kopf, lässt sich die erforderliche Abweichung (Anti-Phase Response) einhalten. Hierzu informiert Bild 13. Die Simulationszeit für diese Struktur liegt unter einer Minute mit einer typischen Laptop- Konfiguration, und daher sind abstimmung und Optimierung des Designs gut praktikabel. Eine automatische Optimierung ist ebenfalls vorstellbar, allerdings muss man bei den meisten Optimierungsroutinen ein wachsames Auge auf das Design haben, um sicherzustellen, dass das schließlich vorgeschlagene Layout sich durch tatsächlich realisierbare Parameter auszeichnet. Wenn man die Elemente mit der Funktion Auto-Snap setzt und Grenzen für die Dimensionen festlegt, die mit dem Rastermaß des Layouts Z L in Ohm N L p in nH M C p in pF 50 1 7 7 375 25 2 14,1 9,9 187,5 12,5 4 28,1 14,1 93,8 10 5 35,2 15,7 75 8,3 6 42,4 17,3 62,3 4 12,5 87,9 24,9 30 2 25 175,8 35,2 15 Mögliche Werte der Balun-Spule Lp (Primärinduktivität) für sieben verschiedene Lastimpedanzen (n ... Impedanzverhältnis) 66 hf-praxis 4/2017

Design Bild 12: Leistungsverteilung (Power Split) beim abgestimmten Balun Bild 13: Phasenverhalten beim abgestimmten Balun zusammenpassen, hilft dies bei diesem Problem weiter. Zu verstehen, bis zu welchem detaillierten Grad die Modellierung getrieben werden soll, ist ein weiterer wichtiger Punkt bei Simulation und Messungen. Beispielsweise wird oft das Gehäuse ignoriert oder nur die Höhe der Abdeckung beachtet. Im Falle des betrachteten Output Balun muss z.B. auch der rechteckige Hohlraum unter dem Board berücksichtigt werden. In der Praxis sind auch die Übergänge von der auslaufenden Stripline zur Microstrip-Form zu beachten, und Sorgfalt muss darauf verwendet werden, wie und wo die spiralförmigen Tracks unter dem Board geerdet werden sollten. Dies alles lässt sich recht einfach mit Axiem modellieren, indem man den freien Raum in verschiedene Lagen einteilt. Die einzelnen Schritte kann man dann zu diesen Lagen addieren. Schlussbemerkungen Es wurde eine Herangehensweise demonstriert, welche das Verständnis einer nutzvollen Balun-Konstruktion unterstützt und die ein Balun Design ermöglicht, welches auch für voluminöse High-Power-VHF/UHF- Applikationen geeignet ist. Der Umgang mit NI AWR Design Environment inklusive Microwave Office und der Axiem EM Simulation Engine wurde ebenso demonstriert, und es wurde gezeigt, wie nützlich diese Werkzeuge sind. Sie erlauben einen akuraten Entwurf von Stripline- Layouts, wofür konventionelle lineare Schaltungmodelle nicht existieren. Dieser Ansatz erlaubt es auch, sowohl die EM-Lösung als auch das Layout zum größten Teil zu automatisieren, ausgehend von Standard-Microstrip- Schaltungselementen. Der Autor dankt Mr. Andrew Wallace and Dr. Jaakko Juntunen von AWR Group, NI für ihre Unterstützung. www.krebshilfe.de SPENDENKONTO IBAN: DE65 3705 0299 0000 9191 91 hf-praxis 4/2017 67

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel