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4-2016

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Design NI AWR Software

Design NI AWR Software in Aktion: Entwicklung hohlraumbasierter Helical- Resonator-Bandpassfilter mit parametrierter Projektvorlage (Teil 1) Diese Application Note behandelt den Designprozess für eine kostengünstige Familie von hohlraumbasierten (cavity-based) UHF- Helical- Resonator- Bandpassfiltern zum Einsatz in einer umschaltbaren Testanordnung für CATV-Komponenten. Ein solches Cavity-Filter arbeitet mit einem oder mehreren Hohlraumresonatoren als frequenzbestimmendes Element. Dabei handelt es sich um einen Resonator, der in einen elektrisch leitenden Hohlkörper, wie z.B. einen Zylinder, eintaucht. Durch eine Änderung der Geometrie von Hohlkörper oder Resonator kann dieses Gebilde abgestimmt werden und erlaubt einen sehr selektiven Durchgang. Es lassen sich sehr hohe Güten erreichen, die wiederum direkt Einfluss auf die Selektivität haben. Die Leistungsfähigkeit solcher Filter wird also lediglich durch die Geometrie bestimmt. Daher kann man durch Abstimmen der Bild 1: Die 3D PCells wurden hier zunächst in einem 2D Layout kaskadiert. Filterstruktur bzw. Bestimmen der Größe aller Komponenten die Einstellelemente so gestalten, dass auf effektive Weise das geplante Betriebsverhalten des Filters erreicht wird. Bei dieser Aufgabe sind Software-Werkzeuge wie NI AWR Design Environment – inklusive des Simulators Analyst 3D EM – großartige Assistenten. PCB-Material als Basis Die Entwicklung und Simulation einer Geometrie für hohlraumbasierte Filter mit 3D EM einschließlich der Abstimmelemente ist im Allgemeinen sehr zeitintensiv. Doch integriert man ein solches Projekt in die Software, kann eine neue Auslegung sehr schnell durch Ändern einer kleinen Anzahl von Schlüsselparametern untersucht werden. Mithilfe parameterisierter 3D- EM-Bausteine für Hohlleiter und Resonatoren im Filter werden die Synthese und das Design einzelner Stufen vereinfacht. Das gesamte Design ist dann Quelle: Application Note „Cavity- Based Helical Resonator Bandpass Filters Designed With Parameterized Project Template in NI AWR Software“ frei übersetzt und leicht gekürzt von FS Bild 2: Die drei Kernelemente Helical Resonator (a), Schlitz-Apertur-Kopplung (b) und SMA-Bulkhead-Abschluss (c) 36 hf-praxis 4/2016

Design Bild 3: Aufstellung der Parameter, welche zurück in die Microwave-Office-2D-Umgebung exportiert wurden hochgradig reproduzierbar. Ein Schlüsselelement für die preisgünstige und schnelle Filter- Implementation war die einzigartige Konstruktion der Filter auf Basis von doppelt kaschiertem Platinenmaterial. Die Hohlräume und ihre Abschlüsse und Weiterführungen werden ausgeschnitten unter Nutzung einer LPKF- PCB-Mahlmaschine (Milling Machine), welche von einem parameterisierten Satz von Fertigungs-Files angesteuert wird. NI AWR Design Environment Software, speziell Microwave Office Circuit Design Software, wurde ebenfalls eingesetzt, um einen kompletten „Synthese-zu- Implementations”-Prozess für das gesamte Filter-Design einschließlich der Erstellung von Fabrikations-Files zu ermöglichen. Eine hierarchische Vorgehensweise bei der Modellierung wurde genutzt, welche die Optimierung des Objekts als Modell in Microwave Office und die Verifizierung durch Nutzung der Analyst-EM-Simulation erlaubt. Stark verkürzte Entwicklungszeit Sobald einmal die Projektvorlage oder Schablone kreiert ist, kann der gesamte Prozess der Entwicklung einer Variante mit einer neuen Filterfrequenz in weniger als einem Tag durchgeführt werden. Dies ist der in sich geschlossenen integrierten Projektumgebung zu verdanken. Ein erster Erfolg wurde mit drei verschiedenen Frequenzauslegungen erreicht und war verbunden mit einer beträchtlichen Zeitersparnis bei der Kreation der 3D-EM-Struktur der Filterfamilie infolge der Grundstruktur aus kaskadierbaren Bausteinen der Analyst PCells. Bild 4: Design-Ablauf, dargestellt anhand von Ordnern Die PCell-Bausteine Ein hierarchisches Herangehen beim Entwicklungsprozess des Filters wurde mithilfe von parameterisierten 3D PCells innerhalb des Analyst umgesetzt. Ein Kernsatz allgemeiner Parameter spezifiziert dabei alle physikalsichen Filterdimensionen. Bild 1 zeigt die ersten beiden Sektionen des kompletten Filtermodells im 2D Layout Editor in Form einer Kaskade parameterisierter 3D PCells. Das Aufmacherbild bringt die dazugehörige 3D-Darstellung des kompletten Filtermodells. Koaxiale SMA- Anschlüsse bilden die Wellen- Ports 1 and 2. Die Ports 3 bis 7 werden genutzt, um die Port- Abstimmungstechnik zu implementieren. Das gesamte Filter wurde mit lediglich drei parameterisierten Kernbausteinen: • Helical Resonator (Spule) • Schlitz-Apertur-Kopplung • SMA-Bulkhead-Abschluss mit justierbarem Resonator- Abgriffsdraht Bild 2 zeigt diese Baugruppen genauer. Die 3D PCells wurden unter Nutzung des Analyst 3D Editors gezeichnet und dann die für die Konstruktion relevanten Parameter nach Microwave Office exportiert (Bild 3). Verlauf des Designs Sowohl die Entwicklung als auch die Fertigung eines solchen Filters enthält eine Anzahl von Herausforderungen, die ganz typisch für diese Art von Filtern sind. Zunächst erfolgte das Design mit als ideal angenommenen Elementen gemäß der traditionellen Filtertheorie. Optimierungen wurden dann ausgeführt, um zur vorgegebenen Filterkurve zu kommen. Die erste Herausforderung bestand darin, das angestrebte ideale Filterverhalten soweit wie möglich mit einem aktuellen physikalisch realen kaskadierbaren Hohlleiter zu erreichen. Die EM Simulation mithilfe von Analyst wurde dabei hochgradig genutzt, da sie gerade für ein solches Projekt einige Vorteile bietet. Dazu zählt die Fähigkeit, 3D-Teile in Form von PCells zu kreieren, die dann immer wieder im Verlauf des Entwicklungsprozesses genutzt werden können. Dadurch wird die Modellentwicklung schneller und leichter, da die Schritte vom individuellen Hohlraum-Design zu den letztendlichen fünf kaskadierten Sektionen miteinander verbundene einheitliche Grund- hf-praxis 4/2016 37

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel