Проектирование диплексера, дуплексера, триплексера
В статье рассматривается эффективный процесс проектирования диплексеров, дуплексеров, триплексеров и N-плексеров на основе программных решений Nuhertz Technologies для разработки фильтров (FS), библиотеки моделей компонентов Modelithics RF и среды проектирования AWR Design Environment, а также модуля Microwave Office.
Введение
В статье рассматривается эффективный процесс проектирования диплексеров, дуплексеров, триплексеров и N-плексеров на основе программных решений Nuhertz Technologies для разработки фильтров (FS), библиотеки моделей компонентов Modelithics RF и среды проектирования AWR Design Environment, а также модуля Microwave Office.
В статье рассматривается эффективный процесс проектирования на основе комбинации программных решений Nuhertz Technologies для разработки фильтров (FS), библиотеки моделей компонентов Modelithics RF, среды проектирования AWR Design Environment и, в особенности, – ПО Microwave Office для проектирования схемных решений.
Успех проекта достигается благодаря эффективным инструментам оптимизации Microwave Office, точным и гибким моделям компонентов разных производителей от Modelithics и автоматизированному проектированию от Nuhertz. На основе предлагаемого подхода можно получить готовые к производству проекты диплексеров, дуплексеров и триплексеров, удовлетворяющие электрическим и физическим требованиям. N-плексеры можно реализовать на основе комбинации блоков ди и триплексеров в Microwave Office путем копирования и вставки элементов. Для более детального анализа и оптимизации методами электромагнитного моделирования применяются планарный симулятор AXIEM и 3D-симулятор Analyst.
Особенности проектирования фильтров
Проектирование идеальных диплексеров – задача непростая даже на низких частотах ввиду конечного сопротивления входа и взаимодействий между низко- и высокочастотным плечами диплексера. Проектирование дуплексеров (два полосно-пропускающих плеча), триплексеров (низкочастотные, высокочастотные и полосно-пропускающие плечи) и N-плексеров вызывает сложности по тем же основным причинам. Идеальные диплексеры со смежными каналами (без 3-дБ частотного зазора между соседними каналами) ослабляют нежелательные отражения на входе и «провисания» выходных характеристик благодаря непосредственному взаимодействию между плечами, однако не избавлены от них полностью.
Диплексеры с частотным разделением смежных каналов обладают худшими выходными характеристиками, однако их можно улучшить с помощью компенсаторов на основе шунтирующих последовательных LC-резонаторов, смещающих нежелательные отражения в область между каналами, что улучшает характеристики в полосах пропускания. Дуплексеры и многоканальные разделители с внешними полосно-пропускающими плечами вызывают те же проблемы на частотах среза, решение которых на краях частотного диапазона устройства аналогично упомянутому.
Исправление частотной характеристики несмежного диплексера компенсаторами нежелательных отражений может оказаться невозможным из-за того, что номиналы компонентов выходят за допустимый диапазон или их физический размер не соответствует требованиям проекта. Подстройка компонентов позволяет получить размеры элементов согласно заданным топологическим ограничениям, и, если повезет, они все еще будут соответствовать проектным требованиям. Однако зачастую перед разработчиком стоит сложный выбор между выполнением требований к электрическим или топологическим характеристикам проекта. К счастью, вместо этого непозволительного выбора можно найти компромиссное решение благодаря передовым методам проектирования, представленным в этой статье. Кроме того, иногда необходимо смешивать топологии фильтров и требования к затуханию между двумя или более участками полосы пропускания. Оба этих обстоятельства в еще большей степени усугубляют проблему компенсации отражения в том, что значения стандартных элементов компенсации вычисляются с использованием идентичных топологий и порядков. В свою очередь, возникает необходимость в применении передовых методов проектирования и оптимизации.
Помимо основных проблем идеальных диплексеров, частотные характеристики реальных устройств ухудшаются из-за неоптимальных значений предлагающихся на рынке дискретных компонентов и конечной добротности индуктивности даже на более низких частотах. На более высоких частотах дополнительные паразитные эффекты межсоединений и контактных площадок ухудшают частотную характеристику в еще большей степени вплоть до того, что она становится нераспознаваемой. Поскольку при проектировании высокочастотных диплексеров возникают те же проблемы, целесообразно оптимизировать проекты с учетом всех упомянутых особенностей, чтобы окончательный проект отвечал всем требованиям к электрическим и физическим характеристикам приложения.
Рисунок 1
Рисунок 2
Страница экспорта Nuhertz FS с параметрами моделей Modelithics
а) идеальный диплексер; б) результаты его моделирования в Microwave Office (снизу)
Разработка Диплексера
Процесс проектирования начинается с конструкции фильтра, синтезированного в Nuhertz FS, для восьмиполюсного несмежного эллиптического диплексера с центральной частотой 500 МГц и межполосным интервалом 200 МГц. Для минимизации количества катушек был выбран фильтр четного порядка, а для перемещения отражений в межканальный интервал вдали от верхней и нижней полос пропускания используется компенсатор отражения. Центральная частота 500 МГц находится в том частотном диапазоне, где паразитные эффекты подложки и межсоединения могут оказывать значительное влияние. Идеальный фильтр в Nuhertz и результаты моделирования S-параметров в Microwave Office с заданными параметрами оптимизации показаны на рисунке 1. Выпадающее меню Export применяется для экспорта проекта в Microwave Office для дальнейшего анализа.
Из рисунка 1 видно, что частотная характеристика идеального диплексера легко удовлетворяет требованиям. Тем не менее, после включения реальных (изготовленных) компонентов, межкомпонентных соединений и подложек частотная характеристика, скорее всего, значительно ухудшится на заданных частотах.
Для реализации проекта были выбраны модели индуктивностей Murata 06031QW18A и конденсаторов AVX 0603 ACCUP от Modelithics. Семейства реактивных компонентов были тщательно отобраны на основе характеристик на высоких частотах, а их обширный состав предоставил дискретным оптимизаторам в составе Microwave Office большой выбор компонентов для оптимизации. Состав моделей семейств включает возможность выбора таких элементов идеальных компенсаторов, чтобы физические размеры диплексера оставались в заданных пределах. Кроме того, имеется возможность выбрать индукторы и конденсаторы нескольких семейств, чтобы учесть большие различия в размерах элементов.
В рассматриваемом случае была выбрана подложка Rogers 4003C1 толщиной 20 мил от Modelithics. Для простоты расположение межсоединений было определено относительно высоты подложки, но разработчик может задать ее в абсолютных величинах. Панель экспорта Nuhertz FS с вариантами выбора для этого проекта показана на рисунке 2. Для параметров библиотеки компонентов и межкомпонентных соединений установлено значение Modelithics COMPLETE и Include Interconnects («Включить межсоединения»).
Выбор семейств компонентов и подложек очень прост: выпадающее меню содержит все доступные семейства и подложки, и разработчик может просто выбрать желаемое семейство, семейства или подложку. Можно выбрать несколько семейств, установив соответствующий флажок (см. рис. 3).
После создания идеальной конструкции, выбора деталей и подложки мы снова выполняем экспорт в Microwave Office, чтобы получить схему, топологию и частотную характеристику проекта на основе моделей от Modelithics. Выбор компонентов и вставка межсоединений автоматизированы на 10 0% , однако при желании можно выполнить и ручную подстройку межсоединений, добавив и подстроив элементы топологии в схеме Microwave Office. Экспортированный проект со всеми компонентами показан на рисунке 4; видно, что S-параметры более реальной версии значительно ухудшились по сравнению с идеальным диплексером.
Рисунок 3
Рисунок 4
Выбор семейств моделей компонентов Modelithics
Диплексер с реальными компонентами и топологией в Microwave Office
Рисунок 5
Рисунок 6
Выбор компонентов Modelithics для дискретного оптимизатора Microwave Office
Отключение оптимизации межсоединений при экспорте проекта в Microwave Office
Рисунок 7
Рисунок 8
Выбор оптимизации топологии межсоединений
Выбор наиболее подходящих компонентов Modelithics в процессе дискретной оптимизации в Microwave Office
Рисунок 9
Рисунок 10
Готовые к оптимизации геометрические параметры межсоединений
Итоговая конструкция диплексера, оптимизированная по компонентам Modelithics и геометрическим параметрам межкомпонентных соединений
Если присмотреться к схеме Microwave Office, можно увидеть, что назначения моделей Modelithics вместо идеальных компонентов выполняются с использованием дискретных уравнений, совместимых с дискретным оптимизатором Microwave Office. Кроме того, все геометрические параметры межсоединений определяются с помощью оптимизируемых уравнений (см. рис. 5). Для первого этапа оптимизации выбраны только параметры компонентов Modelithics. Оптимизируемые уравнения отображаются синим цветом, а неоптимизируемые уравнения – черным.
Дискретный оптимизатор выбирает компоненты Modelithics, наиболее точно соответствующие целям оптимизации проекта. Как только процесс выбора подходящих компонентов завершится, можно заняться регулировкой геометрических параметров межсоединений.
Чтобы отключить оптимизацию межсоединений при экспорте в Microwave Office, необходимо снять соответствующий флажок на панели экспорта, как показано на рисунке 6.
Чтобы запустить дискретный оптимизатор, выбираем Discrete Local Search в окне оптимизатора и нажимаем кнопку Start в левом нижнем углу. Константа оптимизации уменьшается в процессе поиска решения и принимает минимальное значение, когда дальнейшая оптимизация невозможна. Рекомендуется сделать более одного прогона оптимизации и использовать результаты, при которых константа оказывается наименьшей. Лучшие результаты после трех запусков оптимизатора показаны на рисунке 7 (обведенные области соответствуют элементам управления и месту отображения константы оптимизации). На графике S-параметров видно, что теперь кривые точнее соответствуют заданной оптимизации.
Во многих случаях одного запуска дискретной оптимизации с компонентами Modelithics достаточно для выполнения требований проекта и этот шаг, по сути, можно считать завершающим. Иногда необходим дополнительный шаг: перемещение компонентов и редактирование топологии для оптимизации занимаемой площади и соответствия ограничениям пространства на плате. Если частотная характеристика не соответствует техническому заданию, геометрические параметры межсоединений необходимо изначально настроить для продолжения оптимизации. С этой целью устанавливается соответствующий флажок на панели экспорта данных в Microwave Office, как показано на рисунке 8, и нажимается кнопка Update.
В результате обеспечивается возможность регулировать и оптимизировать геометрические параметры межкомпонентных соединений. Такие параметры, выделенные синим цветом на схеме Microwave Office (к примеру, S и W справа на рисунке 9), автоматически участвуют в процессе оптимизации.
Процесс оптимизации в Microwave Office запускается еще раз; при этом используются компоненты библиотеки Modelithics и геометрические параметры межсоединений. В качестве алгоритма оптимизации сначала выступает алгоритм дискретного локального поиска Discrete Local Search, а затем – Pointer Gradient, который предназначен для точной настройки решения после оптимизации. Результаты, представленные на рисунке 10, показывают почти идеальные характеристики и малую остаточную константу оптимизации 1,4. Заметим, что при необходимости внести изменения в топологию для удовлетворения требования к занимаемому пространству на плате их следует выполнить до запуска оптимизации.
Рисунок 11
Рисунок 12
Меню управления процессом экстракции в Microwave Office для ЭМ-анализа проекта
Результаты ЭМ анализа в AXIEM
Рисунок 13
Рисунок 14
Итоговые результаты расчета структуры в AXIEM после оптимизации
а) схема идеального 6-полюсного эллиптического дуплексера в FS; б) частотная характеристика в Microwave Office
На частотах около 1 ГГц рекомендуется проверить полученную характеристику, запустив электромагнитный анализ схемы с помощью планарного симулятора AXIEM. Сделать это весьма просто: достаточно щелкнуть правой кнопкой мыши блок экстракции итоговой схемы в Microwave Office, выбрать Enable и затем – Add Extraction, как показано на рисунке 11.
Результаты ЭМ-анализа, представленные на рисунке 12, достаточно точно совпадают с ранее полученной частотной характеристикой.
Однако полученные результаты могут оказаться неудовлетворительными, поскольку частотная характеристика несколько ухудшилась; в таком случае следует выполнить ЭМ-оптимизацию проекта. Поскольку ей может потребоваться большой объем вычислительных ресурсов, что увеличит время моделирования, решение о целесообразности дальнейшей оптимизации лежит полностью на разработчике и его опыте. В данном случае уточнение результатов оптимизации было сочтено оправданным, и по ее результатам константа уменьшилась с 4,5 до 1,8. Окончательная частотная характеристика после оптимизации с помощью AXIEM показана на рисунке 13.
Рисунок 15
Рисунок 16
Оптимизированная конструкция дуплексера и результаты анализа в Microwave Office
Оптимизированная конструкция триплексера и результаты анализа в Microwave Office
Рисунок 17
Оптимизированная схема и топология N-плексера в Microwave Office
Разработка дуплексера
Конструктивно дуплексеры схожи с диплексерами за исключением того, что у первых из них – два полосно-пропускающих плеча вместо плеч, фильтрующих нижние и верхние частоты. Компенсатор отражения центральной частоты для несмежных дуплексеров идентичен таковому для диплексеров. При проектировании дуплексеров следует учитывать, что на внешних частотах среза полосно-пропускающих плеч иногда наблюдаются искажения, вызванные теми же причинами, что и в случае несмежных диплексеров. Это проседание уменьшается с помощью компенсаторов отражения.
На рисунке 14 показана синтезированная конструкция идеального 6-полюсного эллиптического дуплексера с центральной частотой 200 МГц и полосой по внешнему краю 200 МГц. Топология с равными плечами была выбрана для минимизации разброса номинала шунтирующей индуктивности и упрощения оптимизации двух полос пропускания. Три шунтирующих LC-резонатора служат компенсаторами отражения; один – для центральной частоты, другой – для каждого из внешних краев полосы пропускания.
Те же этапы проектирования, что и для диплексера, можно применить и в данном случае: оптимизацию с библиотекой Modelithics, оптимизацию межсоединений, а при необходимости и ЭМ-оптимизацию в AXIEM. На рисунке 15 показаны оптимизированная топология и результаты моделирования.
Проектирование триплексера
Триплексеры схожи с диплексерами, но в их конструкцию включено полосно-пропускающее плечо между низко- и высокочастотными плечами. Для несмежных триплексеров необходимы два компенсатора отражения: один между полосой низких частот и полосой пропускания, а другой – между полосами пропускания и верхних частот. Триплексеры используют ту же конструкцию, что и диплексеры, но соединение в точке разделения плеч сложнее, и оно приводит к большему количеству паразитных соединений, что, в свою очередь, значительно ухудшает частотные характеристики. На рисунке 16 представлена конструкция оптимизированного триплексера, для получения которой была проведена ручная подстройка геометрических параметров в делителе. Отметим, что конечная постоянная оптимизации равна 14, что несколько выше, чем было в описанных выше конструкциях диплексера и дуплексера.
Проектирование N-Плексера
N-плексеры состоят из ряда полосовых секций с необязательной НЧ- или ВЧ-секцией на каждом конце. FS не может синтезировать N-плексеры напрямую, но их можно разрабатывать по частям, проектируя дуплексеры и триплексеры по отдельности, экспортируя полученные конструкции в ПО Microwave Office, а затем копируя и вставляя требуемые блоки в конструкцию N-плексера в Microwave Office. Заметим, что возросшая сложность компоновки микрополосковой точки соединения плеч N-плексера может ограничивать частотный диапазон конструкции с сосредоточенными LC-элементами. На рисунке 17 показана схема и топология N-плексера в Microwave Office. Во всех случаях компенсаторы отражения располагались на входе отдельных плеч N-плексера.
Выводы
Мы рассмотрели методологию проектирования высокочастотных диплексеров с сосредоточенными элементами, дуплексеров, триплексеров и N-плексеров с использованием Nuhertz FS, платформы AWR Design Environment (включая Microwave Office и планарный ЭМ-симулятор AXIEM) и библиотеки компонентов Modelithics RF. Мы установили, что можно достаточно просто получить корректные, точные, пригодные для производства и применения конструкции. Основная часть процесса проектирования по большей части автоматизирована, что позволяет значительно сэкономить время на разработку и быстрее вывести готовое изделие на рынок.