Simulación de filtros y componentes de microondas y radiofrecuencia
Simulación eficiente de estructuras altamente resonantes
Filtros y componentes de radiofrecuencia
La tecnología CST Studio Suite proporciona una gama de solvers electromagnéticos para la simulación de filtros y componentes de microondas y radiofrecuencia (RF).
Simulación de componentes de radiofrecuencia en el dominio de tiempo
El solver de dominio de tiempo es la solución perfecta para componentes de onda de desplazamiento de banda ancha como líneas de transmisión y transiciones, así como filtros de paso alto/paso bajo.
Diseño de filtros deradiofrecuencia
En estructuras de alta resonancia, como filtros de paso de banda y diplexores, el solver de dominio de frecuencia proporciona grandes ventajas en lo que respecta a la relación precisión-velocidad de la simulación. Además, cuenta con tecnologías únicas, como la malla móvil, que es importante para la corrección del ruido numérico generado por los cambios en la discretización. También ofrece un método de reducción del orden del modelo muy rápido, incluso en el cálculo de los resultados de banda ancha.
Los puertos de guía de ondas se pueden utilizar para fomentar cualquier tipo de línea de transmisión y forzar distribuciones modales específicas. También pueden servir como una herramienta útil en el análisis de los modos transversales de formas arbitrarias de conducción.
El modelado y análisis de dispositivos con componentes diferentes o complejos, como multiplexores, se pueden simplificar mediante el uso del modelado y ensamblaje del sistema (SAM). SAM permite ensamblajes rápidos, así como análisis y optimizaciones de piezas individuales dentro del conjunto del sistema, por ejemplo, la red de alimentación de una antena. Para ese fin, Fest3D ofrece una tecnología de solver dedicada y eficiente que simula la estructura de guía de ondas.
Diseño de componentes pasivos de radiofrecuencia
- Simulación de filtros
- Simulación de componentes de guía de ondas
- Simulación de componentes de alta potencia
Simulación de filtros
Las redes de comunicaciones, tanto en aplicaciones terrestres como espaciales, cada vez son más exigentes en el uso del espectro de frecuencias. Para satisfacer las necesidades de espectro más exigentes, se utilizan filtros. El diseño y el análisis de dichos dispositivos pueden suponer un reto, y la simulación puede desempeñar un papel fundamental en el proceso de desarrollo. CST Studio Suite ofrece una amplia gama de soluciones para diferentes implementaciones.
FD3D: herramienta de diseño de filtros
Filter Designer 3D es un filtro de paso de banda general y una herramienta de síntesis del diplexor. Utiliza la síntesis de la matriz de acoplamiento bien establecida y ofrece asistencia en el ajuste con una extracción sólida de parámetros de filtro a partir de parámetros S. Esta técnica también está incorporada en un optimizador específico para modelos de filtro para lograr una convergencia rápida sin tener que realizar tediosas rutinas de asignación de espacios o ajuste de puertos. Esto puede incluso utilizarse en el banco de trabajo, donde el hardware se puede ajustar con la ayuda de la extracción de la matriz de acoplamiento en tiempo real realizada en las mediciones.
Para pasar de la síntesis y las especificaciones del filtro a un modelo 3D completamente parametrizado, se ofrece una amplia variedad de opciones. Con Filter Designer 3D se ofrece un enfoque general que hace uso de la biblioteca de componentes. El usuario puede seleccionar entre los diferentes componentes disponibles o personalizarlo completamente de acuerdo con sus requisitos tecnológicos. Los componentes se ensamblan automáticamente de acuerdo con la topología sintetizada para producir un modelo completamente parametrizado que incluya la configuración de optimización. Fest3D ofrece asistentes de diseño para filtros específicos de paso bajo, banda ancha o modo dual basados en guías de onda.
Simulación de filtros de guía de ondas y componentes
Fest3D proporciona un rápido análisis de los diferentes componentes de la tecnología de guía de ondas, algo esencial cuando se trata de rutinas de optimización o flujos de trabajo complejos que necesitan división. También proporciona una síntesis de modelos de cavidades circulares de modo doble mediante filtros de guía de ondas corrugados. Estos proyectos también se pueden conectar en el entorno esquemático de CST Studio Suite para generar simulaciones junto con otras tecnologías de solver, por ejemplo, una guía de ondas que genera una red en cascada con una antena acústica.
Simulación de circulador
Los componentes del circulador generalmente requieren simulaciones acopladas donde se involucran materiales de ferrita. Se requiere un campo estático para polarizar la ferrita que establecería la no reciprocidad, que, nuevamente, es necesaria para el funcionamiento del circulador. Esto se logra sin problemas en el mismo entorno, utilizando un solo modelo en un flujo de trabajo acoplado.
Simulación de componentes de alta potencia
Los componentes de microondas de alta potencia normalmente requieren el análisis de fenómenos físicos para comprender sus capacidades de gestión de energía. Siempre hay algunas pérdidas de conducción en el dispositivo que conducen al calentamiento térmico. El cambio de temperatura puede provocar deformaciones y, en última instancia, comprometer el rendimiento electromagnético. En un flujo de trabajo acoplado podemos analizar estos tres dominios físicos utilizando un único modelo para el dispositivo.
Análisis de ruptura de RF
La ruptura de RF es otro fenómeno que podría destruir un dispositivo. Los campos de alta intensidad oscilantes pueden ionizar el gas de un dispositivo y provocar una descarga en corona. Por otro lado, en ausencia de gases y con presencia de electrones libres, se puede producir el efecto multipactor. Spark3D proporciona tecnologías avanzadas para calcular estos fenómenos físicos y ha demostrado una gran precisión en comparación con datos de medición bien controlados.
Es importante tener todo esto en cuenta al comienzo del proceso de desarrollo para evitar fallos imprevistos de componentes sofisticados o críticos.
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Preguntas frecuentes sobre el diseño de filtros de radiofrecuencia
Para diseñar un filtro de radiofrecuencia, suelen ser relevantes los siguientes pasos:
1. Determinar las especificaciones de frecuencia:
determine cómo debe filtrarse la gama de frecuencias, especificando las bandas de frecuencia por las que debe pasar la señal y las que deben rechazarse, ilustradas normalmente por los parámetros S. Esto ayudará a seleccionar el tipo de filtro adecuado.
2. Elegir el tipo de filtro:
existen distintos tipos de filtros, como los de paso bajo, paso alto, paso de banda y parada de banda. Cada tipo tiene sus propias características y es adecuado, como sugieren los nombres correspondientes, para una respuesta específica al permitir señales de radiofrecuencia. Por ejemplo, una respuesta de filtrado "paso banda" se utiliza normalmente para permitir el paso de señales en una banda de frecuencias específica, mientras que rechaza todo lo que está fuera de esa banda.
3. Seleccionar la topología del filtro:
una topología es normalmente algún tipo de diseño de circuito que realizaría la respuesta de filtrado deseada. Puede adoptar la forma de un circuito de inductor y condensador en escalera (LC) o, en el caso del paso de banda, suele adoptar la forma de resonadores acoplados.
4. Calcular los valores de los componentes:
la topología del filtro puede sintetizarse utilizando diversos métodos matemáticos o software de diseño de filtros. Con ello se calculan los valores necesarios para los componentes como resistencias, condensadores e inductores.
5. Realizar el diseño de circuitos de radiofrecuencia:
una vez diseñado este circuito ideal, hay que realizarlo en algún medio fabricable. Un enfoque consiste en utilizar componentes discretos de inductor y condensador (LC) e implementar la topología tal cual. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia de interés, este enfoque resulta menos apropiado. Los efectos parásitos de los componentes y las interconexiones serán muy grandes y, en algún momento, ya no se podrán conseguir las características de filtrado. Por lo tanto, otro enfoque consiste en implementar el circuito de forma distribuida, utilizando microbandas, guías de ondas u otras tecnologías de alta frecuencia.
6. Simular y optimizar el diseño:
antes de finalizar el modelo diseñado, será necesario realizar una simulación para verificar el rendimiento del filtro. También es muy común aplicar el ajuste u optimización en el entorno EDA, para lograr las especificaciones de frecuencia requeridas. Otros aspectos que pueden ser de interés durante la fase de simulación son los efectos térmicos o de ruptura de RF, especialmente con dispositivos de alta potencia.
7. Construir un prototipo del filtro:
una vez conseguidos los resultados esperados de la simulación, construya un prototipo físico y pruébelo en diversas condiciones para validar su rendimiento.
8. Ajuste fino del filtro:
si hay discrepancias entre los resultados de la simulación y las mediciones reales, ajuste los valores de los componentes en consecuencia hasta alcanzar las especificaciones deseadas. Para ello, una opción puede ser utilizar el ajuste asistido por ordenador que ofrecen las herramientas de software avanzadas.
Los filtros de radiofrecuencia (RF) son dispositivos electrónicos diseñados para permitir o bloquear señales en función de sus componentes de frecuencia. Se utilizan habitualmente en una amplia gama de aplicaciones inalámbricas (y por cable), donde quizá sean más conocidos los sistemas de comunicación comerciales, como la radio, la televisión, la telefonía móvil y las redes GPS. Estos son algunos de los conceptos básicos de los filtros de radiofrecuencia:
1. Tecnología de filtrado:
existen diferentes tipos de filtros de radiofrecuencia, cada uno de los cuales utiliza diferentes medios tecnológicos que dependen de la gama de frecuencias, el tamaño físico, el coste de fabricación y la capacidad de potencia. Entre ellos figuran diversos tipos de guías de ondas, cerámicas, placas de circuitos impresos, circuitos integrados e incluso cristales piezoeléctricos.
2. Diseño del filtro:
el diseño de un filtro de radiofrecuencia depende de su aplicación y de la gama de frecuencias específica que debe filtrarse. Algunos tipos habituales son los filtros paso bajo, paso alto, paso de banda y parada de banda. Pueden sintetizarse utilizando diversas técnicas que implican teoría de circuitos (por ejemplo, circuitos en escalera) y matemáticas aplicadas (por ejemplo, matrices de acoplamiento).
3. Respuesta en frecuencia:
la respuesta en frecuencia de un filtro de radiofrecuencia se refiere a cómo se comporta con respecto a los diferentes componentes de frecuencia de una señal que se está aplicando. El filtro de paso de banda ideal debe tener una respuesta de frecuencia plana sin ondulación en la banda permitida con una distorsión de fase mínima, al tiempo que atenúa todas las demás frecuencias.
4. Adaptación de impedancias:
para un rendimiento óptimo, los filtros de radiofrecuencia deben ajustarse a la impedancia de los circuitos fuente y de carga a los que están conectados, garantizando una entrega de potencia óptima con una reducción de las reflexiones de señal.
5. Pérdida de inserción:
todos los filtros introducen pérdidas en la señal filtrada. Esto se conoce como pérdida de inserción y se mide en decibelios (dB). Una menor pérdida de inserción significa una mayor eficiencia para el presupuesto de enlace del sistema.
6. Ancho de banda:
El ancho de banda se refiere a una gama continua del espectro de frecuencias que suele ilustrarse mediante parámetros S.
7. Selectividad:
la selectividad es una medida de la capacidad de un filtro de radiofrecuencia para discriminar entre señales deseadas y no deseadas dentro de una gama de frecuencias específica. Cuanto más pronunciada sea la pendiente de atenuación, mayor será su selectividad. El orden del filtro suele influir en la selectividad.
8. Aplicaciones:
los filtros de radiofrecuencia tienen diversas aplicaciones en los sistemas de comunicación, como la separación de señales, el rechazo de interferencias, la supresión de armónicos, la selección de canales y la pureza espectral.
1. Filtro de paso de banda:
este tipo de filtro sólo permite el paso de una banda de frecuencias específica, mientras que atenúa el resto de frecuencias. Se utiliza habitualmente en radios y sistemas de comunicación.
2. Filtros de paso bajo:
un filtro de paso bajo permite el paso de frecuencias por debajo de un determinado punto de corte, al tiempo que atenúa las frecuencias más altas. Se suele utilizar para eliminar los armónicos de orden superior.
3. Filtro de paso alto:
un filtro de paso alto permite el paso de las frecuencias superiores a un determinado punto de corte, al tiempo que atenúa las frecuencias más bajas. Se suele utilizar para eliminar el ruido de baja frecuencia de las señales.
4. Filtro de rechazo de banda:
un filtro de rechazo de banda atenúa una frecuencia específica o una banda extremadamente estrecha de frecuencias, dejando pasar todas las demás. Se utiliza habitualmente en la mitigación de interferencias de radiofrecuencia (RFI).
5. Filtro de parada de panda:
este tipo de filtro atenúa solo una banda de frecuencias específica y deja pasar el resto de frecuencias. Se suele utilizar en aplicaciones en las que hay que eliminar señales no deseadas.
6. Filtros sintonizables:
estos filtros permiten al usuario ajustar las frecuencias de corte de la respuesta de filtrado en función de sus necesidades, lo que los hace adecuados para diversas aplicaciones, como el procesamiento de señales y las pruebas.
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