Simulation de filtres et composants à micro-ondes/RF
Simulation efficace de structures hautement résonnantes
Filtres et composants RF
La technologie CST Studio Suite fournit une gamme de solveurs électromagnétiques pour la simulation de composants et filtres à micro-ondes et de radiofréquence (RF).
Simulation de composant RF dans le domaine temporel
Le solveur de domaine temporel est la solution idéale pour les composants à ondes progressives large bande comme les lignes de transmission et les transitions, ainsi que les filtres passe-haut/passe-bas.
Conception du filtre de radiofréquence
Pour les structures hautement résonnantes comme les filtres passe-bande et les diplexeurs, le solveur de domaine fréquentiel offre un excellent compromis entre précision de simulation et vitesse. Il intègre en outre des technologies uniques telles que le maillage en mouvement, qui joue un rôle important dans l'atténuation du bruit numérique généré par les modifications de la discrétisation. Il propose également une méthode de réduction de l'ordre des modèles qui s'avère très rapide, même pour le calcul de résultats large bande.
Les ports de guide d'ondes peuvent servir à l'excitation de tout type de ligne de transmission, ainsi qu'à l'imposition de distributions modales spécifiques. Ils sont également utiles dans l'analyse des modes transversaux des formes conductrices arbitraires.
La technologie d'assemblage et de modélisation des systèmes (System Assembly and Modeling, SAM) permet de modéliser et d'analyser plus facilement des appareils comportant différents composants ou des éléments de base complexes, tels que les multiplexeurs. Elle permet ainsi de réaliser plus rapidement des assemblages, mais aussi d'analyser/optimiser les différentes pièces d'un grand système, par exemple le réseau d'alimentation d'une antenne. À cet effet, Fest3D propose des technologies de solveur dédiées efficaces pour la simulation de structures de guides d'ondes.
Conception de composants RF passifs
- Simulation de filtre
- Simulation de composants à guide d'ondes
- Simulation de composants haute puissance
Simulation de filtre
Que ce soit pour des applications terrestres ou spatiales, l'utilisation du spectre de fréquences par les réseaux de communications est soumise à des exigences de plus en plus strictes. Ces besoins rigoureux en matière de spectre sont gérés au moyen de filtres. La conception et l'analyse des appareils concernés pouvant s'avérer difficiles, la simulation joue souvent un rôle crucial dans le processus de développement. CST Studio Suite propose une gamme de solutions adaptées à différentes utilisations.
FD3D - Un outil de conception de filtres
Filter Designer 3D est un outil polyvalent de synthèse de filtre passe-bande et de diplexeur. Il utilise une méthode éprouvée de synthèse par matrice de couplage et propose une assistance au réglage avec des fonctionnalités performantes d'extraction des paramètres de filtre à partir des paramètres S. Cette technique est également intégrée dans un outil d'optimisation dédié aux modèles de filtre, qui permet d'obtenir rapidement une convergence sans nécessiter de fastidieuses routines de cartographie de l'espace ou de réglage des ports. Elle s'utilise même en atelier pour régler le matériel à l'aide de l'extraction de la matrice de couplage en temps réel à partir des mesures.
Toute une gamme d'options est disponible pour passer des spécifications et de la synthèse du filtre à un modèle 3D entièrement paramétré. Filter Designer 3D propose une approche générale faisant appel à la bibliothèque de composants. L'utilisateur peut choisir différents éléments de base disponibles ou les personnaliser entièrement en fonction de ses exigences technologiques. Les éléments s'assemblent automatiquement conformément à la topologie synthétisée, produisant ainsi un modèle entièrement paramétré comprenant la configuration de l'optimisation. Pour les filtres passe-bas, large bande ou bimodes à guide d'ondes spécifiques, Fest3D propose des assistants de conception.
Simulation de composants et filtres à guide d'ondes
Fest3D permet d'analyser rapidement différents composants de la technologie de guide d'ondes, une étape essentielle pour les routines d'optimisation ou les flux de travail complexes de type "diviser pour régner". Ce logiciel propose également des fonctionnalités de synthèse des modèles de cavités circulaires bimodes et de filtres à guide d'ondes cannelé. Il est également possible de connecter ces projets dans l'environnement schématique de CST Studio Suite afin d'effectuer des co-simulations avec d'autres technologies de solveurs, par exemple un réseau d'alimentation de guides d'ondes relié en cascade à une antenne cornet.
Simulation de circulateur
Les composants de circulateur nécessitent généralement eux aussi des simulations associées lorsqu'ils utilisent des matériaux à base de ferrite. Un champ statique est requis pour polariser la ferrite censée établir la non-réciprocité, laquelle est nécessaire au fonctionnement du circulateur à haute fréquence. Il est possible de réaliser une telle simulation dans le même environnement à l'aide d'un seul modèle dans un flux de travail associé.
Simulation de composants haute puissance
Pour comprendre les capacités de gestion de la puissance des composants micro-ondes haute puissance, il est généralement nécessaire d'analyser des phénomènes multiphysiques. L'appareil subit toujours des pertes de conduction qui provoquent un échauffement thermique. Ce changement de température peut entraîner une déformation de la structure, ce qui risque au final de compromettre les performances électromagnétiques. Dans un flux de travail couplé, nous pouvons analyser ces trois domaines physiques à l'aide d'un seul modèle pour l'appareil.
Analyse de claquage RF
Le claquage RF est un autre phénomène susceptible de détruire un appareil. Les champs oscillants de haute intensité peuvent ioniser le gaz présent à l'intérieur de celui-ci et provoquer une décharge de corona ou, en l'absence de gaz et en présence d'électrons libres, un effet multipactor. Spark3D propose des technologies avancées qui permettent de calculer ces phénomènes physiques et qui s'avèrent très précises en comparaison avec des données de mesure fiables.
Il est important de tenir compte de tous ces phénomènes dès le début du processus de développement pour éviter toute défaillance imprévue de composants sophistiqués ou essentiels.
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FAQ À propos de la conception de filtre RF
Pour concevoir un filtre RF, les étapes suivantes sont généralement pertinentes :
1. Déterminer les spécifications de fréquence :
Déterminez la manière dont la plage de fréquences doit être filtrée en spécifiant les bandes de fréquence dans lesquelles le signal doit être autorisé à passer et celles qui doivent être rejetées, généralement illustrées par les paramètres S. Cela vous aidera à sélectionner le type de filtre approprié.
2. Choisissez le type de filtre :
Il existe différents types de filtres, tels que passe-bas, passe-haut, passe-bande et bande d'arrêt. Chaque type a ses propres caractéristiques et est adapté, comme le suggèrent les noms correspondants, à une réponse spécifique permettant les signaux RF. Par exemple, une réponse de filtrage "passe-bande" est généralement utilisée pour permettre aux signaux de passer dans une bande de fréquence spécifique, tout en rejetant tout ce qui se trouve en dehors de cette bande.
3. Sélectionner la topologie du filtre :
Une topologie est généralement un type de configuration de circuit qui permet d'obtenir la réponse de filtrage souhaitée. Cela peut prendre la forme d'un circuit d'inducteur et de condensateur en échelle (LC), ou dans le cas d'un passe-bande, elle se présente généralement sous la forme de résonateurs couplés.
4. Calculer les valeurs des composants :
La topologie de filtre peut être synthétisée à l'aide de diverses méthodes mathématiques ou d'un logiciel de conception de filtres. Les valeurs requises pour les composants tels que les résistances, les condensateurs et les inducteurs sont alors calculées.
5. Réaliser la conception d'un circuit RF :
Une fois que ce circuit idéal est conçu, il doit être réalisé dans un milieu fabricable. Une approche consiste à utiliser des composants discrets d'inducteur et de condensateur (LC) et à mettre en œuvre la topologie telle quelle. Cependant, à mesure que la fréquence des intérêts augmente, cette approche devient moins appropriée. Les effets parasites des composants et des interconnexions deviennent très importants et, à un moment donné, les caractéristiques de filtrage ne peuvent plus être atteintes. Par conséquent, une autre approche consiste à mettre en œuvre le circuit sous une forme distribuée, à l'aide de microbandes, de guides d'ondes ou d'autres technologies haute fréquence.
6. Simuler et optimiser la conception :
Avant de finaliser le modèle conçu, une simulation sera nécessaire pour vérifier les performances du filtre. Il est également très courant d'appliquer le réglage ou l'optimisation dans l'environnement EDA pour atteindre les spécifications de fréquence requises. Pendant la phase de simulation, les effets thermiques ou de claquage RF constituent d'autres aspects pouvant être intéressants, en particulier avec les appareils à haute puissance.
7. Fabriquer un prototype de filtre :
Une fois satisfait des résultats de la simulation, créez un prototype physique et testez-le dans différentes conditions pour valider ses performances.
8. Ajustement du filtre :
En cas d'écarts entre les résultats de simulation et les mesures réelles, ajustez les valeurs des composants en conséquence jusqu'à ce que les spécifications souhaitées soient atteintes. Pour cela, une option peut être d'utiliser un réglage assisté par ordinateur fourni par des outils logiciels avancés.
Les filtres à radiofréquence (RF) font référence aux dispositifs électroniques conçus pour autoriser ou bloquer des signaux, en fonction de leurs composants de fréquence. Ils sont couramment utilisés dans une large gamme d'applications sans fil (et filaires), où les systèmes de communication commerciaux sont peut-être mieux connus, tels que les réseaux de radio, télévision, cellulaire et GPS. Voici quelques-uns des principes de base des filtres RF :
1. Technologie de filtrage :
Il existe différents types de filtres RF, chacun utilisant des supports technologiques différents qui dépendent de la plage de fréquences, de la taille physique, du coût de fabrication et de la gestion de l'alimentation. Il s'agit notamment de différents types de guides d'ondes, de céramiques, de cartes de circuit imprimé, de circuits intégrés et même de cristaux piézoélectriques.
2. Conception de filtre :
La conception d'un filtre RF dépend de son application et de la plage de fréquences spécifique qui doit être filtrée. Certains types courants incluent les filtres passe-bas, passe-haut, passe-bande et de bande d'arrêt. Ils peuvent être synthétisés à l'aide de diverses techniques impliquant la théorie des circuits (par exemple, les circuits en échelle) et des mathématiques appliquées (par exemple, les matrices de couplage).
3. Réponse de fréquence :
La réponse de fréquence d'un filtre RF fait référence à son comportement par rapport aux différents composants de fréquence d'un signal appliqué. Le filtre passe-bande idéal doit avoir une réponse de fréquence plate sans ondulation dans la bande autorisée avec une distorsion de phase minimale, tout en atténuant toutes les autres fréquences.
4. Correspondance d'impédance :
Pour des performances optimales, les filtres RF doivent être adaptés à l'impédance des circuits de charge et de source auxquels ils sont connectés, garantissant ainsi une alimentation optimale avec une réflexion de signal réduite.
5. Perte d'insertion :
Chaque filtre introduit une certaine perte dans le signal filtré. C'est ce que l'on appelle la perte d'insertion et elle se mesure en décibels (dB). Une perte d'insertion plus faible signifie une plus grande efficacité pour le budget de liaison du système.
6. Bande passante :
La bande passante fait référence à une plage continue du spectre de fréquence généralement illustrée par les paramètres S.
7. Sélectivité :
La sélectivité est une mesure qui détermine la capacité d'un filtre RF à faire la distinction entre les signaux souhaités et indésirables dans une plage de fréquences spécifique. Plus la décroissance des pentes d'atténuation est importante, plus leur sélectivité est élevée. L'ordre du filtre influence généralement la sélectivité.
8. Applications :
Les filtres RF ont diverses applications dans les systèmes de communication, notamment la séparation de signal, le rejet d'interférences, la suppression d'harmoniques, la sélection de canal et la pureté spectrale.
1. Filtre passe-bande :
Ce type de filtre permet uniquement à une bande de fréquence spécifique de passer tout en atténuant toutes les autres fréquences. Il est couramment utilisé dans les radios et les systèmes de communication.
2. Filtres passe-bas :
Un filtre passe-bas permet aux fréquences inférieures à un certain point de coupure de passer tout en atténuant les fréquences plus élevées. Il est couramment utilisé pour supprimer les harmoniques de niveau supérieur.
3. Filtre passe-haut :
Un filtre passe-haut permet aux fréquences supérieures à un certain point de coupure de passer tout en atténuant les fréquences inférieures. Il est couramment utilisé pour supprimer le bruit basse fréquence des signaux.
4. Filtre coupe-bande :
Un filtre coupe-bande atténue une fréquence spécifique ou une bande de fréquences extrêmement étroite tout en permettant à toutes les autres de passer. Il est couramment utilisé dans l'atténuation des interférences de radiofréquence (RFI).
5. Filtre de bande d'arrêt :
Ce type de filtre atténue uniquement une bande de fréquence spécifique alors qu'il transmet toutes les autres fréquences. Il est couramment utilisé dans les applications où les signaux indésirables doivent être supprimés.
6. Filtres accordables :
Ces filtres permettent à l'utilisateur d'ajuster les fréquences de coupure de la réponse de filtrage en fonction de ses besoins, ce qui les rend adaptés pour diverses applications telles que le traitement et le test de signaux.
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