NI AWR Software in Aktion: Entwicklung hohlraumbasierter ... · PDF filefür das gesamte Filter-Design einschließlich der Erstellung von Fabrikations-Files zu ... cavity-based helical

Virtuelle Instrumente in der Praxis VIP 2016

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NI AWR Software in Aktion: Entwicklung hohlraumbasierter Helical-Resonator-Bandpassfilter

mit parametrierter Projektvorlage (Teil 1)

Phil JobsonPhil Jobson Consulting

Frank SichlaBeam-Verlag, Marburg

KurzfassungDieser dreiteilige Beitrag behandelt den Designprozess für eine kostengünstige Familie vonhohlraumbasierten (cavity-based) UHF-Helical-Resonator-Bandpassfiltern zum Einsatz ineiner umschaltbaren Testanordnung für CATV-Komponenten.

AbstractThis application note describes the design process for a low-cost family of ultra high-fre-quency (UHF) cavity-based helical resonator bandpass filters for a cable television (CATV)component test switched filter bank. Cavity-based filter performance is determined entirelyby geometry. Even though the filter structures are tuned, it can be challenging to size allthe component geometries such that the tuning elements are effective to meet the desiredsynthesized response, hence a tool such as NI AWR Design Environment – inclusive ofAnalyst 3D EM simulator – greatly assists.

EinleitungEin solches Cavity-Filter arbeitet mit einem oder mehreren Hohlraumresonatoren als fre-quenzbestimmendes Element. Dabei handelt es sich um einen Resonator, der in einen elekt-risch leitenden Hohlkörper, wie z. B. einen Zylinder, eintaucht.Durch eine Änderung der Geometrie von Hohlkörper oder Resonator kann dieses Gebildeabgestimmt werden und erlaubt einen sehr selektiven Durchgang. Es lassen sich sehr hoheGüten erreichen, die wiederum direkt Einfluss auf die Selektivität haben.Die Leistungsfähigkeit solcher Filter wird also lediglich durch die Geometrie bestimmt. Daherkann man durch Abstimmen der Filterstruktur bzw. Bestimmen der Größe aller Komponentendie Einstellelemente so gestalten, dass auf effektive Weise das geplante Betriebsverhalten desFilters erreicht wird. Bei dieser Aufgabe sind Software-Werkzeuge wie NI AWR DesignEnvironment – inklusive des Simulators Analyst 3D EM – großartige Assistenten.

PCB-Material als BasisDie Entwicklung und Simulation einer Geometrie für hohlraumbasierte Filter mit 3D EMeinschließlich der Abstimmelemente ist im Allgemeinen sehr zeitintensiv. Doch integriertman ein solches Projekt in die Software, kann eine neue Auslegung sehr schnell durchÄndern einer kleinen Anzahl von Schlüsselparametern untersucht werden.


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Mithilfe parameterisierter 3D-EM-Bausteine für Hohlleiter und Resonatoren im Filter wer-den die Synthese und das Design einzelner Stufen vereinfacht. Das gesamte Design ist dannhochgradig reproduzierbar. Ein Schlüsselelement für die preisgünstige und schnelle Filter-Implementation war die einzigartige Konstruktion der Filter auf Basis von doppeltkaschiertem Platinenmaterial. Die Hohlräume und ihre Abschlüsse und Weiterführungenwerden 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”-Prozessfür das gesamte Filter-Design einschließlich der Erstellung von Fabrikations-Files zuermöglichen. Eine hierarchische Vorgehensweise bei der Modellierung wurde genutzt, wel-che die Optimierung des Objekts als Modell in Microwave Office und die Verifizierungdurch Nutzung der Analyst-EM-Simulation erlaubt.

Stark verkürzte EntwicklungszeitSobald einmal die Projektvorlage oder Schablone kreiert ist, kann der gesamte Prozess derEntwicklung einer Variante mit einer neuen Filterfrequenz in weniger als einem Tag durch-geführt werden. Dies ist der in sich geschlossenen integrierten Projektumgebung zu ver-danken. Ein erster Erfolg wurde mit drei verschiedenen Frequenzauslegungen erreicht undwar verbunden mit einer beträchtlichen Zeitersparnis bei der Kreation der 3D-EM-Strukturder Filterfamilie infolge der Grundstruktur aus kaskadierbaren Bausteinen der Analyst PCells.Die PCell-Bausteine Ein hierarchisches Herangehen beim Entwicklungsprozess des Filterswurde mithilfe von parameterisierten 3D PCells innerhalb des Analyst umgesetzt. Ein Kern-satz allgemeiner Parameter spezifiziert dabei alle physikalsichen Filterdimensionen. Bild 1zeigt die ersten beiden Sektionen des kompletten Filtermodells im 2D Layout Editor inForm einer Kaskade parameterisierter 3D PCells.

Bild 1: Die 3D PCells wurden hier zunächst in einem 2D Layout kaskadiert.

Phil Jobson, Frank Sichla

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Das Aufmacherbild bringt die dazugehörige 3D-Darstellung des kompletten Filtermodells.Koaxiale SMA-Anschlüsse bilden die Wellen-Ports 1 und 2. Die Ports 3 bis 7 werden ge-nutzt, um die Port-Abstimmungstechnik zu implementieren.

Das gesamte Filter wurde mit lediglich drei parameterisierten Kernbausteinen realisiert:

• Helical Resonator (Spule),• Schlitz-Apertur-Kopplung,• SMA-Bulkhead-Abschluss mit justierbarem Resonator-Abgriffsdraht.

Bild 2 zeigt diese Baugruppen genauer.

Bild 2: Die drei Kernelemente Helical Resonator (a), Schlitz-Apertur-Kopplung (b) und SMA-Bulkhead-Abschluss (c)

Die 3D PCells wurden unter Nutzung des Analyst 3D Editors gezeichnet und dann die fürdie Konstruktion relevanten Parameter nach Microwave Office exportiert (Bild 3).

Bild 3: Aufstellung der Parameter, welche zurück in die Microwave-Office-2D-Umgebung exportiert wurden

Verlauf des DesignsSowohl die Entwicklung als auch die Fertigung eines solchen Filters enthält eine Anzahlvon Herausforderungen, die ganz typisch für diese Art von Filtern sind. Zunächst erfolgtedas Design mit als ideal angenommenen Elementen gemäß der traditionellen Filtertheorie.Optimierungen wurden dann ausgeführt, um zur vorgegebenen Filterkurve zu kommen.


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Die erste Herausforderung bestand darin, das angestrebte ideale Filterverhalten soweit wiemöglich mit einem aktuellen physikalisch realen kaskadierbaren Hohlleiter zu erreichen.Die EM Simulation mithilfe von Analyst wurde dabei hochgradig genutzt, da sie gerade fürein solches Projekt einige Vorteile bietet. Dazu zählt die Fähigkeit, 3D-Teile in Form vonPCells zu kreieren, die dann immer wieder im Verlauf des Entwicklungsprozesses genutztwerden können. Dadurch wird die Modellentwicklung schneller und leichter, da die Schrittevom individuellen Hohlraum-Design zu den letztendlichen fünf kaskadierten Sektionen mit-einander verbundene einheitliche Grundformen ausnutzen. Diese sind so gestaltet, dass dabeiParameter genutzt wurden, die es gestatten, die aktuelle Geometrie schnell zu ändern undanzupassen, ohne dabei die Gesamtstruktur in einem 3D Layout Editor ändern zu müssen.

Der Design-Prozess für gekoppelte Resonator-Bandpassfilter wird in der Literature [1] bis[3] gut dargestellt und kann wie folgt für die Implemtierung des Helical-Resonators darge-stellt werden:

1. Bestimmmung des Typs (z. B. Chebyshev oder Bessel) und Errechnung der Ordnung desFilters für die gewünschte Übertragungskurve, basierend auf vorgegebener Welligkeitund Stopband-Unterdrückung sowie Impedanz,

2. Errechnung des Koppelfaktors zwischen Filtereingang, Resonatoren und Ausgang. Um-wandlung der Koppelfaktoren in Koppelbandbreiten, welche man leicht durch eine Si-mulation oder physikalisch auf dem Labortisch überprüfen kann,

3. Design eines Helical-Resonators und der Implementation in den Hohlleiter, wobei die aufder Filter-Center-Frequenz beruhenden Dimensionen den besten Kompromiss zwischenLeerlaufgüte, Betriebsverlusten und Größe des Hohlleiters ergeben sollen,

4. Auswahl einer Eingangs- und Ausgangsresonator-Anschlusskopplung; zur Wahl stehenE-Feldkopplung mit direkter Resonatoranzapfung und H-Feld-Kopplung mit Koppel-schleife,

5. Auswahl einer internen Resonator-Koppelmethode, wie etwa Schlitzkopplung auf Basisder Apertur, und Kreation eines Lageplans betreffs der Schlitze mit ihren gewählten Grö-ßen unter Berücksichtigung der resultierenden Koppelbandbreiten, sodass die nominelleSchlitzgröße zwischen jedem Einzelhohlleiter auf Basis der Koppelfaktoren gemäßSchritt 3 ermittelt werden kann,

6. Bau des Filters mit seinen Abstimmelementen auf allen Resonatoren und Koppelelemen-ten,

7. Abstimmung des Filters und Bewertung des Designs.

Bild 4: Design-Ablauf, dargestellt anhand von Ordnern

Eine Microwave-Office-Projektschablone mit Anwenderordnern (User Folders) wurde fürdiesen Design-Ablauf unter Heranziehung hierarchischer Techniken und Parametrierungen


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entwickelt (Bild 4). Danach wurde mit dieser Schablone je ein separates Projekt für die Fre-quenzen 215 MHz, 380 MHz und 540 MHz entwickelt.

Der ideale Filter-PrototypAuch ein ideales Filter-Prototypmodell wurde geschaffen, und zwar mit invertiert gekop-pelten Resonatorelementen in einem linearen Schema. Dies hatte den Sinn, dass man nunüberprüfen konnte, ob die sich ergebenden Koppelfaktoren korrekt waren. Das ideale Filter-modell wurde auch dazu genutzt, um die Gruppenlaufzeit zu bestimmen, die für dieAbstimmschritte innerhalb der Filterkaskade von Bedeutung ist.

Gleichungen für die Funktionen von Teilbandbreiten, für die Impedanz und für eine Skalie-rung der Frequenz zwecks Bestimmung der Koppelfaktoren wurden direkt diesem Schemahinzugefügt (s. Originalquelle). Die Koeffizienten g0 bis gN wurden aufgrund der Welligkeitim Durchlassbereich für die jeweils vorgegebene Ordnung des Chebychev-Filterverhaltenskalkuliert. Das Verlustelement des Resonators wurde dabei von der Resonatorimpedanz undder Leerlaufgüte der Sektion 2 sowie vom Kurvenfaktor des Resonators bestimmt.

Der ResonatorEin Tabellenblatt (Spreadsheet) wurde entworfen mit den Helical-Resonator-Gleichungennach [1], um Dimensionen für den Start des Design-Prozesses zu erhalten: Helix-Durch-messer, Drahtdurchmesser, Pitch, Windungsanzahl und resultierende Cavity-Dimensionen;dann wurde bezüglich Gesamtvolumen, Resonator-Impedance und Leerlaufgüte optimiertbzw. abgewogen.

Bild 5: Ein einzelner Resonator im 3D-Modell

Die Dimensionen wurden dann mit dem Analyst unter Nutzung des lose angekoppelten 3D-Modells gemäß Bild 5 fein abgestimmt. Die beiden Plots in Bild 6 illustrieren die für380 MHz erhaltene Implementation mit der Abstimmschraube auf Minimum und Maximumder Einsatztiefe und resultierende 20 MHz als Abstimmbereich.


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Bild 6: Resonanzkurven für extreme Stellungen der Abstimmschraube

ZusammenfassungDieser Beitrag behandelte den Design- und Herstellungsprozess für eine Familie von hohl-raumbasierten (cavity-based) Helical-Resonator-Bandpassfiltern, die gleich beim erstenVersuch erfolgreich erstellt werden konnten. Hierbei wurde von einer 3D-EM-Simulationfür das Design der Spulen, Hohlräume und Aperturen ebenso starker Gebrauch gemacht wievon einer parametrisierten Projektvorlage für die Erfassung aller Schritte des Designprozes-ses. Die Plattform NI AWR Design Environment ermöglichte dem Entwickler den nahtlosenÜbergang zwischen der Software für den Schaltungsdesign Microwave Office und demSimulator Analyst 3D EM.

Dieser Artikel ist erstmals im Magazin hf-Praxis in der Ausgabe 4/2016 erschienen.


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NI AWR Software in Aktion: Entwicklung hohlraumbasierter Helical-Resonator-Bandpassfilter mit

parametrierter Projektvorlage (Teil 2)



KurzfassungDieser dreiteilige Beitrag behandelt den Designprozess für eine kostengünstige Familie vonhohlraumbasierten (cavity-based) UHF-Helical-Resonator-Bandpassfiltern zum Einsatz ineiner umschaltbaren Testanordnung für CATV-Komponenten.


EinleitungNach der Ausbreitung von Grundlagen und der Vorstellung der drei Kernkomponenten imEinzelnen beschäftigt sich Teil 2 mit dem Koppelelement und der Gesamtstruktur ein-schließlich deren Optimierung und messtechnischer Erfassung.

Die KoppelkomponenteDas Aufmacherbild zeigt ein Analyst-3D-Modell mit zwei Hohlräumen und einem Koppel-schlitz. Eine Abstimmschraube wurde eingefügt, um die interne Resonator-Koppelband-breite unter verschiedenen Bedingungen zu ermitteln.

Die Breite des Koppelschlitzes wurde innerhalb eines praktisch sinnvollen Bereichs variiert.Die erhaltenen Resultate (Koppel-Bandbreiten) sieht man in Bild 1. Der Zusammenhangzwischen Breite des Koppelschlitzes und Koppel-Bandbreite ist recht linear. Dies wurde aus-genutzt, um die Breite der Koppelschlitze im gesamten Filter für eine vorgegebene Band-breite zu bestimmen.


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Bild 1: Koppel-Bandbreiten

Gesamtsimulation und -abstimmungDas bisherige Anliegen dieses Applikationsberichts bestand darin, deutlich zu machen, dassdas gesamte Filtermodell mithilfe der Software am besten in Richtung perfektes Cheby-chev-Verhalten innerhalb des Spielraums der einzelnen Elemente getrimmt werden konnte;nur geringe Korrekturen waren erforderlich. Um dies ohne eine große Anzahl von zeitin-tensiven 3D-EM-Simulationen zu zu erreichen, wurde die Port-Tuning-Technik von Swan-son [4] eingesetzt. Die Port-Tuning-Methode platziert konzentrierte (lumped) Ports an denEnden der Resonatoren im ganzen Filtersimulationsmodell, wie in Bild 2 dargestellt.

Bild 2: Die Abstimmelemente für das über die Ports abgestimmte Modell


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Eine einzige Simulation mit dem Analyst lieferte die Multiport-S-Parameter des nominellenModells. Ein schnelles Feedback wurde dabei im the linearen Simulator durch Nutzung ide-aler Masseverbindungen für die geerdeten Kapazitäten über den Resonator-Ports erreicht,welche die Resonator-Abstimmschrauben simulierten. Parallel dazu wurden ideale Übertra-gungselemente zwischen den Resonator-Ports angenommen. Deren Wellenwiderstand waraber variabel, um die Abstimmfunktion der Schraube im Koppelschlitz zu simulieren.

Das ganze Filter wurde dann im linearen Simulator so abgestimmt, wie man es auch aufdem Labortisch machen würde, und der Grad der Abweichung der Abstimmelemente vonder Nominalposition wurde als Basis dafür genutzt, um das Filter schließlich zu implemen-tieren. Falls eine Abweichung nicht akzeptabel erschien, wurde der Analyst erneut einge-setzt, um die gesamte Filterstruktur erneut unter leicht geänderten Voraussetzungen zusimulieren. Es gab jedoch nur zwei bis drei dieser Irritationen. Damit war die Zeitverbesse-rung gegenüber dem konventionellen Herangeben des Variierens der Abstimmelemente inmehrfachen vollständigen 3D-Simulationenimmer noch beträchtlich.

Bild 3: Eine sich überlagernde Kurvenschar, welche den Verlauf der Gruppenlaufzeiten für jeden Resonator darstellt

Ness hat in [5] eine Single-Pass-Abstimmtechnik für gekoppelte Resonatorfilter auf Basisder determinierten Gruppenlaufzeit im Zusammenhang mit dem Reflexionsfaktor an Ein-und Ausgang jedes Resonators vorgeschlagen. Diese Technik wurde unterstützend in die-sem Projekt genutzt, um sowohl das Filter im Simulator als auch das reale Filter auf derWerkbank abzustimmen. Bild 3 zeigt die Zusammenhänge zwischen Signalfrequenzen undGruppenlaufzeiten für jeden Resonator als Differenz zur Gruppenlaufzeit des idealen Filters.Das Verhalten der idealen Filter-Prototyp-Sektion diente also als Vorlage für jeden Resona-tor und seine Kopplung.


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Bild 4 bringt die Verläufe der Parameter S21 und S11 bei im linearen Simulator abgestimm-ten Filter unter Nutzung der Ness-GD-Methode. Das Resultat ist die erwartete Chebychev-Übertragungskurve bei akzeptablen Tuning-Element-Abweichungen vom Nominalzustand.Bild 5 zeigt einen Satz von Port-Abstimmelement-Werten für das 380-MHz-Filter.

Bild 4: Die Ergebnisse mit dem port-tuned Simulationsmodell

Bild 5: Ein Satz von Werten für Port-Abstimmelemente, betreffend das 380-MHz-Filter

Den Hohlraum und anschließende parameterisierte Elemente betrifft Bild 6. Es illustriert dieNutzung des Shape Modifiers (Modifizierung von Abmessungen) bei einer hierarchischenParameterisierung, um eine der planaren Sektionen, welche die Abmessungen der Hohl-räume mitbestimmt, zu implementieren.


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Bild 6: Größenmodifizierung mit hierarchischer Parametrisierung

Diese Elemente werden im Modell automatisch entsprechend des Satzes der allgemeinenParameter im Projekt-File bemessen.




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parametrierter Projektvorlage (Teil 3)



Kurzfassung Dieser dreiteilige Beitrag behandelt den Designprozess für eine kostengünstige Familie vonhohlraumbasierten (cavity-based) UHF-Helical-Resonator-Bandpassfiltern zum Einsatz ineiner umschaltbaren Testanordnung für CATV-Komponenten.


EinleitungEs stellt sich heraus, dass ein solches Cavity-Filter nicht nur sehr hohe Güten erreicht, diedirekt Einfluss auf die Selektivität haben, sondern auch günstig hergestellt werden kann.Das Software-Werkzeug NI AWR Design Environment inklusive des Simulators Analyst 3DEM hat sich sich als hervoragender Assistent erwiesen.


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Bild 1: Hierarchie für die PCB-Aufteilung (Panelization)

Die Hohlräume des Filters und ihre Einschlüsse wurden mit einer PCB-Milling-Maschinedes Herstellers LPKF unter Nutzung zweier separater Panels hergestellt. Die hierarchischparameterisierten Elemente dienten dazu, die Fabrikationsordner gemäß Bild 1 zu erstellen.

Bild 2: Das komplette Ergebnis des Designs der einzelnen PCB-Teile

In Bild 2 sieht man die Panelgestaltung aus Microwave Office. Das war die Basis, um dieVorschnitte für die Hohlräume, Wände und Schlitze und das Gehäuse auszuführen. Die


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resultierenden Hohlraumblocks wurden dann gefertigt, wovon Bild 3 einen Eindruck ver-mittelt. Die Montage erfolgte similar, um eine planare Oberfläche zu sichern. Die Spulen derResonatoren wurden auf einem mit einem 3D-Drucker hergestellten Plastikkörper aus soli-dem Draht gewickelt. Die Abschlussmontage bestand darin, die Spulen und die Abstimm-schrauben einzusetzen. Ein hölzerner Dübel sicherte die Enden der Spulen mechanisch.

Bild 3: Ansicht der fixierten und zum Filter zusammengefügten vorgeschnittenen Teile aus dem Material FR4

Bild 4: Ansicht der drei bereits elektrisch kombinierten Filter


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Im Aufmacherbild ist das zusammengebaute 380-MHz-Filter zu sehen. Bild 4 zeigt eszusammen mit dem 215- und dem 540-MHz-Bandpass, bereits als Teile einer schaltbarenFilterbank.

Die fertig montierten Filter müssen vor ihrem Einsatz abgestimmt werden. Dies erfolgte fürjedes komplette Filter mit der gleichen Methode wie im Simulationsmodell benutzt. Dabeiwurde das Verhalten der Gruppenlaufzeit von Microwave Office in den Vector-Netzwerka-nalysator (VNA) exportiert, wobei auch die Abstimmschablone zum Einsatz kam. AlleResonatoren wurden zunächst durch Kurzschließen mit ihrer zugehörigen Abstimm-schraube verstimmt. Der Abgleich erfolgte, indem nacheinander einzelne Resonatoren vomKurzschluss befreit und erfolgreich abgestimmt wurden.

Die Einstellung der Mittenfrequenzen und Kopplungen erfolgte durch Anpassung der Grup-penlaufzeit an die entsprechende Abstimmschablone.

Es ist bei einer solchen Entwicklung immer von großem Interesse, die simulierten und dietatsächlich gemessenen Ergebnisse zu vergleichen.

Bild 5: Die Messergebnisse für das 380-MHz-Filter decken sich praktisch perfekt mit den simulierten Daten, welche in den VNA importiert wurden

Typische reale Messergebnisse gehen aus Bild 5 hervor. Die Übereinstimmung von simu-lierten und gemessenen Resultaten kann als exzellent bezeichnet werden. Sowohl das ange-strebte Übertragungsverhalten als auch die Konstruktion wurden erfolgreich in die Praxisumgesetzt. Daran hat sicherlich die ausgiebige Nutzung der 3D-EM-Simulation von Spulen,Hohlräumen und Aperturen einen großen Anteil wie auch eine parameterisierte Projekt-schablone, die alle Schritte des Design-Prozesses umfasste. Die NI AWR Design Environ-


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ment Platform erlaubt es dem Entwickler, nahtlos zwischen der Microwave-Office-Schal-tungs-Design-Software und dem Analyst 3D EM Simulator zu wechseln.



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