100GHz導波管バンドパスフィルターの熱解析

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序章

誘導アイリスを備えたバンドパス フィルターの長方形導波路構造は、THz (テラヘルツ) 領域に最も適した一般的なソリューションです。それらは、発生する干渉信号を減らし、必要な周波数をフィルタリングするために、衛星および無線通信システムのマイクロ波リンクに不可欠なコンポーネントです。共振空洞間の金属アイリスは、フィルタの回路トポロジー構造における等価インダクタンスとして使用されます。

このような構造は、製造が容易でコンパクトなサイズであり、高い電力処理能力、低損失、および平面伝送線路構造を介した他のシステムとの容易な相互接続を備えています。

この研究では、構造の両端に対称的に配置された 2 つの伝送ゼロを備えた 100 GHz 方形導波管バンドパス フィルターが提示されます。 4 極フィルタは、幅が等しくない 2 つのデュアルモード共振器と、直列の誘導アイリス用に角が丸い 2 つの WR-10 標準導波管インターフェイスで構成されています。 BPF の熱挙動は、この場合の導体損失によって引き起こされる熱負荷による温度、温度勾配、および熱流束を計算することによって調査されます。

次の図は、検討対象の BPF とその外側の金属カバーの概略図、断面図、および 3D デザインを示しています。

表 1 - BPF の寸法

シミュレーションの設定

[94 GHz ～ 106 GHz] の動作周波数範囲の熱結合ケースに結合された HFWorks の S パラメータ ソルバーが使用されます。使用した材料の特性を表 2 にまとめます。

電磁境界条件

ウェーブ ポート: ウェーブ ポート境界は、WR-10 キャビティ ポートの入力と出力に適用されます。

熱境界条件

の励起電力の場合 100 GHz で入力ポートに適用されると、周囲温度 22°C で熱境界対流が BPF のエア キャビティの外面に適用され、対流係数は次のように設定されます。

メッシュ

HFWorks では、メッシュ調節とは、モデル内のさまざまな領域でさまざまな要素サイズを指定することを指します。領域内の要素サイズを小さくすると、その領域での結果の精度が向上します。面、コンポーネント、およびエッジでメッシュ調節を指定できます。

この場合、メッシュ モデルの次の図に示すように、空気キャビティ ボディ全体に細かいメッシュ調節が適用されました。

結果

HFWorks の S パラメータ モジュールは、ほとんどの高周波パッシブ マイクロ波構造に必要な基本モジュールであり、幅広いアプリケーションをカバーします。

[94 GHz ～ 106 GHz] の周波数範囲に対する高速掃引 S パラメータの調査により、100 GHz 付近の共振周波数に対する次の結果が明らかになりました。

電場と磁場の分布は、次のフリンジ 3D プロットで表されます。

次の図は、周波数に対するリターン損失と挿入損失のプロットを示しています。示されているように、フィルタの中心周波数は 100.36 GHz で、10dB 未満の帯域幅は 28.33% に等しく、2 つの伝送ゼロはそれぞれ 97.6 GHz と 102.64 GHz にあります。リターン ロスは、帯域幅全体で 14 dB を超えています。

以下に示すように、両方の結果を比較すると、シミュレーションと測定の間の許容可能な一致が示されます。これには、100.6GHz の中心周波数、97.77 GHz と 103.1 GHz の 2 つの伝送ゼロ、および通過帯域全体で -14dB を超えるリターン ロスが含まれます。

挿入損失とリターン ロスの結果のずれは、表面の不均一な誤差や、フィルタ構造とネットワーク測定アナライザ間の接続が閉じていないことが原因である可能性があります [1]。

S パラメータ スタディに結合された定常状態の熱解析を使用して、調査対象の BPF の熱挙動を実行します。次の結果が得られます。

- 最初の図は、平均値が 35.87°C のフィルターのエア キャビティ全体の温度分布結果を示しています。

- 図 8: 誘導アイリスの丸みを帯びた角に位置する最大値を持つ熱流束密度を示しています。

HFWorks によって取得された正確な熱マップにより、固定電力励起下での BPF の熱挙動を予測できます。設計の初期段階で適切な材料を選択し、最終製品の不具合を回避するのに役立ちます。

結論

導波管ベースのキャビティ フィルターは、非常に高い周波数での信号伝送の実用的なソリューションです。それらは、無損失電力、低誘電効果、および高い送信電力をサポートする、目的の周波数の完全なマイクロ波フィルターを可能にしています。

帯域幅、ゼロの位置、およびリターン ロスの結果に関するシミュレートされた特性評価は、製造に起因する誤差と測定の精度を考慮すると、実験結果とよく一致しています。

参考文献

[1] Xin, Wang, et al. "100 GHz waveguide band-pass filter employing UV-LIGA micromachining process." Microelectronics journal 69 (2017): 101-105.