5G ミリ波導波路フィルタのチューニングねじによる解析

序章

5G アプリケーションの需要により、ミリ波周波数帯域での無線周波数 (RF) およびマイクロ波フィルター コンポーネントの必要性が高まっています。 5G ネットワーク システムには、コンパクトなパッケージで高い帯域幅、優れた選択性、および優れた温度安定性を備えたフィルターが必要です。

HFWorks は、5G およびミリ波コンポーネント向けの RF およびマイクロ波の設計、解析、および最適化のプラットフォームを提供します。空洞、導波路、同軸、セラミック、マイクロストリップを含む構造の完全なラインをサポートします。この解析では、27GHz と 29GHz の間で動作するチューニング スクリューを使用したミリ波導波路バンドパス フィルターの設計を調べています。パラメトリック解析を使用して、フィルタの性能に対するねじの深さの影響を調査します。

問題の説明

[1] によって提示された最適化されたミリ波導波路フィルター設計は、7 つの標準 WR-34 導波路共振器で構成され、6 つの円筒形誘導アイリスによって分離され、7 つの調整ネジによって取り付けられています。これらのネジは、波ポートからのアイリスの前と後の 1 つを含む各共振器の中心に追加されます。それらは導波路フィルターに追加され、目的のフィルター応答に合わせて検討され、各ネジは誘導アイリスのように機能しますが、ガイドの端から端までの接触はありません。 3D 設計は、次の図1 によって示されます。

シミュレーションと結果

HFWorks の S パラメータ ソルバーは、動作周波数範囲 [275GHz-29GHz] で使用されます。シミュレーションにより、図 2 の周波数に対するリターンと挿入損失のデータの 2D プロットによって示される、検討対象のバンドパス フィルターの次の S パラメーターの結果が明らかになりました。
シミュレートされたリターン ロス レベルは、通過帯域全体で満足のいく性能を示しています。 S パラメーター シミュレーションの結果は、フィルターが 26 GHz と 30 GHz でそれぞれ -103.42 dB と -84.75 dB の下限と上限の阻止帯域の挿入損失値を持つことも示しています。

図 2. リターンおよび挿入損失の結果と周波数の関係

破壊レベル解析

空気を含むすべての誘電体には、それを超えるとイオン化が発生してコロナとスパークが発生する最大電界強度があります。絶縁破壊でよく知られています。この現象は、印加電力が高すぎる場合、またはコンポーネント間の間隔、つまりエア ギャップが小さすぎる場合に発生します。私たちの場合、導波路の底部へのエアギャップを定義する調整ネジの浸透深さは、より高い電界強度レベルを引き起こす可能性があります。調査対象のフィルター全体の電界安全率分布の断面表示は、1kW の入射電力に対する次のプロットによって示されます。気づいたように、0.54 の最大係数は、使用された位相の中央調整ネジの下で達成されます。

パラメトリック解析: 調整ねじの深さに対するフィルター S パラメーターの感度

28 GHz の 5G 周波数では、波長は約 10.71 ｍｍです。 1 mm は基本的に 10 分のラムダです。その結果、フィルターの通過特性は、フィルター導波路内のネジの機械的貫通に敏感であると予想されます。

最終的なパラメトリック解析を実行して、得られたバンドパス フィルターの S パラメーター性能に対するこの侵入深さの影響を調べます。フィルタ設計は中央のねじと比較して対称であるため、下の表に示すように、4 つの幾何学的変数のみが最適化されます。

得られた結果は、4 つの異なるシナリオのリターン ロス データ対周波数の次の 2D プロットによって示されます。 S11 の結果にはシナリオごとに大きな変動が見られ、チューニング エレメントの深さに対する調査対象のフィルターの予想される感度が確認されます。

図 5. 調査したシナリオに対応するねじの深さの組み合わせ

図 6. リターン ロスの結果と周波数およびシナリオ

結論

5G ネットワーク専用の極小サイズの ミリ波RF フィルターの解析と最適化は、FEM シミュレーションにとって困難なタスクです。 HFWorks は、非常に感度の高い ミリ波フィルター設計を調査および最適化し、その安定性を高めるのに役立つ強力なツールを提供します。

参考文献