SIMULIA CST Studio Suite 환경 내에서 다양한 도구와 기술을 결합하여 마이크로웨이브 필터를 설계하는 방법을 보여줍니다. 이러한 워크플로우를 SIW(Substrate Integrated Waveguide) 및 ESIW(Empty Substrate Integrated Waveguide) 기술을 기반으로 하는 필터 설계에 적용합니다.

 

SIW 및 ESIW 기술

대부분의 최신 무선 시스템은 셀룰러 기지국, 위성 통신, 레이더 시스템 등과 같은 전자기 필터를 필요로 합니다. 이러한 장치의 기능은 일반적으로 신호의 스펙트럼을 필터링하는 동시에 무결성을 유지하고 발열 및 원하지 않는 간섭을 방지하는 것입니다.

지난 20년 동안, SIW 기술^[1]은 고주파에서 필터를 개발하는데 사용되었습니다. 이 기술은 손실이 적고 전력 처리 능력이 높은 것과 같은 도파관의 장점 및 평면 회로의 장점을 절충하여 긴밀한 통합과 저렴한 비용을 제공합니다.

최근 일부 저자들은 집적 평면 회로와 호환되는 도파관 기술에 기반한 기술, 즉 ESIW^[2]를 제안했습니다. 이 방법을 사용하면 도파관을 마이크로스트립 라인에 직접 액세스할 수 있습니다. 따라서, 평면 기판에 완전히 통합된 낮은 손실을 가진 회로가 개발될 수 있습니다.

반면에 필터 설계는 특히 필터 사양이 까다로운 경우 종종 번거로운 작업인 경우가 많습니다. 본 게시물에서는 다양한 도구와 기법을 결합하여 SIW 및 ESIW 기술을 기반으로 필터를 효율적으로 설계하는 방법을 보여줍니다. 특히 필터 설계자가 특정 기술에 관계없이 자체 개발에 적용할 수 있는 두 가지 구체적인 워크플로우를 소개합니다.

CST Studio Suite 환경에서 마이크로파 필터를 설계하는 워크플로우를 설명하기 전에 설계 과정에서 필요한 특정 툴과 솔버를 소개합니다.

 

 

SIMULIA 필터 시뮬레이션 기술

CST Studio Suite은 전자기 부품 및 시스템 분석/설계를 위한 고성능 3D 전자기(EM) 해석 소프트웨어 패키지입니다. 다양한 애플리케이션에 적합한 여러 전자기장 솔버가 통합되어 있습니다. 특히 필터 설계에 적합한 두 가지 3D 솔버가 CST Studio Suite에 통합되어 있습니다:

1.Finite element method (FEM)을 기반으로 하는 Frequency domain solver는 강력한 다목적 3D full-wave 솔버입니다. 이 솔버에는 공진 디바이스의 시뮬레이션 속도를 높여주는 MOR (model-order reduction) 기능과 최적화 수렴을 가능하게 하는 고감도 필터 시뮬레이션에서 mesh 노이즈를 줄이는데 중요한 moving mesh 기법이 포함되어 있습니다.

2.Eigenmode 솔버는 공진 컴포넌트 시뮬레이션에 특화된 솔버입니다. Eigenmode 솔버의 일반적인 응용 분야에는 결합 공진기 필터, high-Q 입자 가속기 캐비티 및 travelling wave tube와 같은 slow wave 구조가 포함됩니다. 또한 SIW 또는 기타 평면 기술 기반 모델에 매우 중요한 open boundary 문제도 지원합니다.

 

Filter Designer 3D (FD3D)는 대역 통과 필터 및 다이플레서 설계를 위한 커플링 매트릭스 합성 및 분석 도구입니다. 또한 동축 캐비티, 도파관, 평면 등 다양한 기술로 구현된 분산 필터의 3D 모델 생성 및 최적화를 위한 자동화를 제공합니다.

Fest3D는 도파관 및 동축 캐비티 기술을 기반으로 복잡한 수동 마이크로파 부품을 매우 효율적으로 분석할 수 있는 소프트웨어 툴입니다. 이는 구성 요소의 여러 부분을 가장 효율적인 방법으로 해결하고 인터페이스(포트)의 EM 모달 확장을 통해 다른 요소에 연결하는 divide-and-conquer 접근 방식을 통해 달성됩니다. 또한 Fest3D는 도파관 기술을 기반으로 대역 통과, 듀얼 모드 및 저역 통과 필터를 위한 고급 자동 설계 툴을 제공합니다.

 

SIW 필터 설계 워크플로우

CST Studio Suite 환경 내 일반적이면서도 자동화된 워크플로우는 다음 단계에 설명되어 있습니다.

1. FD3D에서 필터 사양을 정의하고 합성에 적합한 커플링 매트릭스를 제공하는 다양한 토폴로지 중에서 선택합니다.
2. Component Library에서 필터의 여러 부분, 즉 공진기 및 커플링 요소를 나타내는 원하는 3D 모델을 선택합니다.
3. 공진기와 커플링의 Eigenmode 분석은 FD3D 환경 내에서 지정된 설계 파라미터를 통해 실행됩니다.
4. 3D 필터 모델은 토폴로지 레이아웃에 따라 이러한 다양한 컴포넌트 모델의 어셈블리를 통해 CST Studio Suite에서 생성됩니다. 최종 치수 측정은 커플링 매트릭스를 기반으로 하는 space mapping 루틴을 통해 자동으로 수행됩니다.

FD3D는 이 일반적인 워크플로우의 중심 툴로 설계 과정에서 필요한 EM 솔버와 어셈블리 모델링을 제어합니다.

다음 예에서는 이 워크플로우를 SIW 필터 설계에 적용합니다. 특히 다음과 같은 전기 사양을 선택했습니다:

- 중심 주파수: 5 GHz

- 대역폭: 400 MHz

- 반사 손실: 20 dB

- Pole 수: 4

 

FD3D에서 이러한 사양을 사용하면 그림 1과 같이 이 응답에 대한 커플링 행렬을 얻을 수 있습니다. 전체 설계 과정에서 이 커플링 행렬을 타겟으로 사용합니다.

 

 

그림 2에 표시된 SIW 필터를 구축하기 위해 다음과 같은 기본 요소를 선택했습니다:

1. 공진기: Electric wall이 via hole을 통해 구현되는 직사각형 공진기

2. 내부 커플링: Electric wall이 via hole로 구현된 직사각형 아이리스

3. 외부 커플링: 테이퍼형 마이크로 스트립에서 SIW로 전환

 

 

 

빠른 Eigenmode 시뮬레이션을 통해 각 구성 요소의 초기 치수를 얻었습니다. 그런 다음 커플링 행렬과 관련된 개별 메커니즘을 제어하기 위해 컴포넌트별로 설계 파라미터를 할당했습니다. (그림 2의 파란색 선으로 표시됨)

1. 직사각형 공진기의 길이

2. 캐비티 간 아이리스의 너비

3. 마이크로 스트립에서 SIW로 전환할 때 입/출력 아이리스의 폭

 

그림 3에서는 물리적 설계 파라미터에 대해 정의된 범위 내에서 각 커플링 매트릭스 요소의 변화를 보여줍니다.

 

 

 

초기 설계의 경우 FD3D는 개별 커플링 행렬 항목에 대해 이러한 곡선에 따라 적절한 치수를 선택합니다. 초기 응답 (그림4의 빨간색 곡선)은 Eigenmode 분석에서 고려되지 않은 loading 효과로 인해 타겟에서 벗어납니다. 이 문제를 해결하기 위해 FD3D에 포함된 space mapping 임시 최적화를 실행합니다. 이 알고리즘은 S-parameter에서 커플링 행렬을 추출하고 그림 3의 곡선을 기반으로 새로운 파라미터 값 세트를 계산합니다. 이 임시 절차의 결과는 그림 4의 녹색 실선 곡선으로 표시되며 여기서 합성의 원하는 필터 응답이 달성됩니다.

 

 

 

ESIW 필터 설계 워크플로우

ESIW 필터의 경우 도파관 기술을 위한 특정 솔버를 활용할 수 있어 분석 속도가 크게 빨라집니다. 그런 다음 ESIW를 위해 소개하는 워크플로우에는 두 가지 요소가 추가로 포함됩니다: FD3D에서 커플링 매트릭스 추출을 기반으로 한 Fest3D 및 CST Studio Suite 최적화입니다. 목표는 그림 5에 표시된 필터를 설계하는 것입니다. 이 필터는 직사각형 도파관 기술로 구현되는 외부 포트 커플링 (마이크로스트립 – ESIW 트랜지션)과 캐비티 공진기로 구성됩니다. 워크플로우는 다음 단계에 요약되어 있습니다:

 

1. FD3D에서 필터 사양을 정의하고 합성 및 최종 최적화에 적합한 커플링 행렬을 제공하는 다양한 토폴로지 중에서 선택합니다.

2. Fest3D의 자동 synthesis wizard를 사용하여 직사각형 도파관 대역 통과 필터를 생성합니다.

3. Eigenmode 솔버를 사용하여 CST Studio Suite으로 마이크로스트립-ESIW 트랜지션을 설계합니다.

4. CST Studio Suite의 Circuit & Systems에서 두 부품 (트랜지션 + 도파관 필터)를 연결하고 1단계의 FD3D 프로젝트가 목표로 선택된 커플링 행렬 추출을 기반으로 최적화를 실행합니다.

 

 

이 경우 선택한 필터 사양은 다음과 같습니다.

- 중심 주파수: 20 GHz

- 대역폭: 500 MHz

- 반사 손실: 25 dB

- Pole 수 : 5

 

FD3D에서 이러한 사양을 사용하면 그림 6과 같이 해당 커플링 행렬을 구할 수 있습니다.

 

 

 

Inductive 대역 통과 필터용 Fest3D 자동 설계 툴을 사용하여 도파관 필터를 설계했습니다. 표준 직사각형 도파관 WR-42를 포트로 선택했습니다. 그러나 ESIW 필터 설계의 핵심은 트랜지션의 기판 두께와 동일한 필터 높이를 사용하여 필터를 트랜지션에 연결하는 것을 단순화하는 것입니다. (그림 5 참조). 이 경우 두께가 1.524mm^[2]인 기판을 선택했으며 이는 그림 7(a)와 같이 필터의 높이입니다. 자동 설계 도구를 사용하여 그림 7(b)의 응답을 얻었으며, 이는 사양을 완벽하게 충족합니다. 이는 추가적인 최적화 없이도 얻을 수 있는 결과입니다.

 

 

 

그 후, 그림 8(a)와 같이 마이크로스트립에서 도파관으로의 트랜지션을 설계했습니다^[2]. 관심 주파수 대역(그림 8(b)의 녹색 곡선)에서 35dB 이상의 입력 정합을 제공하도록 최적화한 초기 응답(그림 8(b)의 빨간색 곡선)을 얻었습니다.

 

 

 

다음 단계는 도파관 필터를 입력/출력 트랜지션에 연결하는 것입니다. 이를 위해 인터페이스의 전자기 모드를 통해 두 부품을 전자기적으로 연결할 수 있는 CST Studio Suite Circuits & Systems을 사용했습니다.

그 결과 그림 9의 빨간색 곡선으로 표시된 결과를 얻었습니다. 이 결과는 이미 매우 잘 일치하도록 트랜지션을 설계했고 앞서 말했듯이 트랜지션과 필터의 인터페이스가 동일한 치수를 가지므로 (불일치가 추가되지 않음) 이미 황금(이상적인) 응답에 상당히 근접해 있습니다. 마지막으로 FD3D에 결합된 CST Studio Suite의 Optimizer를 사용하여 컴포넌트를 최적화합니다.

즉, Optimizer의 목표 함수로 S-parameter를 사용하는 대신 이상적인 커플링 행렬을 사용합니다(그림 6 참고). 또한 이 최종 최적화를 수행하려면 트랜지션이 아닌 도파관 필터만 조정하면 됩니다. 따라서 Fest3D EM 모달 솔버로 도파관 필터를 계산하고 전이 블록을 반복해서 다시 계산하지 않기 때문에 최적화 프로세스가 매우 효율적입니다. 최종 응답은 그림 9의 녹색 곡선에서 볼 수 있듯이 이상적인 동등한 리플을 갖습니다.

 

 

 

결론

지금까지 마이크로파 필터를 설계하기 위해 CST Studio Suite 환경 내에서 다양한 툴과 기술을 결합하는 방법을 보여드렸습니다. 이러한 워크플로우를 SIW 및 ESIW 기술을 기반으로 하는 두 가지 특성 필터 설계에 성공적으로 적용했습니다.

 

References

[1] D. Deslandes and K. Wu, “Integrated microstrip and rectangular waveguide in planar form,” IEEE Microwave Wireless Component Letter, vol. 11, no. 2, pp. 68–70, Feb. 2001.

[2] A. Belenguer, H. Esteban, and V. E. Boria, “Novel Empty Substrate Integrated Waveguide for High-Performance Microwave Integrated Circuits”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 62, No. 4, April 2014.

 

​본 자료는 다쏘시스템의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다.

원본 : 다쏘시스템