Frequenzweichen sind sehr interessante Strukturen in monolithischen integrierten Schaltkreisen (IC), Antennenanordnungen usw., die zwei Signalpfade aufweisen, die sich mit hoher Isolation und angepassten Ports überkreuzen. Es gibt verschiedene Arten von Frequenzweichen. Luftbrücken, Bonddrähte und gedruckte planare Frequenzweichen für Single- und Dualband, diese Frequenzweichen werden immer für die Verbindung und den Transport von Signalen zwischen Schichten verwendet. Üblicherweise werden gekoppelte Übertragungsleitungen zum Entwerfen von Leistungsteilern, Kopplern und Filtern verwendet. Darüber hinaus werden gekoppelte Leitungen, die mit offenen/kurzgeschlossenen Stichleitungen beladen sind, zum Entwerfen von Bandpassfiltern verwendet. In letzter Zeit wurden die mit offenen/kurzen Stichleitungen beladenen gekoppelten Leitungen zum Entwerfen von planaren Übergängen verwendet.
In diesem Artikel wird eine kompakte planare Frequenzweiche basierend auf gekoppelten Leitungen mit SOLIDWORKS entworfen und mit dem Vollwellen-3D-Simulator HFWorks simuliert. Eine S-Parameter-Analyse wird durchgeführt, um das elektromagnetische Verhalten dieser Struktur zu charakterisieren.
Dieses kompakte Planarkreuzungsbeispiel besteht aus zwei gekoppelten Leitungen, die mit zwei offenen Stichleitungen beladen sind. Die Resonanzfrequenz dieser Frequenzweiche beträgt 1,8 GHz. Es ist auf dem dielektrischen Substrat mit einer relativen Permittivität von 2,65 und einem dielektrischen Verlustfaktor von 0,003 aufgebaut. Die Gesamtgröße der Einzelband-Frequenzweiche beträgt ungefähr 48 mm × 30 mm × 0,508 mm. Das 3D-Modell ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1 - Das 3D-SOLIDWORKS-Modell der kompakten planaren Frequenzweiche (Vorder- und Endansicht)
Zwei Übertragungsleitungen sind an den Anschlüssen 1, 4 und 2, 3 angeschlossen, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Masseebene dieser Struktur wird mit der Technik der gemusterten Masseebene geschlitzt, um das Impedanzverhältnis zwischen den Impedanzen im geraden und im ungeraden Modus für die zu erhöhen gekoppelte Leitungen. Die Strukturparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
| Parameter | Wert (mm) |
| l1 | 2 |
| h2 | 4 |
| l3 | 5,05 |
| l4 | 8.2 |
| w0 | 1.4 |
| w1 | 1,35 |
| w2 | 1,05 |
| w3 | 1,81 |
| G | 0,2 |
Die mit HFWorks simulierten S-Parameterergebnisse S11 und S31 und die Messergebnisse der Einzelband-Frequenzweiche sind in Abbildung 4 dargestellt. Die S-Parameter werden von 0,5 GHz bis 3,5 GHz angezeigt. Die Mittenfrequenz liegt bei 1,8 GHz.
Abbildung 3 - Die Rückflussdämpfung S11 gemessen und simuliert Ergebnisse
Der Transmissionskoeffizient | S31 | größer als -0,6 dB ist, während das simulierte | S11 | liegt bei 1,81 - 1,875 GHz unter -20 dB.
Abbildung 4 - S11 und S31 der Einzelband-Frequenzweiche
Die Isolation | S21 | und | S41 | betragen weniger als -20 dB für 1,73 bis 1,814 GHz bzw. 1,81 bis 1,87 GHz, wie in Abbildung 5 dargestellt.
Abbildung 5 - S41 und S21 der Einzelband-Frequenzweiche
HFWorks berechnet automatisch das elektromagnetische Feld. Die Verteilung des elektrischen Feldes bei der Resonanzfrequenz ist in Abbildung 6 dargestellt. Die einfallende Leistung beträgt 1W.
Abbildung 6 - Verteilung des elektrischen Feldes bei 1,80 GHz
Ein Single-Band-Crossover wird mit dem Duo von SOLDWORKS und HFWorks entworfen und simuliert. Zwischen den simulierten Ergebnissen und den gemessenen Daten sind gute Übereinstimmungen zu beobachten [2]. Die Resonanzfrequenz liegt bei 1,80 GHz.
[1] https://www.emworks.com/product/ATLASS
[2]Wenjie Feng, Tianyu Zhang, WenquanChe“Compact Single-band Planar Crossover Based on Coupled Lines”Proceedings of the 46th European Microwave Conference, pp. 975 – 978, Oct 2016.
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