VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚBRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCHTECHNOLOGIÍÚSTAV RADIOELEKTRONIKY

FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATIONDEPARTMENT OF RADIO ELECTRONICS

KNIHOVNA STAVEBNÍCH PRVKŮ KOAXIÁLNÍHOFILTRU PRO CST MICROWAVE STUDIO

LIBRARY OF BUILDING ELEMENTS OF COAXIAL FILTERS FOR CST MICROWAVE STUDIO

DIPLOMOVÁ PRÁCEMASTER'S THESIS

AUTOR PRÁCE Bc. JIŘÍ VOREKAUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE prof. Dr. Ing. ZBYNĚK RAIDASUPERVISOR

BRNO 2010

VYSOKÉ UČENÍTECHNICKÉ V BRNĚ

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Ústav radioelektroniky

Diplomová prácemagisterský navazující studijní oborElektronika a sdělovací technika

Student: Bc. Jiří Vorek ID: 83139Ročník: 2 Akademický rok: 2009/2010

NÁZEV TÉMATU:

Knihovna stavebních prvků koaxiálního filtru pro CST Microwave Studio

POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ:

Popište základy teorie koaxiálních filtrů (rezonanční kmitočet, Q0, Qext, vazební koeficienty, topologie) apostup modelování základních stavebních prvků koaxiálních filtrů v prostředí CST MWS (rezonátor, pársvázaných rezonátorů, externí navázání rezonátoru). Sestavte knihovnu ucelených maker základníchstavebních prvků koaxiálních filtrů: 1. Rezonátor - hladký, "kloboukový" a "hřibovitý"; 2. Interní vazba -okýnkem, kapacitní sondou a hranolkem; 3. Externí vazba - přímá, kapacitním terčíkem a induktivnísmyčkou.

Rozšiřte knihovnu základních stavebních prvků o základní topologická uspořádání ucelenýchkoaxiálních filtrů (triplet, qadruplet, quituplet). Vytvořte komplexní makro pro modelování kompletníchfiltrů obecné topologie v CST MWS.

DOPORUČENÁ LITERATURA:

[1] MATTHAEI, G. L., YOUNG, L., JONES, E. M. T. Microwave Filters, Impedance Matching Networks,and Coupling Structures. Norwood, Massachusetts, Artech House, Inc., 1980.

[2] SWANSON, D. G., WENZEL, R. J. Fast analysis and optimization of combline filters using FEM. InIEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Boston, 2001, p. 1159-1162.

Termín zadání: 8.2.2010 Termín odevzdání: 21.5.2010

Vedoucí práce: prof. Dr. Ing. Zbyněk Raida

prof. Dr. Ing. Zbyněk RaidaPředseda oborové rady

UPOZORNĚNÍ:

Autor diplomové práce nesmí při vytváření diplomové práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmízasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následkůporušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávníchdůsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

LICEN�NÍ SMLOUVA POSKYTOVANÁ K VÝKONU PRÁVA UŽÍT ŠKOLNÍ DÍLO

uzav�ená mezi smluvními stranami:

1. Pan/paní

Jméno a p�íjmení: Bc. Ji�í Vorek Bytem: Proskovická 39, Ostrava 30, 700 30 Narozen/a (datum a místo): 25. kv�tna 1985 v Ostrav�

(dále jen „autor“) a

2. Vysoké u�ení technické v Brn�

Fakulta elektrotechniky a komunika�ních technologií se sídlem Údolní 53, Brno, 602 00 jejímž jménem jedná na základ� písemného pov��ení d�kanem fakulty: prof. Dr. Ing. Zbyn�k Raida, p�edseda rady oboru Elektronika a sd�lovací technika (dále jen „nabyvatel“)

�l. 1

Specifikace školního díla

1. P�edm�tem této smlouvy je vysokoškolská kvalifika�ní práce (VŠKP):

� diserta�ní práce � diplomová práce � bakalá�ská práce � jiná práce, jejíž druh je specifikován jako ......................................................

(dále jen VŠKP nebo dílo)

Název VŠKP: Knihovna stavebních prvk� koaxiálního filtru pro CST Microwave Studio Vedoucí/ školitel VŠKP: prof. Dr. Ing. Zbyn�k Raida Ústav: Ústav radioelektroniky Datum obhajoby VŠKP: __________________

VŠKP odevzdal autor nabyvateli*:

� v tišt�né form� – po�et exemplá��: 2 � v elektronické form� – po�et exemplá��: 2

2. Autor prohlašuje, že vytvo�il samostatnou vlastní tv�r�í �inností dílo shora popsané a specifikované. Autor dále prohlašuje, že p�i zpracovávání díla se sám nedostal do rozporu s autorským zákonem a p�edpisy souvisejícími a že je dílo dílem p�vodním.

3. Dílo je chrán�no jako dílo dle autorského zákona v platném zn�ní.

4. Autor potvrzuje, že listinná a elektronická verze díla je identická.

* hodící se zaškrtn�te

�lánek 2

Ud�lení licen�ního oprávn�ní

1. Autor touto smlouvou poskytuje nabyvateli oprávn�ní (licenci) k výkonu práva uvedené dílo nevýd�le�n� užít, archivovat a zp�ístupnit ke studijním, výukovým a výzkumným ú�el�m v�etn� po�izovaní výpis�, opis� a rozmnoženin.

2. Licence je poskytována celosv�tov�, pro celou dobu trvání autorských a majetkových práv k dílu.

3. Autor souhlasí se zve�ejn�ním díla v databázi p�ístupné v mezinárodní síti

� ihned po uzav�ení této smlouvy � 1 rok po uzav�ení této smlouvy � 3 roky po uzav�ení této smlouvy � 5 let po uzav�ení této smlouvy � 10 let po uzav�ení této smlouvy

(z d�vodu utajení v n�m obsažených informací)

4. Nevýd�le�né zve�ej�ování díla nabyvatelem v souladu s ustanovením § 47b zákona �. 111/ 1998 Sb., v platném zn�ní, nevyžaduje licenci a nabyvatel je k n�mu povinen a oprávn�n ze zákona.

�lánek 3

Záv�re�ná ustanovení

1. Smlouva je sepsána ve t�ech vyhotoveních s platností originálu, p�i�emž po jednom vyhotovení obdrží autor a nabyvatel, další vyhotovení je vloženo do VŠKP.

2. Vztahy mezi smluvními stranami vzniklé a neupravené touto smlouvou se �ídí autorským zákonem, ob�anským zákoníkem, vysokoškolským zákonem, zákonem o archivnictví, v platném zn�ní a pop�. dalšími právními p�edpisy.

3. Licen�ní smlouva byla uzav�ena na základ� svobodné a pravé v�le smluvních stran, s plným porozum�ním jejímu textu i d�sledk�m, nikoliv v tísni a za nápadn� nevýhodných podmínek.

4. Licen�ní smlouva nabývá platnosti a ú�innosti dnem jejího podpisu ob�ma smluvními stranami.

V Brn� dne: 21. kv�tna 2010

……………………………………….. …………………………………………

Nabyvatel Autor

ABSTRAKT Tato práce se zabývá vývojem nástroje - maker usnad�ující návrh koaxiálních dutinových rezonátor�. V práci je popsána problematika návrhu složitých struktur v CST Studio Suite 2009. Za tímto ú�elem jsou vytvo�ená makra poskytující hrubý a jemný model optimaliza�ní rutin� Tuning-Space Mapping.

KLÍ�OVÁ SLOVA Tuning – Space Mapping, CST Studio, koaxiální dutinový filtr, jemný model, hrubý model, optimalizace, makra, elektromagnetický simulátor pole, Virtual Prototyping, Visual Basic, Pascal

ABSTRACT This thesis deals with development of tool – macros which help to create coaxial cavity filters. It describes problematic design of complex structures at CST Studio Suite 2009. For this purpose macros supporting coarse and fine model to method Tuning – Space Mapping (TSM) was made. This means creating fine model at CST MWS and coarse model at CST DS.

KEYWORDS Tuning – Space Mapping, CST Studio, coaxial cavity filter, the fine model, the coarse model, optimization, macros, electromagnetic field simulator, Virtual Prototyping, Visual Basic, Pascal

Vorek, J. Knihovna stavebních prvk� koaxiálního filtru pro CST Microwave Studio. Brno: Vysoké u�ení technické v Brn�, Fakulta elektrotechniky a komunika�ních technologií. Ústav radioelektroniky, 2010. 38 s. Diplomová práce. Vedoucí práce: prof. Dr. Ing. Zbyn�k Raida.

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že moji diplomovou práci na téma Knihovna stavebních prvk� koaxiálního filtru pro CST Microwave Studio jsem vypracoval samostatn� pod vedením vedoucího diplomové práce a s použitím odborné literatury a dalších informa�ních zdroj�, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce.

Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvo�ením této práce jsem neporušil autorská práva t�etích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným zp�sobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si pln� v�dom následk� porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona �. 121/2000 Sb., v�etn� možných trestn�právních d�sledk� vyplývajících z ustanovení § 152 trestního zákona �. 140/1961 Sb.

V Brn� dne 21. kv�tna 2010 ............................................ podpis autora

ÚVOD 1

1 Koaxiální Dutinové rezonátory 3

1.1 Základní parametry ................................................................................... 3

1.2 Zapojení do obvodu a buzení.................................................................... 5

1.2.1 Buzení rezonátor� proudovou sondou .................................................. 5

1.2.2 Buzení rezonátor� magnetickou smy�kou............................................ 5

1.2.3 Buzení rezonátor� vazebním otvorem .................................................. 6

1.3 Vazby ........................................................................................................ 6

1.3.1 Interní p�ímá vazba mezi rezonátory .................................................... 8

1.3.2 Externí vazba ........................................................................................ 9

1.3.3 K�ížová vazba ..................................................................................... 10

2 EM simulátory 12

3 Návrh filtru v CST 13

4 Knihovna koaxiálních rezonátor� 15

4.1 Teplotní modely rezonátor�.................................................................... 18

4.2 Externí navázání ..................................................................................... 18

4.2.1 Induktivní navázání drátem ................................................................ 18

4.2.2 Kapacitní navázání ter�íkem............................................................... 19

4.3 Interní vazba ........................................................................................... 20

4.3.1 Induktivní interní vazba okénkem ...................................................... 20

4.3.2 Kapacitní interní vazba ty�inkou ........................................................ 22

5 Tvorba komplexních struktur 23

5.1 Ovládání programu ................................................................................. 23

5.2 Návrh filtru ............................................................................................. 25

6 Modely filtr� 32

7 Metoda TSM 35

ZÁV�R 36

LITERATURA 37

SEZNAM SYMBOL�, VELI�IN A ZKRATEK 38

1

ÚVOD Moderní komunika�ní systémy pot�ebují ke své funkci stále lepší filtry. Parametry

t�chto filtr� p�edur�ují funk�nost t�chto systém�. Požadavky jsou kladeny na vysoký �initel jakosti, pr�chozí útlum, �initel odrazu a selektivitu. Tomu lze vyhov�t výrobou asymetrických filtr�.

Filtry lze realizovat ve form� mikropásku, vlnovodu, koaxiální dutiny nebo dielektrického rezonátoru. Mikropásky jsou vhodné pro svoji snadnou výrobu, avšak mají malý �initel jakosti a nemohou zpracovat velký výkon. Vlnovody lze také jednoduše vyrobit ale jejich rozm�ry jsou zna�né, nedají se tedy použít pro komunika�ní systémy v rozumné form�. Dielektrické rezonátory pot�ebují pro svoji funk�nost materiál s velkou permitivitou, to spl�uje keramika. Mají extrémn� vysoké Q (až 50000)[1], avšak návrh takového filtru a samotná výroba má svá úskalí a není tak vhodný pro výrobu filtru o n�kolika �ádech. Koaxiální dutinové filtry vykazují velký �initel jakosti Q, velmi malý pr�chozí útlum a velkou p�eladitelnost. Za pomocí koaxiálních dutinových filtr� lze realizovat velmi vysoký útlum mimo propustné pásmo, což se velmi �asto využívá práv� v duplexerech nebo kombinerech, kde je nutné d�kladn� od sebe odd�lit jednotlivá pásma. Koaxiální dutinové filtry jsou p�evážn� pásmové propusti.

Téma práce je zam��eno na uleh�ení návrhu koaxiálních filtr� a jejich provázaných struktur. To se d�je v prost�edí CST STUDIO SUITE 2009, dále CST. Uleh�ení spo�ívá ve tvorb� uživatelsky p�ístupných maker a programu pro návrh komplexních struktur filtru. Tato �ást uživatelského rozhraní je spjata s relativn� novou optimaliza�ní rutinou zvanou Tuning-Space Mapping, zkrácen� TSM. Makra totiž nejen vytvo�í model filtru b�hem jednoduchého vybrání topologie a zadání parametr�, ale poskytnou fyzikální a obvodové modely pro tuto optimaliza�ní rutinu. Následnou optimalizací, popisem TSM a užitím t�chto model� se zabývá práce Davida Wolanského pod názvem Optimalizace koaxiálních filtr� metodou Tuning-Space Mapping v CST [2]. Slou�ením t�chto dvou prací se dostává uživateli nástin urychlení návrhu a optimalizace elektromagnetických struktur, snížení náklad� a efektivního využití simula�ního programu.

Možný postup návrhu prototypu filtru probíhá v t�chto krocích:

1. Syntéza filtru – vazební matice

2. Návrh rezonátoru

3. Návrh vstupn�/výstupního navázání

4. Návrh vazeb mezi rezonátory

5. Tvorba dokumentace a technických výkres�

6. Volba materiálu

7. Laboratorní vzor a jeho prvotní lad�ní

8. N�kolikanásobné lad�ní a mechanická modifikace filtru – dosažení specifikace

9. Revize dokumentace a technických výkres�

10.Volba materiálu

2

11.První prototyp

Body 5. až 8. jsou velmi náro�né na technologii a tedy i na �ase stráveným dola�ováním. Pomocí metody nazývané Virtual Prototyping se tyto body zmenší do jednoho a zkrátí se tím i �as výsledného návrh filtru. Virtual Prototyping ozna�uje disciplínu simulace struktur v simulátorech, k tomu ur�ených, bez nutnosti výroby struktury. Díky této koncepci a použitím TSM lze zkrátit návrh filtru o nemalý �as a snížit náklady spojené s návrhem. Pro pot�eby Virtual Prototypingu je vytvo�ena knihovna koaxiálních rezonátor�. P�idán je nástroj, nástavba pro komplexní návrh topologie a tím i zefektivn�ní použitého CST. Práce je vytvo�ena pro firmu C-COM v Pardubicích, která se zabývá mimo jiné návrhem a realizací koaxiálních dutinových filtr�. Firma pat�í pod mezinárodní firmu Andrew.

3

1 KOAXIÁLNÍ DUTINOVÉ REZONÁTORY

1.1 Základní parametry

Dutinové rezonátory jsou nej�ast�ji používanými mikrovlnnými rezonan�ními obvody v pásmech cm a mm vln. Mezi jejich nejvýznamn�jší vlastnosti, pro n�ž dosáhly velmi širokého použití, pat�í velmi vysoká hodnota vlastního �initele Q0 (�ádov� 103 až 105). Obecný dutinový rezonátor lze definovat jako �ást prostoru vypln�nou dielektrikem a uzav�enou vodivým kovovým plášt�m. Vzniká tak uzav�ená dutina o objemu V. Rezonan�ní kmito�et takové dutiny je dán vztahem [4]

���

����

�−+=

00 2

11

Qff (1)

v n�mž f0 je rezonan�ní kmito�et téhož rezonátoru bez uvažování jeho ztrát a Q0 je jeho vlastní �initel jakosti (nezatíženého rezonátoru) zp�sobený ztrátami výkon� v nedokonale vodivých st�nách rezonátoru. Vzhledem k velmi vysoké hodnot� Q0 >> 1 se skute�ný rezonan�ní kmito�et reálné dutiny f liší jen velmi nepatrn� od rezonan�ního kmito�tu f0 bezeztrátové dutiny(s ideáln� vodivými st�nami). Pro p�ibližné ur�ení Q0 lze pro v�tšinu rezonátor� vypuklého tvaru odvodit vztah [4]

PSV

Q ⋅=δ2

0 , (2)

kde � je hloubka vniku do vodivých st�n dutiny p�i rezonan�ním kmito�tu, V je objem dutiny a Sp vnit�ní povrch jeho plášt�. Není-li tento povrch opracován do zrcadlového lesku, m�že být hloubka vniku menší � než drsnost povrchu vodi�e. V modelovém p�ípad� se dráha vodivého povrchového proudu prodlouží p�ibližn� 2 krát, takže vztah (2) korigovaný na drsnost povrchu st�n dutiny má tvar [4]

PP SV

SV

Q ⋅=⋅⋅

=δδ2

22

0 . (3)

P�edchozí vztahy platí tím p�esn�ji �ím menší je objem V rezonátoru, �ím jednodušší tvar má dutina a �ím jednodušší uspo�ádání elektromagnetického pole se v ní tvo�í [4].

Je-li dutina rezonátoru vypln�na dielektrikem s nezanedbatelnými, avšak malými ztrátami, charakterizovanými ztrátovým �initelem tg �<<1, je výsledný �initel jakosti dutiny roven

δtgQQ c

+=00

11. (4)

4

Vlivem ztrát v dielektriku klesne tedy vlastní �initel jakosti rezonátoru na hodnotu Q0c<Qo [4].

Zvláštním typem dutinových rezonátor� je koaxiální rezonátor. Ten je tvo�en koaxiální dutinou, tedy úsekem souosého vedení uzav�eným na obou koncích nakrátko. Koaxiální rezonátory se provozují prakticky výhradn� s videm TEM, tj. s dominantním videm koaxiálního vedení. Jeho rezonan�ní kmito�et a rezonan�ní vlnová délka jsou rovny

εµ⋅=

lp

f TEM

20 , (5)

plTEM 2

0 =λ . (6)

Vidové �íslo p tedy op�t ur�uje po�et p�lvln elektromagnetického pole na délce l rezonátoru. Základní vid kmitání je ur�en hodnotou p=1. Konstrukce uvedeného typu p�lvlnného koaxiálního rezonátoru je na obr. 1.1a. Pro jeho �initel jakosti lze z p�ibližného vztahu (2) odvodit

0

00

0

0

0

0

00

ln4

1

ln2

rR

lR

rR

rR

RQ

⋅++⋅=

δ. (7)

Pro konstantní R0 nastává maximum tohoto výrazu p�i pom�ru R0/ r0 =3,6, tedy p�i hodnot�, kdy p�vodní koaxiální vedení vykazuje nejmenší m�rný útlum [4].

Obrázek 1.1 Koaxiální rezonátory: a) p�lvlnný b)�tvrtvlnný (p�evzato z [4])

Druhý typ koaxiálního rezonátoru, �tvrtvlnný koaxiální rezonátor, využívá rezonan�ních vlastností �tvrtvlnného zkratovaného vedení. Dle obr. 1.1b se do dutiny

5

zasouvá st�ední vodi�, takže rezonance nastává p�i

( )4

12 00

λ⋅+≈ pl . (8)

Na konci st�edního vodi�e vzniká mezi ním a prot�jší st�nou kapacita C0 , která zkracuje rezonan�ní délku (8). N�kdy se tato kapacita úmysln� zv�tšuje (nap�. rozší�ením st�edního vodi�e), aby se zmenšily celkové rozm�ry rezonátoru [4]. Na obr. 1.2 je p�íklad koaxiálního rezonátoru v CST. Díky zv�tšené ploše se zv�tší kapacita a tím i zmenší Q0.

Obrázek 1.2 Koaxiální rezonátor se zv�tšenou plochou st�edního vodi�e

1.2 Zapojení do obvodu a buzení

Použije-li se dutinový rezonátor jako pr�chozí, tzn. je zapojen do obvodu dv�ma vazebními otvory, takže signál p�i rezonanci dutinou prochází, p�i rezonanci je v dutin� nahromad�na maximální energie, což se projeví prudkým vzr�stem výstupního výkonu. P�i v�tším rozlad�ní rezonan�ního kmito�tu signál dutinou prakticky neprojde[4].

1.2.1 Buzení rezonátor� proudovou sondou Realizuje se krátkým úsekem lineárního vodi�e (nap�. st�edního vodi�e koaxiálního vedení) s délkou h<<� zasunutým do buzeného rezonátoru. Pro optimální buzení ur�itého vidu elektromagnetického pole musí být sonda zasunuta rovnob�žn� se silo�arami elektrického pole buzeného vidu, a to v míst� jeho maximální intenzity. Kmito�et budícího signálu, jímž je sonda napájena, musí být blízký rezonan�nímu kmito�tu buzeného vidu v daném rezonátoru. Velikost buzení lze jistou m�rou ovliv�ovat zm�nou zasunutí sondy [4].

1.2.2 Buzení rezonátor� magnetickou smy�kou Je odvozeno od p�edchozího zp�sobu, kdy lineární proudovou sondu vytvarujeme do

6

podoby malé „tém�� uzav�ené smy�ky“ dle obr. 1.3. Pro optimální buzení ur�itého vidu v rezonátoru, musí být plocha smy�ky kolmá k magnetickým silo�arám toho to vidu a její st�ed musí být v míst� maximální intenzity magnetického pole. Kmito�et buzeného signálu musí být blízký rezonan�nímu kmito�tu buzeného vidu v daném dutinovém rezonátoru. Velikost buzení tu lze prakticky regulovat od nuly až do maximální hodnoty prostým natá�ením polohy smy�ky o úhel 90°. Použití magnetické smy�ky jako budícího elementu je nej�ast�jší p�i buzení vzduchem pln�ných koaxiálních vedení a zejména koaxiálních rezonátor� [4].

Obrázek 1.3 Proudová smy�ka (p�evzato z [4])

1.2.3 Buzení rezonátor� vazebním otvorem Ve st�n� dutiny rezonátoru je vytvo�en malý vazební otvor. V n�m se z vn�jšku vytvo�í budící elektrické pole (vn�jším vedením, vn�jším vlnovodem �í ozá�ením elektromagnetickou vlnou), kterým je buzen požadovaný vid v buzeném rezonátoru. Pro optimální buzení musí být budící elektrické pole ve št�rbin� orientováno kolmo na sm�r magnetických silo�ar buzeného vidu a st�ed št�rbiny musí být umíst�n v míst� maxima magnetického pole buzeného vidu. Kmito�et budícího pole musí být blízký rezonan�nímu kmito�tu buzeného vidu v dutinovém rezonátoru [4].

1.3 Vazby

Vazba dvou obvod� se dá pochopit jako vazba mezi obvodem dodávajícím energii (tj. obvod s napájecím zdrojem), tzv. primárním obvodem, a obvodem se zát�ží, tzv. sekundárním obvodem. Impedance, která pat�í ob�ma obvod�m, se nazývá vazební impedance. Pak se jedná o obvody svázané vazbou [4].

Velikost vazby dvou obvod� se posuzuje podle �initele vazby k definované vztahem

21 ZZ

Zk V

⋅= , (9)

7

Kde ZV je modul vazební impedance a Z1, Z2 jsou moduly impedance primárního a sekundárního obvodu [4].

Vazby lze rozd�lit následovn�. P�ímá vazba spojuje dva sousední rezonátory (z pohledu cesty signálu filtrem). K�ížová vazba spojuje dva rezonátory mimo cestu ší�ení. Externí vazba spojuje filtr s okolním sv�tem.

Na obr. 1.4 je nakreslena �asto používaná struktura vázaných rezonan�ních obvod�, u které jsou primární i sekundární rezonan�ní obvod nalad�ny na stejný kmito�et f0 a mají stejný �initel jakosti Q.

Obrázek 1.4 Navázaní rezonan�ní struktury (p�evzato z [4])

Rezonan�ní k�ivky tohoto obvodu pro r�zné velikosti �initele vazby jsou nakresleny na obr 1.5. pro lepší posouzení jejich pr�b�h� jsou znázorn�ny v normovaném tvaru. P�i vazb� menší než je vazba kritická k<kkrit a p�i k= kkrit mají rezonan�ní k�ivky jeden vrchol, tj. jsou podobné rezonan�ním k�ivkám jednoduchého rezonan�ního obvodu. Je-li k>kkrit mají rezonan�ní k�ivky dva vrcholy, které se p�i zv�tšovaní �initele vazby od sebe vzdalují, když primární i sekundární obvod jsou nalad�ny na stejný f0. Vhodným nastavením vazeb lze tedy dosáhnout takového tvaru rezonan�ní k�ivky, který se blíží obdélníkovému pr�b�hu ideální pásmové propusti [4].

8

Obrázek 1.5 Rezonan�ní k�ivky (p�evzato z [4])

Propustné pásmo vázaných rezonátor� je definováno stejn� jako u jednoduchých rezonan�ních obvod�, jako rozmezí kmito�t�, p�i kterých poklesne sledovaná veli�ina o 3 dB. Z obr. 1.5 vyplývá, že nejširší propustné pásmo budou mít vázané rezonan�ní obvody p�i takovém �initeli vazby, kdy pro minimum rezonan�ní k�ivky platí U2/U2max=0,707 (pokles o 3 dB). P�i dalším zv�tšení �initele vazby se již propustné pásmo rozpadá na dv� �ásti. Lze odvodit, že maximální ší�ka propustného pásma dvou vázaných rezonan�ních obvod� je 3,1 krát v�tší než propustné pásmo jediného rezonan�ního obvodu [4].

1.3.1 Interní p�ímá vazba mezi rezonátory Na obr. 1.6 je ukázka dvou rezonátor� svázaných induktivní (kladnou) vazbou pomocí tzv. okénka. Model obsahuje i vstupní a výstupní porty pro možnost výpo�tu p�enosové frekven�ní charakteristiky. Na obr. 1.6 je frekven�ní charakteristika (S21) modelu. Oba rezonátory jsou identické a oba rezonují na frekvenci f0. Vazba mezi rezonátory vede k posunu �f rezonan�ního kmito�tu obou dutin. Normovaný vazební koeficient mezi rezonátory 1 a 2 je dán vztahem

BWf

M∆

=12 , (10)

kde �f je vazební ší�ka pásma a BW je ší�ka pásma filtru. Vazební koeficient je tedy mírou rozlad�ní obou dutin. Vazba mezi rezonátory nemusí být induktivní (kladná), ale m�že být i kapacitní (záporná), která je realizována nap�. kovovou anténkou [5].

9

Obrázek 1.6 Induktivní vnit�ní vazba dvou rezonátor� a s21 charakteristika modelu (p�evzato z [5])

Vazba mezi rezonátory má vždy magnetickou a elektrickou složku. Na obr 1.7 je p�íklad dvou rezonátor� s ladícím šroubem a magnetickou clonou. Ladící šroub umíst�ný mezi otev�ené konce obou rezonátor� zvyšuje celkovou vazbu a snižuje elektrickou vazbu. Magnetická clona, zvaná též okénko, snižuje magnetickou vazbu a zmenšuje vazbu celkovou [6].

Obrázek 1.7 ladící prvky vazeb rezonátor� (p�evzato z [6])

1.3.2 Externí vazba Pomocí této vazby se filtr p�ipojuje k dalším obvod�m. Hodnota vazby se �asto vztahuje k externímu �initeli jakosti Qext. Na obr. 1.8 je model rezonátoru pro výpo�et externího �initele jakosti. Externí navázaní je zde koncipováno jako st�ední vodi� koaxiálního vedení, které je vedeno p�ímo do rezonátoru. V praxi existuje více možností, jak provést externí navázání, nap�. pomocí ter�íku nebo drátové smy�ky. V modelu na obr. 1.8 je implementován port, aby bylo možné zm��it kmito�tovou

10

p�enosovou charakteristiku. Vliv tohoto portu lze zanedbat pokud maximální hodnota rezonan�ní charakteristiky je pod úrovní -25dB až -30dB. Ší�ku pásma externího navázání lze ur�it podle obr. 1.8. Externí Qext lze tedy ur�it jako

dBEXT f

fQ

3

0

∆= . (11)

Externí Qext lze také formulovat pomocí normovaného vazebního koeficientu M01

)( 201

0

MBWf

QEXT ⋅= , (12)

kde BW je ší�ka pásma filtru. Je také možné vypo�ítat externí Qext pomocí skupinového zpožd�ní parametru s11. Hodnota externího Qext se bude zmenšovat, jestliže se bude zvyšovat výška portu externího navázání [5].

Obrázek 1.8 Externí navázání rezonátoru a s21 charakteristika (p�evzato z [5])

1.3.3 K�ížová vazba

Hlavní funkcí této vazby je vytvo�it nulu (transmission zero - TZ) v p�enosu na ur�itém kmito�tu. To samoz�ejm� p�ispívá ke zv�tšení selektivity filtru. Další funkcí k�ížové vazby je ekvalizovat skupinové zpožd�ní v propustném pásmu [5].

K�ížové vazby mohou být jak induktivního, tak kapacitního charakteru. Na obr. 1.9 jsou schémata základních struktur filtru a odpovídající kmito�tové charakteristiky. �erné body s �ísly reprezentují rezonátory, bílé kruhy reprezentují vstupní (S – source) a výstupní (L – load) porty. Induktivní vazba je reprezentována plnou �arou, kapacitní vazba má symbol kondenzátoru. Jak již bylo �e�eno, induktivní vazba je kladného charakteru a kapacitní vazba má záporný charakter. Jedna k�ížová vazba, která odd�luje

11

jeden rezonátor (triplet) m�že, za ur�itých podmínek, poskytnout velký útlum mimo propustné pásmo, který odpovídá dalším dv�ma dodate�ným pól�m filtru. Využití k�ížové vazby tedy m�že snížit pot�ebný �ád filtru. Nevýhodou je, že zvýšením selektivity filtru na jedné stran� pásma se ovšem snižuje selektivita filtru na opa�né stran� pásma. Na obr. 1.9 jsou zobrazeny nejznám�jší konfigurace filtru s k�ížovými vazbami. Na obr. 1.9a je triplet s kapacitní k�ížovou vazbou, obr. 1.9b zobrazuje triplet s induktivní k�ížovou vazbou. Na obr. 1.9c je konfigurace kvadruplet s k�ížovou vazbou, která odd�luje dva rezonátory. Vzniknou tak dv� TZ, každá na opa�né stran� propustného pásma [5].

Obrázek 1.9 Umíst�ní k�ížových vazeb a související frekven�ní charakteristiky (p�evzato z [5])

12

2 EM SIMULÁTORY Používání 3D elektromagnetických (EM) simulátor� polí k vytvo�ení mikrovlnných/RF za�ízení je v dnešní dob� velice rozší�eno. Mnoho komer�ních EM simulátor� je na trhu dostupných (tabulka 2.1) a s jejich pomocí lze navrhnout jakékoliv elektromagnetické struktury na platform� b�žn� dostupných po�íta��. Není pot�eba velkých sálových po�íta�� jak tomu bylo v dob� p�ed deseti lety. Mnoho firem v dnešní dob� utrácí nemalé peníze za používání EM softwaru a jejich efektivní využití pro velice specifické problémy. V mnoha p�ípadech Virtual Prototyping m�že nahradit návrh ve skute�né laborato�i návrhem v EM simulátoru. Jak mikrovlnné odv�tví pr�myslu stále více utrácí za EM simulátory, je velice d�ležité t�mto simulátor�m porozum�t a využívat je efektivn� [3].

Simulátor Typ Metoda Web Link Ansoft HFSS Frekven�ní doména FEM www.Ansoft.com CST MWS �asová doména FDTD www.Cst.de FEST 3D Frekven�ní doména Integral Equation www.Aurorasat.es MICIAN Frekven�ní doména Mode Matching www.Mician.com

FLEX PDE Frekven�ní doména FEM 2-D www.Pedsolutions.com Tabulka 2.1 p�ehled používaných EM simulátor� (p�evzato z [3])

Pro pot�eby simulace koaxiálních filtr� je pot�eba simulátor se zabudovaným eigen mode solver. Ten umí vypo�íst rezonan�ní kmito�et vázaných struktur, jejich Q a vazební koeficienty [8]. Rychlou metodou pro výpo�et prostorového rozložení EM pole je metoda kone�ných prvk� (FEM, finite element method) a metoda kone�ných diferencí v �asové oblasti (FDTD, finite difference time domain method). Metodu FEM využívá Ansoft HFSS, metodu FDTD CST Microwave Studio (MWS).

A�koliv je dle [3] Ansoft HFSS p�esn�jší a mén� náro�ný na výpo�etní výkon (a tím o n�co rychlejší a dokonce p�esn�jší než CST MWS), v simulátoru CST je navíc obsažen obvodový simulátor, který je nutný k optimalizaci rutinou TSM. Z toho d�vodu je tato práce v�nována návrhu filtr� v CST MWS.

13

3 NÁVRH FILTRU V CST Struktury, ve kterých se bude po�ítat EM pole, vyžadují pro tyto výpo�ty nejenom svoje rozm�ry a materiál, ale je t�eba znát i kmito�et, na kterém bude struktura simulována. Pro vyšší kmito�ty bude struktura rozd�lena do více prvk� a tím bude zabírat i více místa v opera�ní pam�ti po�íta�e. D�ležité jsou taky jednotky rozm�ru, zda se bude po�ítat v metrech, milimetrech a podobn�. To vše je nutné zadat nejlépe p�ed samotným návrhem, pak je práce díky definici jednotky jednodušší. Bude-li se po�ítat odezva filtru na jednotkový impulz, je pot�eb ataky definovat �asovou jednotku. To vše se zadává v programové nabídce Solve a položce Set Units, po�áte�ní a koncová frekvence v položce Frequency range. Materiál se p�i�azuje objektu z nabídky Properties jeho kontextového menu v naviga�ním strom� (obr 3.1).

Obrázek 3.1 Prost�edí CST

Tvorba struktur probíhá v 3D, jedná se o t�í-dimenzní kartézský sou�adnicový systém. Tvorba sestává z vybrání jednoduchého prvku (koule, �tverec, kužel, atd.) a jeho úpravy do požadovaného tvaru v nabídce Objects. Velice d�ležité je tvo�it všechno parametricky, tzn. zadávat hodnoty názvem prom�nné. Díky tomu lze b�hem návrhu m�nit proporce jednoduchou zm�nou prom�nné v seznamu parametr�. Jednoduché prvky je pak t�eba r�zn� pospojovat a o�ezat, což se d�je p�es programovou nabídku Objects a položku Boolean. Hrany rezonátoru se o�íznou vybráním hrany pom�ckou Select edge a následným zaoblením skrz nabídku Blend edge taktéž z Objects. Je-li struktura hotova, lze ji nakopírovat pom�ckou Transform. Takto zkopírované struktury jsou svázané parametry, d�dí je.

Navázání vloženým st�edem koaxiálního vedení je asi nejproblemati�t�jší �ást. Vytvo�ený „drát“ je pot�eba ohnout a v míst� ohybu vytvo�it koleno o p�edem

14

definovaném rádiusu. Je pot�eba nap�ed definovat hranu, kolem které se bude koleno to�it. Použitím nástroje Edge from coordinates se definuje ona hrana. Nejjednodušší zp�sob je zadat ji parametricky. Je t�eba pamatovat na sm�r, kterým je navržena. Platí zde pravidlo pravé ruky, kde na palci je vybraná plocha, ukazová�ek ukazuje sm�r nakreslené hrany (z bodu 1 do bodu 2) a prost�ední�ek sm�r to�ení. Vytvo�ením se hrana i vybere Jakmile je hrana vybraná, posta�í vybrat plochu, ze které bude koleno taženo, kliknutím na pom�cku Pick face. Následn� posta�í vyplnit parametry a ohyb je zhotoven.

Tento postup je nejvíce zdlouhavý na celém návrhu. Nemluv� o pot�eb� r�zn� parametricky manipulovat se strukturou. Bude-li se nap�íklad muset koleno otá�et na jinou stranu, nelze pouze zm�nit parametr úhlu, ale musí se celá struktura na n�m závislá navrhnout znovu.

Vytvo�ení ter�íku je o n�co jednodušší. Posta�í vložit na „drát“ další válec a ten na stranách zaoblit pom�ckou Blend edge.

Mezi dv�ma strukturami je vhodné vytvo�it vazbu. Bude-li pot�eba struktura o více jak dvou dutinách, což se stane skoro ve všech p�ípadech, má CST p�ichystané p�ekvapení pro uživatele v podob� zmín�né d�di�nosti, která nejde zrušit. To je problém zejména p�i kopírovaní složit� vytvo�ených �ástí, u kterých uživatel strávil až desítky minut. Vazbu je tedy pot�eba navrhnout a nakreslit znovu. �asová náro�nost takto tvo�ených struktur a filtru zna�n� roste s po�tem vazeb.

Dalším mezníkem je používání historie návrhu. CST si pamatuje jakoukoli operaci a ukládá si ji do seznamu historie – History list. Neuváženým smazáním, kombinováním a m�n�ním tohoto seznamu si lze ud�lat z návrhu no�ní m�ru.

Tímto popisem je jasné, že pro pot�eby návrhu a optimalizace struktury, je pot�eba pom�cka. CST nabízí možnost uleh�ení t�chto prací pomocí vestav�ného Visual Basic prost�edí, ve kterém lze navrhnout automatizaci procesu návrhu.

Zkušenému uživateli tvorba jednoho filtru obsahujícího 7 dutin trvá 8 hodin. Bude-li pot�eba filtr jenom o jednu dutinu menší nebo v�tší, m�ní se jeho parametry a musí se p�ekreslit znovu. Makra umož�ují snížit dobu návrhu do jednotek minut. Uživatel pouze vybere typ rezonátoru a vazeb, zadá pot�ebné parametry a má model filtru p�ipravený k simulaci. Makra poskytují také pomocné modely pro optimalizaci pomocí TSM. Výsledné modely jsou p�ipravené pro parametrickou analýzu.

Prost�edky toto umož�ující jsou shrnuty do knihovny koaxiálních filtr�. V této knihovn� je obsažen mocný nástroj pro postihnutí širokých možností topologie a tím i vazeb.

15

4 KNIHOVNA KOAXIÁLNÍCH REZONÁTOR�

Modely dutinových rezonátor� jsou vytvo�eny ve form� maker. Makra jsou psána v jazyku Visual Basic. Velikost okna maker je do 1280 na 800 pixel�. Uživatel zadá hodnoty proporcí rezonátor�, z nichž je filtr složen, a program je vykreslí. Nemén� d�ležitým ú�elem je poskytnutí takto vytvo�ených model� k parametrické analýze. To se d�je skrz parametry vkládané do seznamu parametr�. Propo�ítávají také vzdálenosti r�zných �ástí a tak lze postihnout výše zmín�né zahnutí vazebního prvku. Vykreslené makro lze zp�ístupnit skrz seznam historie. Zde je �ádek po �ádku makro zkopírováno a uživatel m�že �ádky upravit dle svého uvážení. Makra se starají o vykreslování nulových velikostí, tzn. že opakováním procesu skrz historie nenastane žádný problém s hlášením nulových hodnot pro vykreslované objekty.

Rezonátory jsou zde vytvo�eny v t�chto tvarech:

• hladký – Straight resonator

• klobouk – Hat resonator

• h�ib - Mushroom resonator

Modely navazujících prvk�:

• Induktivní navázání smy�kou, p�ímá vazba – input inductive

• Kapacitní navázání ter�íkem – input capacitive

Modely vazebních prvk� mezi rezonátory:

• Vnit�ní vazba okénkem a hranolkem – inner inductive

• Vnit�ní vazba kapacitní sondou – inner capacitive

Cesta k makr�m se nachází v adresá�i, kde je nainstalováno CST, v podadresá�i \library\macros\coaxial_filter; viz obr. 4.1. Uživatel je musí ru�n� nakopírovat p�ed spušt�ním CST, a nebo v nástrojové lišt� CST MWS v položce Macros vyvolá nabídku Set global library paths. Zde posta�í vybrat adresá� s makry, kliknout na tla�ítko OK a makra jsou p�ipravena k použití.

16

Obrázek 4.1: Adresá�e maker

Obsah jednotlivých adresá��:

• data;

o alfy; textový soubor s názvy materiál� a jejich teplotním koeficientem. Lichý �ádek je název materiálu a sudý �ádek hodnota.

o uložené poslední hodnoty ve tvaru tvar rezonátoru_typ makra

• pics; obrázky se schématy ve formátu BMP. Tvar soubor� je tvar rezonátoru_typ makra

• Critical_frequency a jeho podadresá�e obsahují makra model� hladky.mcs, klob.mcs a hrib.mcs

tvar rezonátoru hladky, klob, hrib

typ makra „o“ pro vazbu vnit�ní induktivní „t“ pro vazbu vnit�ní kapacitní „d“ pro navázání induktivní „k“ pro navázáni kapacitní

Makra pro teplotní modely nemají p�ívlastek.

Volání maker probíhá p�es programovou nabídku Macros. Zde jsou makra pod položkou coaxial_filter k dispozici.

Globáln� jsou nastaveny jednotky pro frekvenci v megahertzích – Mhz, teplota je ve stupních Celsia – °C, �as v pikosekundách – ps a m��ítko velikosti v milimetrech – mm. Hodnoty pro úhly ohybu se zadávají ve stupních a hodnoty teplotní roztažnosti odporu v miliontinách � – ppm.

Makra vyprodukují komponentu s názvem typu rezonátoru a typu makra. Komponenty bez p�ívlastku jsou pro teplotní makra. Tyto komponenty sdružují jednotlivé �ásti modelu, se kterými lze manipulovat. Popsány jsou detailn� v sekcích maker.

Potvrzením makra se stávající komponenta vytvo�ená týmž makrem nahradí nov� vytvo�enou. Spušt�ním každého makra se upraví pr�hlednost materiálu vakua na hodnotu 45.

17

Nulové hodnoty prom�nných se nedoporu�ují. Až na výjimky, popsané níže, vyvolá CST výstražnou zprávu a makro se zastaví. To samé platí pro hodnoty záporné.

V adresá�i data se nachází hodnoty uložené z posledního provedeného makra. P�i každém potvrzení makra se hodnoty uloží. P�i op�tovném spušt�ní makra se jeho dialogové okno otev�e s t�mito hodnotami.

P�i vytvá�ení rezonátoru ve tvaru klobouku lze vytvo�it i hladký rezonátor. To lze provést bu� zadáním nulové hodnoty „Dklob“ a nebo hodnotu z „Drez“ zkopírovat do kolonky „Dklob“.

Dialogová okna maker jsou rozd�lena do t�í �ástí. Nalevo se zadávají hodnoty pro model rezonátoru, uprost�ed je schéma modelu a napravo se zadávají údaje pro navazující komponenty nebo teplotní roztažnost materiál�, z kterých je rezonátor složen. Velikost dutiny lze m�nit od hranatého tvoru po ryze eliptický tvar.

18

4.1 Teplotní modely rezonátor�

Na obr 4.2 je zobrazeno dialogové okno teplotn� závislého rezonátoru. V �ásti „Rezonátor“ jsou pole pro vypln�ní t�la rezonátoru. �ást „Alfy v ppm...“ slouží pro zadání teplotní roztažnosti odporu bu� zadáním do kolonky, nebo vybráním z rozbalovacího menu. Hodnota z rozbalovacího menu se p�epíše do p�íslušné kolonky nalevo. Teplota, p�i níž je teplotní roztažnost nulová, je 25°C.

Komponenta je rozd�lena na �ástí baze, dutina, polstar, rezonator a sroub.

Obrázek 4.2 Dialog teplotn� závislého rezonátoru

4.2 Externí navázání

V �ásti „Rezonátor“ jsou pole pro vypln�ní t�la rezonátoru. �ásti napravo od schématu slouží pro parametry navazujícího �lenu. K portu modelu je p�idán port CST s názvem „port1“. Navázání je provedeno induk�n� – obr. 4.3 nebo kapacitn� – obr. 4.4.

4.2.1 Induktivní navázání drátem Je t�eba dávat pozor na výšku Hodb a Hport, kv�li kolen�m. Jsou dv� a tedy

minimální rozdíl mezi Hodb a Hport je Ddrat. Výjimkou je požadavek p�ímého

19

navázání.

Komponenta je rozd�lena na �ásti dutina, polstar, rezonator, sroub a inwire.

Obrázek 4.3 Dialog rezonátoru navázaného drátem

Hport bude-li rovno nule, port se naváže z podstavy dutiny

Hodb bude-li rovno nule, drát se naváže na podstavu dutiny

Sodbo bude-li rovno nule, drát bude navázán, se st�edem ve své ose, na rezonátor s posunutím v ose y velikostí sin(Uhel_odb)*Drez/2

Uhel_od úhel v jednotkách stup�� se zadává v intervalu ±<90°;270°>

Rohyb rádius se zadává jako velikost úse�ky nad níž bude kruhový ohyb. V p�ípad� kolmého úhlu drátu se jedná o polom�r jeho tloušky.

Je-li pot�eba p�ímé navázání bez kolen, sta�í zadat Sodbo= 0 nebo Hport= Hodb.

Po potvrzení se m�že vyskytnout varovné hlášení: "Moc velký nebo malý úhel drátu. Interval je +/-<90;270>", tím bude úhel nastaven automaticky na 90 stup��.

4.2.2 Kapacitní navázání ter�íkem Komponenta je rozd�lena na �ásti dutina, polstar, rezonator, sroub, inwire a terc.

20

Obrázek 4.4 Dialog rezonátoru navázaného ter�íkem

K odstran�ní ter�íku slouží prom�nná Tterc nebo Dterc zadané následujícími parametry:

Tterc bude-li rovno nule, zaoblí se vn�jší hrana d�íku sm�rem k rezonátoru

Dterc bude-li menší nebo rovno Ddrik, Tterc bude roven 0 a zaoblí se jenom vn�jší hrana d�íku sm�rem k rezonátoru.

4.3 Interní vazba

V �ásti „Rezonátor“ jsou pole pro vypln�ní t�la rezonátoru. �ásti napravo od schématu slouží pro objekty spojující dutiny. Vazba je op�t induktivní obr 4.5 nebo kapacitní obr 4.6. V návrhu vazeb jsou oba rezonátory totožné.

4.3.1 Induktivní interní vazba okénkem Komponenta je rozd�lena na �ásti dutina, polstar, polstar_1, rezonator,

rezonator_1, sroub, sroub_1, spodni_kostka, vrchni_kostka. �ást vrchni_kostka je vazební šroub snižující elektrickou vazbu a �ást spodni_kostka je kovový hranolek-trámek snižující vazbu magnetickou. Tato vazba postihuje široké možnosti svázání. Lze ji použít pro tvorbu jednoho vrchního okénka, spodního okénka nebo p�idáním hranolku. Kombinace lze r�zn� kombinovat.

21

Obrázek 4.5: Dialog rezonátor� svázaných okénkem

Pro zrušení trámku posta�í zadat 0 pro jednu z prom�nných: Wprep, Ltram, Htram. Zrušení p�epážek se provede zadáním 0 do HHprep a HDprep.

22

4.3.2 Kapacitní interní vazba ty�inkou V �ásti „Rezonátor“ je prom�nná „Epsilon“, do které se zadává relativní

permitivita plexiskla nesoucí d�ík s ter�íkem. Komponenta je rozd�lena na �ásti dutina, polstar, polstar_1, rezonátor, rezonator_1, sroub, sroub_1, vrchni_kostka, tycinka a plexi.

Obrázek 4.6: Dialog rezonátor� svázaných ter�íkem

Zrušení p�epážek se provede zadáním 0 do HHprep a HDprep. K odstran�ní ter�íku slouží prom�nná Tterc nebo Dterc a lze je zadat následujícím zp�sobem:

Tterc bude-li rovno nule, zaoblí se vn�jší hrana d�íku sm�rem k rezonátoru

Dterc bude-li menší nebo rovno Ddrik, Tterc bude roven 0 a zaoblí se jenom vn�jší hrana d�íku sm�rem k rezonátoru.

23

5 TVORBA KOMPLEXNÍCH STRUKTUR Návrh a úprava struktury se provádí spušt�ním makra Topology. Obslužné makro nejprve spustí program cavity.exe a posléze vykreslí a na�te veškeré parametry a struktury v tomto programu zadané. Program byl tvo�en z d�vodu absence uživatelsky p�ijatelného rozhraní maker-dialog�, skrz které uživatel komunikuje s CST. Po�ínaje spušt�ním a dokon�ením jakéhokoli makra kon�e není možno do CST p�istupovat. Program je napsán v jazyce Object Pascal pro aplika�ní prost�edí win32 (tvo�en pod Windows XP SP3 �eská verze) a je volán z maker.

5.1 Ovládání programu

Spušt�ním makra se objeví okno programu s následujícím uspo�ádáním (obr. 5.1). Dále je t�eba podotknout, že program nehlídá, co uživatel zadá. Veškeré parametry a návrhy vykresleny tak, jak jsou nadefinovány.

Obrázek 5.1 Uspo�ádání programu a záložka Design

Základním prvkem návrhu je pracovní prostor, který sestává z �erných kruh� (2). Tuto topologii kruh� lze m�nit b�hem návrhu na �tvercovou nebo do tvaru rovnoramenného trojúhelníku (obr. 5.2). To vše lze provést vybráním typu topologie v kolonce Topology (4).

24

Obrázek 5.2 Zm�na topologie

Následný návrh se p�ekreslí do CST MWS pracovního prostoru dle orientace os (3). Tato orientace je totožná jak v CST MWS tak v programu, uživatel má tedy stejnou perspektivu p�i návrhu v CST MWS i programu. Polohu pracovní plochy lze považovat v ose Z rovnou nule a vektorem kolmo vzh�ru. V seznamu ozna�eném (7) se uchovávají vazby mezi dutinami a v seznamu (8) sou�adnice jednotlivých dutin. Pomocí šipek (6) lze m�nit �íslování dutin. Tla�ítkem Delete (9) se maže vybraná vazba. Nastavení dutiny a rezonátoru lze provést kliknutím na pat�i�nou záložku v nástrojové lišt� (1).

Záložka Cavity (obr 5.3) v sob� skrývá polí�ka pro ur�ení parametr� dutiny a nákres, ve kterém jsou tyto parametry definovány. Lze tedy p�ehledn� vid�t, jak který parametr ovliv�uje dutinu.

Obrázek 5.3 Záložka Cavity

Poslední záložka (obr 5.4) ur�uje typ a tvar rezonátoru. Je zde obsažena roletka, ve které je možno vybrat typ rezonátoru. Dle vybrání se zobrazí i pat�i�ný nákres. R�zné

25

parametry náleží r�znému typu rezonátoru. Z toho d�vodu se n�které parametry po pravé stran� vy�adí. Nelze tedy do nich zadávat hodnoty a tento stav je indikován zašedlým polí�kem.

Obrázek 5.4 Záložka Resonator

Program cavity.exe spolu s makrem Topology.mcs je uložen v adresá�i coaxial_filter. Pot�ebnou komponentou je i knihovna smoothC.bas uložená v tomtéž adresá�i. Pro komunikaci mezi programem a CST je používán soubor cavity, vkládaný do téhož adresá�e. Ten obsahuje veškeré informace o filtru v textové form� a je mazán pokud:

a) program byl ukon�en tla�ítkem Cancel;

b) makro provedlo veškeré operace úsp�šn�.

Z toho plyne mít dostate�ná oprávn�ní pro zápis soubor� do adresá�e coaxial_filter i s podadresá�i. Dále se v adresá�i data ukládají informace o posledním pr�b�hu tvorby filtru pod souborem cavity.ini. Jedná se o textové informace o rezonátoru, dutin� a vazbách. Z toho plyne uložení veškerých zadaných parametr� pro tyto struktury a jejich následné užití p�i dalším spušt�ní makra.

5.2 Návrh filtru

Na za�átku všeho je pot�eba definovat samotný rezonátor. Pro celou topologii filtru je použit pouze jeden typ v jedné dutin�. Vstoupí se tedy do záložky Resonator a zde se vybere typ rezonátoru (obr. 5.5). Vybráním se zm�ní nákres a vy�adí/povolí parametry napravo. Nepoužitelné parametry tedy zešednou, a nelze do nich nic zapisovat.

26

Obrázek 5.5 Vybrání typu rezonátoru

Veškeré parametry se zadávají podobn� jako v prost�edí CST. Je-li nap�íklad prom�nná prom definovaná v globálních parametrech (je zobrazena v seznamu parametr�), m�že se napsat do kolonky výraz typu: „3+prom“. Lze tak zapsat jakoukoli matematickou formuli, která je podporována CST a lze ji užít pro práci s globálními parametry. Naopak nelze zapsat neznámou prom�nnou a �ekat, že se zobrazí dialogové okno, jenž poslouží pro zadání její hodnoty. Veškeré parametry se musí vyplnit, v opa�ném p�ípad� CST zobrazí varovnou hlášku.

V dalším kroku je t�eba nadefinovat dutinu. To se provede v záložce Cavity. Parametry se zapíšou do p�íslušných kolonek. Je zde taky d�ležitý parametr Ldut, což je vzdálenost mezi dutinami.

Na konci toho �et�zce je samotná definice filtru a jeho topologie. To se provádí v záložce Design. Dop�edu je t�eba v�d�t, kde za�ít, protože prostor pro práci je ohrani�en maximální velikostí 10 dutin v horizontálním a 8 dutin ve vertikálním sm�ru. Pro po�ádek 10 v ose x a 8 v ose y tedy pro filtr s 78 dutinami a vstupním/výstupním navázáním. Tvorba filtru se zapo�ne výb�rem kruhu, ve kterém zamýšlený rezonátor s dutinou bude. Vybraný kruh se zobrazí vyšrafovaný šedou barvou. Pro pot�eby ur�ení vazby je pot�eba kruhy vybrat dva (obr. 5.6). Pokud se vybere tentýž kruh, ukáže se hláška v seznamu vazeb. Vybráním dvou kruh� alias dutin, zobrazí se kontextová nabídka s nabídkou interních a navazujících vazeb (obr. 5.6).

Obrázek 5.6 Výb�r dutin a vazby

27

Vybráním vazby se otev�e okno k ní p�íslušné. D�lení vazeb je následující:

• vnit�ní

o induk�ní – inner inductive(obr 5.7)

o kapacitní – inner capacitive(obr 5.8)

• vn�jší

o induk�ní – input inductive (obr 5.9)

o kapacitní – input capacitive (obr 5.10)

V parametrech se objevuje parametr Ldut, který je zde orienta�n�. Hodnota se m�že m�nit v záložce Cavity a je stejná pro celý filtr. Dutiny mezi st�edy jsou od sebe vzdáleny stejn�.

Obrázek 5.7 Vnit�ní induk�ní vazba

28

Obrázek 5.8 Vnit�ní kapacitní vazba

Obrázek 5.9 Vn�jší navázání kapacitou

29

Obrázek 5.10 Vn�jší navázání indukcí

Veškeré vazby mají stejné vlastnosti jako vazby popsané v oddíle 4. P�ijmutí parametr� pro vazbu je t�eba odsouhlasit tla�ítkem OK v pravé dolní �ásti. Parametry vazby a dutin, tedy jejich pozic, se vloží do seznam� napravo od pracovního prostoru. Dále je vazba znázorn�na v pracovním prostoru dle svého typu bud jako jedna �ára (induk�ní) a nebo jako dv� �áry (kapacitní) (obr. 5.11). Podobn� je znázorn�no i navázání, to je �ást, kde se nachází port CST do struktury. Induk�ní navázání je jeden plný �erný kruh a kapacitní sestává z jednoho kruhu, kolem n�hož je kružnice (obr. 5.11). Pro p�ehlednost, dv� �áry znamenají kapacitu, jedna �ára znamená indukci.

Obrázek 5.11 Znázorn�ní vazeb v pracovním prostoru

30

Specifikum pro vstupní navázání je takové, že tvorba probíhá tažením vazby ven ze struktury. První je t�eba ozna�it dutinu, do které bude dáno navázání, a teprve posléze lze vybrat místo, kde bude port. Toho se dá využít práv� pro nato�ení portu, protože ten je vždy na dutin� rezonátoru. Veškeré polohy vazeb, jak jsou vid�t na pracovní ploše, budou i ve skute�nosti v prost�edí CST.

Vytvo�ené vazby, respektive sou�adnice dutin z nich vytvo�ených v po�adí x1, x2, y1, y2, v, lze vid�t v levém seznamu (obr. 5.13). Zde x1 a y1 jsou sou�adnice první dutiny, x2 a y2 sou�adnice druhé dutiny, v zna�í vazbu i-induktivní a c-kapacitní. Veškeré dutiny použité k tvorb� vazeb jsou uloženy v seznamu napravo se svými sou�adnicemi x, y (obr. 5.13). Díky takto rozd�lenému seznamu vazeb a dutin je snadné upravovat návrh filtru. Úpravami se rozumí zm�na �ísla dutiny a mazání vazeb.

Ozna�ením vazby v seznamu se vazba (propojené dutiny) ozna�í v pracovním prostoru horizontálním šrafováním �ervené barvy (obr. 5.12). Takto vybranou vazbu lze odstranit tla�ítkem smaž pod seznamem (obr. 5.12). Nebudou-li na dutiny ur�ující vazbu navázány další dutiny, tyto dutiny budou smazány také. Smazáním dutin se resetuje �íslování. To je pot�eba u mazání uvážit a zkontrolovat, pop�ípad� provést úpravy.

Obrázek 5.12 Ozna�ení vazby nebo dutiny ze seznamu

Zm�na �ísla dutiny se provádí ozna�ením dutiny v seznamu a posunutím tla�ítkem šipky nahoru nebo dol� (obr. 5.13). Dutina si vym�ní místo v seznamu o jednu pozici a tím i svoje �íslo. �íslování dutin za�íná od nuly a zm�na se provede okamžitým p�ekreslením dutin.

31

Obrázek 5.13 Seznamy vazeb (vlevo) a dutin (vpravo)

Zelená �ísla v kruzích jsou pot�ebné ozna�ení pro vazby. Jelikož se nadále z modelu budou využívat parametrické prom�nné pro optimalizaci, je pot�eba tyto parametry ozna�it. Parametr vazebního �lenu tedy bude navíc dopln�n o informaci, mezi kterými dutinami se nachází; nap�íklad HDprep_1_2.

32

6 MODELY FILTR� Makro díky programu vykreslí navržený filtr do CST MWS i CST DS. P�íkladem budiž sedmi-stup�ový filtr (obr. 6.1). Jednotlivé komponenty jsou pojmenovány dle volného jména, které samotné CST uvádí. Pojmenování je tedy component1, component2, ..atd. Jelikož se po�ítá s tím, že filtr bude i samotným projektem, není vhodné vykreslovat jiné uživatelem definované struktury skrz globální parametry, které by mohly mít shodné názvy s parametry obsažené v definovaném filtru. Na vstupy a ladící kolíky filtru jednotlivých rezonátor� je navázán diskrétní port. Je tažen skrz celý objem díl�í komponenty polstar a navazujících dutin, které znázor�ují p�ípojný konektor. Na vstup i výstup filtru je p�ipojen normální port. Diskrétní porty na vstupech jsou zde pro optimalizaci vstupního navázání. Na velikosti diskrétního portu na vstupu a výstupu nezáleží, tj. m�že se stát že bude p�ekrývat t�lo rezonátoru a být r�zn� nato�en. Tyto porty jsou zde jen pro up�esn�ní vazeb v CST DS a jsou tvo�eny jako poslední, mají nejvyšší �ísla. Makra také vkládají materiál s názvem plexi, má zelenou barvu a hodnotu permitivity zadanou uživatelem. Upravuje taky pr�hlednost materiálu vacuum. Jednotky jsou m�n�ny dle p�edpisu v oddíle 4. Parametry jsou pojmenovány dle komponenty,místem kam se váže a názvem parametru, nap�íklad component1_2_Wtram. Parametry jsou tak od sebe odlišeny a je z�ejmé kam pat�í.

První vykreslená komponenta (je-li vytvo�en nový projekt, jedná se o component1) obsahuje �ást cavity, která spojuje dohromady veškerý volný prostor, tedy vacuum. �ást cavity je slou�ena dohromady o�ezáním, tj. vazby na dutiny p�iléhají. Ud�láno je tak z d�vodu špatného meshování p�i úplném spojení všech vazeb i dutin do jednoho celku cavity.

33

Obrázek 6.1 Navržený sedmistup�ový filtr

Díky port�m je schopno CST DS propojit rezonátory ladící kapacitou a vytvo�it tak prostor pro optimalizaci filtru. Hrubý model pro optimalizaci v CST DS je vid�t na obr. 6.2. Kondenzátory mezi dutinami jsou vazební a jsou ozna�eny Cv plus �ísly, mezi kterými dutinami jsou vložené, tedy nap�íklad Cv23. Po�ítá se s filtrem do desíti dutin. Dutiny jsou k zemi p�ivedeny kondenzátory s ozna�ením C plus �ísla dutiny. Externí navázání je provedeno s kondenzátory ozna�ené Cex.

Obrázek 6.2 Hrubý model sedmistup�ového filtru

Uživatel takto vytvo�ené modely m�že rovnou simulovat. Pro pot�eby jemn�jší vykreslení pole jsou vytvo�eny polštá�e, pojmenovány v komponent� jako polstar. V t�chto místech je diskretiza�ní m�ížka zjemn�na. Na obr. 6.2 je návrh sedmistup�ového filtru v programu.

34

Obrázek 6.2 Návrh filtru užitím programu

35

7 METODA TSM Metoda vyžaduje hrubý a jemný model filtru. Jemný model je vytvo�en v CST MWS a obsahuje veškeré parametry a rozm�ry z kterých je tento filtr stvo�en. Hrubý model, též ozna�ován jako ladící model je vytvo�en v prost�edí CST DS a je vytvo�en p�idáním klasických obvodových prvk� (kapacitory, induktory, vázaná vedení atd.) do struktury jemného modelu. T�mito obvodovými prvky, které jsou p�idány do struktury jemného modelu pomocí speciálních diskrétních port�, je hrubý model lad�n. [7]. Koncept TSM je znázorn�n na obr. 7.1

Simulováním modelu, které makra vytvo�ila v CST MWS, se v CST DS vytvo�í v bloku filtru s-parametry. Na tyto parametry, ozna�ené v DS porty, se p�ipojí obvodové prvky. Pro lepší shodu se skute�ným m��ením a tedy i odezvou jsou to kondenzátory. Filtr lze následn� optimalizovat, veškeré parametry jsou totiž v CST provázané.

Obrázek 7.1 Koncept TSM a hrubého modelu (p�evzato z [7])

36

ZÁV�R Byla popsány základní principy koaxiálních filtr� a jejich vazeb. Popsáním situace 3D elektromagnetických simulátor� bylo vybráno CST Studio Suite jako program pro tvorbu koaxiálních filtr�. Pro komplikované prost�edí CST byly navržena knihovna základních stavebních prvk� koaxiálních filtr� a nástavba CST, pomáhající vytvo�it složité topologie. Modely obsažené v knihovn� jsou rezonátory typu hladký, h�ib a klobouk. Vazby mezi rezonátory byly vytvo�eny také a jedná se o interní a navazující vazby indukcí a kapacitou. Následn� byly rezonátory provázány do ucelených koaxiálních filtr� typu triplet, qadruplet a quituplet. Pomocným prost�edkem byla nástavba, program vytvo�ený v jazyku Object Pascal. Tento program umož�uje návrh i složit�jších struktur a je schopen vytvo�it celý filtr. Model z programu je následn� p�edán skrz makra do CST Microwave Studia jako jemný model a CST Design Studia jako model hrubý. Tyto modely jsou pln� funk�ní a lze je použít pro optimalizaci.

Tento návrh je schopen obstát v koncepci Virtual Prototypingu a díky optimaliza�ní rutin� Tuning-Space mapping popsané v [2] a použitím model� v CST MWS a CST DS této práce snížit dobu návrh prototypu filtru na zlomek procent p�vodního �asu návrhu a tím i �ástky k tomu ur�ené. Nesporné obrovské ušet�ení �asu je použití nástavbového programu pro CST.

Veškeré zdrojové kódy jsou p�iloženy na datovém nosi�i.

37

LITERATURA [1] HAGENSEN, M., Narrowband Microwave Bandpass Filter Design by Coupling Matrix

Synthesi. Microwave Journal.Vol. 53, Number 4, Page 218, April 2010. Dostupný na WWW: <http://www.mwjournal.com>

[2] WOLANSKÝ, D. Optimalizace koaxiálních filtr� metodou Tuning-Space Mapping v CST. Brno: Vysoké u�ení technické v Brn�, Fakulta elektrotechniky a komunika�ních technologií. Ústav radioelektroniky, 2010. 62 s.

[3] YU, M., PANARIELLO, A., ISMAIL, M., ZHENG, J., 3-D EM Simulator for Passive Devices: IEEE Microwave Magazíne, Volume 9, Number 6, December 2008. ISSN 1527-3342

[4] HANUS Stanislav, SVA�INA Ji�í, Vysokofrekven�ní a mikrovlnná technika, Brno: FEKT VUT v Brn�, 2002

[5] HAGENSEN, M., Narrowband Microwave Bandpass Filter Design by Coupling Matrix Synthesi. Microwave Journal.Vol. 53, Number 4, Page 218, April 2010. Dostupný na WWW: <http://www.mwjournal.com>

[6] THOMAS, J. B. Cross coupling in coaxial cavities filters: Overview tutorial, Microwave Theory and Techniques, IEEE Vol. 51, Issues 4, 1368-1376, Apr 2003. ISSN 0018-9480

[7] TEMLÍK, P. Optimalizace. Univerzita Tomáše Bati ve Zlín� Fakulta technologická, 2005. 38 s., 9 p�íl.

38

SEZNAM SYMBOL�, VELI�IN A ZKRATEK

TSM Tuning-Space Mapping

CST CST Studio Suite 2009

CST MWS CST Microwave Studio

CST DS CST Design Studio

EM elektromagnetický

FEM metoda kone�ných prvk�

FDTD metoda kone�ných diferencí v �asové oblasti

Q0 �initel jakosti nezatížené dutiny

Qext �initel dutiny použitím externího navázání

TEM elektromagnetický vid

f0, TEMf0 rezonan�ní kmito�et

�f vazební ší�ka pásma

dBf3∆ pásmo pro pokles o 3 dB

BW ší�ka pásma filtru

TZ transmission zero – nulový p�enos

0λ , TEM0λ kritická vlnová délka

0l délka vniku vodi�e

k,M12 vazba

ZV modul vazební impedance

Z1, Z2 moduly impedance primárního a sekundárního obvodu