אנליזה ב- ®COMSOL Multiphysics של פילטרים ספירליים יוצרי תהודה

ביצועים משופרים בצוותא עם הקטנת הגודל מצריכים את הפיתוח של תכנונים חדשים של פילטרים לשימוש במערכות אלחוטיות מתקדמות.
הביקוש ההולך וגובר למערכות אלחוטיות מתקדמות מחייב את ההמצאה של תכנונים חדשים המסוגלים בו זמנית למלא מספר קריטריונים של תפעול וביצוע. ההטמעה של מערכות תמסורת מידע בקנה מידה גבוה מצריכה את הפיתוח של תכנונים חדשניים למסנני גלי מיקרו אשר חייבים להתאים לנפח מופחת בכדי לאפשר אינטגרציה של מספר פילטרים במערכות אלחוטיות קומפקטיות יותר. בנוסף, תדרי passband וגורמי האיכות הספציפיים של הפילטר חייבים להיות מושגים במסגרת האילוצים הגיאומטריים והטופולוגיים של המערכת.
פילטרים ספירליים יוצרי תהודה מציעים אופציה אחת להפחתת הגודל בצורה משמעותית בהשוואה לרזונטורים קונבנציונאליים. מערך של רזונטורים ספירליים יכול להיות מורכב ישירות על מעגל מודפס ובשל תגובתם האופיינית, הרזונטורים יכולים להיות מתוכננים בצורה כזו שיתפסו נפח מינימלי.
בכדי לאפיין את התפעול של מתקנים אלה, משתמשים במבנה מתמטי שנקרא מטריצת פיזור (Scattering matrix – S-matrix), המתארת כיצד אות RF פועל הדדית עם המתקן. האות עשוי להשתקף, לצאת מפורטים אחרים ולהתפזר דרך חום או קרינה אלקטרומגנטית. מטריצת הפיזור מייצגת כל אחד מנתיבי האות הללו. הסדר של המטריצה הוא nxn כאשר n הוא מספר הפורטים שיש במערכת. כך, Sij מייצג את הפיזור של פורט הכניסה j ופורט היציאה i כך ש S11 מתאר את יחס האות המשתקף מפורט 1 עבור כניסה בפורט 1, ו S21 מתאר את התגובה בפורט 2 בעקבות אות בפורט 1.

סימולציה של רזונטור ספירלי
פילטר מיקרוסטריפי קומפקטי (איור 1) המשתמש ברזונטורים ספירליים תוכנן לייצר תדר תהודה של 7.2 GHz. הוכן מודל ב- ®COMSOL Multiphysics (איור 2) בו קו המיקרוסטריפ מיוצג כמוליך חשמלי מושלם (perfect electric conductor – PEC) על תשתית דיאלקטרית, עם PEC נוסף בתחתית התשתית הזו המתפקד כ- ground plane. שני פורטים מקובצים ממודלים כפאות מלבניות קטנות המגשרות על הפער בין פאות ה PEC של ה ground plane והקו המיקרוסטריפי בכל פורט.

אזור קטן של אוויר החסום ע”י גבול מפוזר (scattering boundary – SBC) מתווסף בכדי למנוע השתקפות חוזרת של שדות קרינה וכדי להפחית את הגודל של אזור המידול. המודל כולל את התשתית הדיאלקטרית המוגדרת כנפח עם המקדם הדיאלקטרי המתאים.

התוצאות של הניסוי ושל הסימולציה על פני טווח של תדרים רלוונטיים מוצגות באיור 3, כאשר S11 מגדיר את יחס האות המשתקף מפורט 1 עבור כניסה מפורט 1, בעוד S21 מגדיר את התגובה בפורט 2 בעקבות אות בפורט 1.

תוצאות הסימולציה מתאימות היטב עם מידע הניסויים עבור האותות המשודרים והחוזרים, ומציגות התנגדות תדרים מחוץ להפחתת התדר הרצויה. תדר התהודה הוא 7.2 GHz ורוחב הפס של מסנן עוצר הפס הוא 0.5 GHz (7.1 – 7.6 GHz) עם רמת reference של 10- = | S21 | dB. תחום התנגדות עמוק ( S21 > -50 dB) מתקבל בתדר התהודה עם הפחתה תלולה. מוצג מעביר פס שטוח ( S21 < 1.2 dB ) , דבר המרמז על כך שלתכנון הפילטר הסיפרלי המוצע יש הפסדי כניסה נמוכים משמע מגביל את ההשפעה שלו על אות שמשודר כאשר מתוכלל במעגל חשמלי.

אפשר לראות גם את הנתונים ע”י התפלגות השדה האלקטרי בתדר התהודה ומתחתיו. (איור 4) מתחת לתדר התהודה רמה גבוהה של אות משודרת דרך המתקן. בתדר תהודה של 7.2 GHz רמה גבוהה של אות נחלשת, כלומר מציגה את דרגת סלקטיביות האות שהתפתחה ע”י התכנון של הפילטר.