[Turgenev 1]

Замоделил фильтр на коаксильных резонаторах, получил желаемую характеристику. Заказал изготовление фильтра. После измерения готового фильтра выяснилось, что частота ушла на 70 МГц вниз:

Скрытый текст

Зеленым реально измеренный фильтр.

Оранжевым отмоделированный фильтр с S-параметрами конденсаторов связи.

Коричневым отмоделированный фильтр с идеальными конденсаторами связи.

Есть несколько отличий модели от реального фильтра, на которые пришлось пойти, чтобы хоть как-то оценить получившийся фильтр. По-моему эти изменения должны были оказать влияние только на полосу фильтра и его потери и совсем не значительное влияние на уход центральной частоты. Но это "по-моему".

Отличия следующие:

1. Были установлены подстроечные сапфировые конденсаторы на внутренние резонаторы. Уход частоты при измерениях до/после их установки составил около 10 МГц при минимальном значении емкости этих конденсаторов.   

2. Центральный конденсатор связи сборный- 2 по 0.2pF соединенных последовательно, чтобы получить 0.1pF. Эта конструкция была учтена в модели.

3. Вход/выход фильтра переделан для установки в плату при помощи поверхностного монтажа (фото). Для оценки фильтра были припаяны сма разъемы.

 

Незначительный уход полосы можно понять- не идеальный монтаж, не идеальные компоненты, установка сапфировых конденсаторов. Но чтобы получить желаемую центральную частоту, то есть сдвинуть модель на 70 МГц вверх (чтобы получить параметры модели с S-параметрами конденсаторов(оранжевый цвет)), надо укоротить резонаторы с 6.3 мм до 5.8 мм. Модель уточнил как мог и все равно не могу понять ошибся ли я при моделировании или это влияние отличий сборки реального фильтра от модели?

Фото модели:

Скрытый текст

Фото реального фильтра:

Скрытый текст

На всякий случай архив с проектом.

[Freesom 16]

отличное попадание! А заранее частоту уединенного резонатора меряли?

[Turgenev 1]

13 часов назад, Freesom сказал:

А заранее частоту уединенного резонатора меряли?

Нет, оснастки нет. Все что было возможно это просто засунуть в центр резонатора проволочку и ею же в центральный пин ВЧ разъема анализатора цепей, но точностью такой метод не отличается, посему не стал. По срокам гнали даже не подумал о том, чтобы заказать оснастку, чтобы измерить один резонатор. Это я зря. 

Скорее всего резонансная частота модели отдельного резонатора не будет соответствовать реальности, раз такой большой разброс. Как еще можно уточнить модель?

[Freesom 16]

2 hours ago, Turgenev said:

Как еще можно уточнить модель?

Да как ни уточняй, частота стоит как влитая. очевидно же, что она определяется банками. Надо было померять резонатор - уточнить материальные параметры, потом пилить. В принципе выяснить ε можно и сейчас, если есть померянный .s2p и точно такая геометрия как в модели - запустить оптимизатор CST на подбор ε для минимизации отклонения от померянной характеристики.

Изменено 16 марта, 2021 пользователем Freesom

[Aner 4]

У меня была аналогичная проблема, но с антенной. Вниз ушла частота на 50...70 мгц ( main F 2.45Ghz ) в реалии. Проблема была в неточном ε и понимании анизотропии материала, он был там разный в реали. 

[Prostograf 0]

Вы подстроечные емкости ставите в параллель резонаторам, чтобы АЧХ  подстроить? Так?

После того ка вы налепили подстроечные у вас добавилась  емкость на землю, получается вы уже уменьшаете резонансную частоту, чтобы подстроить фильтр.

Вам необходимо убрать подстроечные конденсаторы и спиливанием бормашинкой металлизации у открытого конца резонатора подстроить фильтр.

Подстроечники здесь вообще не нужны, они частоту вниз тянут.

 

Атак конечно у вас ушла частота из-за разброса эпсилон у изготавливаемых резонаторов.

 

 

[Turgenev 1]

16.03.2021 в 10:42, Freesom сказал:

Да как ни уточняй, частота стоит как влитая. очевидно же, что она определяется банками. Надо было померять резонатор - уточнить материальные параметры, потом пилить. В принципе выяснить ε можно и сейчас, если есть померянный .s2p и точно такая геометрия как в модели - запустить оптимизатор CST на подбор ε для минимизации отклонения от померянной характеристики.

 

16.03.2021 в 10:49, Aner сказал:

Проблема была в неточном ε и понимании анизотропии материала, он был там разный в реали. 

 

16.03.2021 в 13:43, Prostograf сказал:

Атак конечно у вас ушла частота из-за разброса эпсилон у изготавливаемых резонаторов.

 

Ну да, после получасовой беседы с инженером от фирмы производителя резонаторов пришли приблизительно к тому же- диэл.прониц. не идеально 40 (или сколько бы там ни было заявлено) и надо отталкиваться от резонансной частоты отпиленного резонатора, а не от длины. Надо мне больше на мир реальный ориентироваться))

16.03.2021 в 13:43, Prostograf сказал:

После того ка вы налепили подстроечные у вас добавилась  емкость на землю, получается вы уже уменьшаете резонансную частоту, чтобы подстроить фильтр.

Да, основное назначение подстроечников это смещать центральную частоту, но так же я ими выравниваю передаточную характеристику- полку полосы пропускания там поровнее сделать, запирание посимметричнее.

16.03.2021 в 13:43, Prostograf сказал:

Вам необходимо убрать подстроечные конденсаторы и спиливанием бормашинкой металлизации у открытого конца резонатора подстроить фильтр.

Читал об этом, но не рисковал пробовать, так как именно этих резонаторов впритык. Раз вы советуете все же именно так подстраивать, то хотелось бы уточнить, достаточно ли убирать металлизацию только сверху, а не по периметру резонатора, чтобы не выпаивать их?

Если это так, то, из вашего опыта, приблизительно насколько больше надо зачищать металлизации, по сравнению с полным укорочением резонатора? Просто думаю, если надо укоротить весь резонатор на 0.3мм, то это не будет равносильно зачистке металлизации с одной грани на 0.3мм*4 стороны резонатора=1.2мм.

 

15.03.2021 в 18:10, Freesom сказал:

А заранее частоту уединенного резонатора меряли?

Как ищут резонансную частоту резонатора в CST? Читал в интернете, что находят моды солвером eigenmode. Вытащил из модели фильтра один резонатор и настроил солвер, как в примере CST "Resonator Square". Он посчитал мне моду на 3.95ГГц, приблизительно в 2 раза больше расчетной резонансной частоты.

Скрытый текст

  Расчетная резонансная частота 1.976 ГГц для длины резонатора 6мм.

Скрытый текст

На всякий случай проект.

 

По поводу случая, когда придется пилить самому резонаторы и измерять резонансную частоту получившегося резонатора:

Лучше, чем вкрутить SMA-KF3 в ВАЦ я не придумал.

Скрытый текст

 

На фото резонатор длиной 6.3мм. Расчетный резонанс 1.882ГГц, измеренный резонанс таким методом составил 1.87087ГГц. Осталось заказать у производителя резонатор на конкретную частоту и сверится, чтобы понять насколько такой метод измерения "на коленках" актуален. 

Но может кто-то сталкивался с такой проблемой, когда надо измерить резонанс отдельного резонатора и специального оборудования нет, но есть способ получше чем к разъему прислонять?

 

[Prostograf 0]

44 minutes ago, Turgenev said:

Читал об этом, но не рисковал пробовать, так как именно этих резонаторов впритык. Раз вы советуете все же именно так подстраивать, то хотелось бы уточнить, достаточно ли убирать металлизацию только сверху, а не по периметру резонатора, чтобы не выпаивать их?

Если это так, то, из вашего опыта, приблизительно насколько больше надо зачищать металлизации, по сравнению с полным укорочением резонатора? Просто думаю, если надо укоротить весь резонатор на 0.3мм, то это не будет равносильно зачистке металлизации с одной грани на 0.3мм*4 стороны резонатора=1.2мм.

Металлизацию достаточно снимать только сверху... Так как вам помогли подстроечники выровнить АЧХ, то у вас центральные резонаторы настроены выше, чем крайние... поэтому начинать надо пытаться с крайних резонаторов...

Еще раз отмечу выпаивать не надо резонаторы... стачиваете только сверху.. думаю вам придется сточить не больше 1 мм... но все это надо делать аккуратненько... следя за АЧХ. В принципе можно только подстройкой резонаторов добиться нужной АЧХ и тогда не надо будет лепить подстроечники… еще раз вам придется стачивать аккуратно следя за АЧХ... первый экземпляр скорее всего испортите, зато прочувствуете как ведет себя АЧХ в зависимости от того какой резонатор стачиваете... а вот на втором экземпляре все получится.

Более того, если перепаивать резонаторы то АЧХ будет меняться... это в модели у вас резонаторы четко стоят на своих местах, в реальной плате чуть ближе запаяете резонатор к микрополоску, чуть дальше картина АЧХ будет меняться....

[Turgenev 1]

18.03.2021 в 15:49, Turgenev сказал:

Как ищут резонансную частоту резонатора в CST?

Разобрался. Достаточно было всего лишь пересчитать полученную матрицу S-параметров в матрицу Z-параметров и резонанс становится отчетливо виден. К тому же у меня он совпал с точностью до 3 МГц с расчетной частотой. Думаю что эта разница (в 3МГц) из-за того, что модель в CST учитывает больше факторов, влияющих на резонансную частоту, чем формула.

Скрытый текст

Резонанс можно увидеть и на S-параметрах, но только если увеличить сопротивление порта. Причем, в зависимости от металла, используемого в центре резонатора, при одном и том же сопротивлении порта, уровень резонанса будет варьироваться. Так для серебра у меня более менее максимум получился при сопротивлении порта 10000 Ом, для меди вроде 13кОм и тд.

Скрытый текст

 

[Hale 1]

выше 5 ГГц ни о каких точных номиналах LTCC конденсаторов речи быть не может. а в паяных сборках еще и индуктивности неслабые порождаются на каждой плошадке. везде надо закладывать подстройку. На 2 ГГц японские hi-Q конденсаторы по моему можно смело использовать по паспортным данным. А если используете что-то типа AVX из радиомагазина, х.з.

>полученную матрицу S-параметров в матрицу Z-параметров
ну да, есть такая штука. Какая бы зависимость между компонентами Z, или Y ни была, ноль 11 компоненты - есть ноль. (Y11=Z22/(Z11Z22-Z12Z21) )

 

>не идеально 40
Вы замечали что для подложек иногда пишут bulk-epsilon и эффективную от толщины. Я честно говоря не очень вникал кто что берет за эффективную (за исключением когда пишут 50 ом полосок, что говорит само за себя), но очевидно ограниченная геометрия влияет на параметры пригодные для моделирования.

[Turgenev 1]

10 часов назад, Hale сказал:

выше 5 ГГц ни о каких точных номиналах LTCC конденсаторов речи быть не может

Разбирал фильтр фирмы ECHO на 3 ГГц. У них в качестве конденсаторов связи стоит печатная плата, как вот на этом фото:

Скрытый текст

В теории то все понятно: чем выше частота, тем меньше емкость связи. 200 фФ сосредоточенным элементом не впаять (их и не делают, паразиты при пайке будут иметь большую емкость). Поэтому применяют плату, где дорожки выступают обкладками конденсатора, а диэлектрик платы в качестве диэлектрика конденсатора.

Нет ли аппноута или руководства по разработке подобных конденсаторов? 

Особенно интересен момент моделирования. Измеряют ли емкости при моделировании? Или создают полную 3д модель фильтра и подгоняют зазоры между отрезками металлизации оптимайзером под нужные S-параметры? На что опираться при выборе ширины такой платки и толщины/материала?

[Freesom 16]

4 hours ago, Turgenev said:

Особенно интересен момент моделирования. Измеряют ли емкости при моделировании? Или создают полную 3д модель фильтра и подгоняют зазоры между отрезками металлизации оптимайзером под нужные S-параметры?

Да ясно дело, что там померять не получится. Имея то CST... делаете 3D модель и оптимизатор сам всё вытянет.

 

4 hours ago, Turgenev said:

На что опираться при выборе ширины такой платки и толщины/материала?

материал брать с известными характеристиками, чем меньше сюрпризов - тем лучше. В голове держать анизотропию (привет армированным ламинатам), температурную стабильность, потери, предлагаемую медь, легкость обработки, доступность и т.д. Толщина это компромиссный параметр: потери, излучение, максимально возможный импеданс дорожки обычно диктуют толщину при выбранной диэлектрической проницаемости.

Ну и такой вопрос, почему фильтр именно на этой технологии, а не cavity как в соседней теме, там попасть можно с первой попытки без подстроек при точном производстве, или какой-нить suspended substrate stripline (sss) - там, опять таки упор на точность изготовления платы и корпуса, с этим обычно проблем нет, если не лут-ом клепать, конечно))

Изменено 13 апреля, 2021 пользователем Freesom

[Turgenev 1]

13 часов назад, Freesom сказал:

материал брать с известными характеристиками, чем меньше сюрпризов - тем лучше. В голове держать анизотропию (привет армированным ламинатам), температурную стабильность, потери, предлагаемую медь, легкость обработки, доступность и т.д. Толщина это компромиссный параметр: потери, излучение, максимально возможный импеданс дорожки обычно диктуют толщину при выбранной диэлектрической проницаемости.

У меня даже представления нет к чему стремится. Понятно, что нужен максимально описанный материал, что нужны как можно меньшие потери, более стабильный материал и тд. Но как понять сколько достаточно? Только практикой?

13 часов назад, Freesom сказал:

Да ясно дело, что там померять не получится. Имея то CST... делаете 3D модель и оптимизатор сам всё вытянет.

Как то все же нужно прикинуть достижима ли нужная емкость (или хотя бы порядок емкости) при заданных геометрических размерах. Ведь оптимайзер может не найти размеры, при которых выполняются требования к характеристике фильтра, при заданных границах, потому что это может быть в принципе невозможно. А куда двигать границы не ясно, не прикинув что я имею при заданных границах геом. размеров этой конденсаторной сборки. Или так не парятся и просто запускают оптимайзер на несколько прогонов, постепенно расширяя границы, в пределах которых можно изменять размеры конденсаторов?

14 часов назад, Freesom сказал:

почему фильтр именно на этой технологии, а не cavity как в соседней теме

Решение о технологии фильтра зависело не от меня. Но я думаю выбрали именно керамические коаксиальные резонаторы (ККР), потому что:

1) был опыт у коллег на более низкий частотный диапазон с ККР;

2) изготовить фильтры на ККР по-моему проще, чем фильтр на объемных резонаторах;

3) фильтры на ККР меньше по габаритам.

 

Так же, если у меня будут проблемы с фильтром на ККР, то я сошлифую часть металлизации с резонатора или заменю конденсатор связи. Если у меня будут проблемы с фильтром на объемных резонаторах, то судя по презентации FD3D (ниже в спойлере), мне придется фрезеровать (если это вообще будет возможно) фильтр, что для меня проблематичнее.

Скрытый текст

 

 

[Freesom 16]

24 minutes ago, Turgenev said:

Но как понять сколько достаточно? Только практикой?

Исходя из ТЗ конечно. Известно какой нужен уровень вносимых потерь, диапазон рабочих температур, стойкость к вибрации и т.д. И пока все эти требования выполнены, какая разница что там за материал использован.

26 minutes ago, Turgenev said:

Как то все же нужно прикинуть достижима ли нужная емкость (или хотя бы порядок емкости) при заданных геометрических размерах.

Ну подключите к такому конденсатору 50-омную линию передачи с двух сторон, получаете T-образную цепочку, считаете в CST её матрицу рассеяния, по S-параметрам считаете по простой формуле перехода эквивалентную проводимость, а значит и ёмкость.  Это задача на 3 минуты.

Spoiler

 

41 minutes ago, Turgenev said:

1) был опыт у коллег на более низкий частотный диапазон с ККР;

2) изготовить фильтры на ККР по-моему проще, чем фильтр на объемных резонаторах;

3) фильтры на ККР меньше по габаритам.

1) Значит надо расширять горизонты)

2) Ну как сказать, фильтр на резонаторах - это полость, её характеристика определяется только размерами, т.е. всё что нужно - это точный ЧПУ, часто даже подстройка не нужна по факту. В фильтре на ККР есть ряд неизвестных - материальные свойства керамики, подложки, характеристики сосредоточенных элементов, пайка в конце концов. Я даже не знаю, проще ли такое обмерять и учесть.

3) Ну тут не поспоришь, высокие значения ε имеют свои плюсы. Но можно также взять подложку с ε=80 и жахнуть на ней маленький sss-фильтр))

Spoiler

59 minutes ago, Turgenev said:

Если у меня будут проблемы с фильтром на объемных резонаторах, то судя по презентации FD3D (ниже в спойлере), мне придется фрезеровать (если это вообще будет возможно) фильтр, что для меня проблематичнее.

Да не, там винты настроечные над каждой банкой и элементом связи ставят, а потом с умным видом пытаются настроить фильтр на векторном анализаторе!

[K0nstantin 4]

 

Я думаю, смотреть в сторону материалов фирмы Rogers.

Не знаю, есть ли у вас принципиальная схема, но хотя бы можно глянуть соотношение габариты/максимальную (минимальная ёмкость) И далее определяетесь, есть ли резон заморачиваться.
Если да, то далее в симуляторе как написали. Лучше какой-нибудь схемный, чтобы быстрее оптимизировал, не знаю есть ли такой в CST. Длины сторон обкладок, толщина и материал диэлектрика. Про анизотропию верно заметили. Может, вначале сделать тестовый кандёр, обмерять его отдельно.

Не совсем понял, там батарея конденсаторов или что за структура.
Если нужна малая ёмкость, условные пико- фентофарады скажем, то можете попробовать встречноштырьевой конденсатор.