ДОСЛІДЖЕННЯ ВИРОБНИЧИХ ДОПУСКІВ МІКРОСМУЖКОВИХ ФІЛЬТРІВ НА U-ПОДІБНИХ РЕЗОНАТОРАХ ІЗ ВИКОРИСТАННЯМ ТРИВИМІРНОГО ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

Анотація

Для роботи в діапазоні частот 2,4 ГГц було спроєктовано два фільтри на четвертого порядку U-подібних резонаторах з однаковими електричними характеристиками, але різною шириною смужок резонаторів (1 мм та 2 мм). Процедура проєктування поєднувала аналітичний синтез, повнохвильове електромагнітне моделювання методом скінченних елементів, попередній аналіз чутливості та чисельну оптимізацію із застосуванням алгоритму нелінійного програмування на основі квадратичного лагранжіана. Фізичні прототипи були виготовлені за допомогою лабораторного фотолітографічного процесу та експериментально досліджені з використанням векторного аналізатора кіл. Виміряні S-параметри було порівняно з результатами моделювання для оцінювання впливу практичних обмежень технології виготовлення.

Для оцінювання впливу точності виготовлення було проведено детальний аналіз чутливості шляхом введення контрольованих відхилень ширини резонаторів, довжини резонаторів та зв’язних зазорів від їхніх номінальних значень. Розглянуті відхилення відповідали досяжній точності виготовлення приблизно ±100 мкм. Отримані результати показали, що зв’язні зазори є найбільш критичними геометричними параметрами та спричиняють найбільші зміни коефіцієнта відбиття і характеристик смуги пропускання. Відхилення ширини та довжини резонаторів мали менший, проте все ж помітний вплив на характеристики фільтра. Порівняння виміряних і змодельованих частотних характеристик продемонструвало загалом задовільну відповідність. Виявлені розбіжності можуть бути пояснені похибками геометричних розмірів, що виникають під час виготовлення, а також варіаціями діелектричних властивостей підкладки FR4.

Порівняльний аналіз двох конфігурацій фільтра показав, що збільшення ширини резонатора з 1 мм до 2 мм не забезпечує суттєвого підвищення стійкості до виробничих допусків. Обидві конструкції продемонстрували приблизно однакову чутливість до змін досліджуваних геометричних параметрів. Отримані результати свідчать про те, що компактні та недорогі hairpin-фільтри для діапазону 2,4 ГГц можуть бути успішно реалізовані на підкладках FR4 із використанням низьковартісних технологій виготовлення. Оскільки ширші резонатори не продемонстрували істотних переваг з точки зору стійкості до допусків, доцільним є використання вужчих резонаторів, що забезпечують менші габарити фільтра та більші допустимі зазори між резонаторами.

Ключові слова: фільтр на U-подібних резонаторах, мікросмужковий фільтр, виробничі допуски, повнохвильове електромагнітне моделювання, метод скінченних елементів, підкладка FR4, аналіз чутливості, проєктування мікрохвильових фільтрів.