Simulera och mät din radiokonstruktion: Det finns fällor att gå i. Men vet man vad man gör kan resultatet bli mycket bra. Det visade de seminarier ”Measurement meets Simulation” som anordnades i Lund, Göteborg och Stockholm av Rohde & Schwarz i samarbete med CST.

Dr Tilmann Wittig och dr Vratislav Sokolov, från CST gav ett exempel på ett konstruktion av ett lågpassfilter för 0-2,0 GHz.

Dr Tilmann Wittig och dr Vratislav Sokolov

Filtret simulerades med CST Studio Suite som är en programvara för 3D EM-simulering.
Konstruktionen bygger på en topologi av fyra ”butterfly” i microstriputförande.

Filtret bygger på fyra ”butterflies”

Som mönsterkortmaterial valdes Rogers R04350B med 3,330 dielektricitetskonstant. Det har 762,0 µm dielektricitetslager och 43,0 µm kopparlager.
Filtret simulerades i ”FilterDesigner 2D”. Resultatet ser vi här:

Det simulerade filtret

Som vi ser ligger S11 under 20 dB upp till brytfrekvensen 2,0 GHz och S21 visar att dämpningen är bättre än 40 dB från 3,2 – 10 GHz.

Filtret i praktiken
Filtret byggdes sedan upp och mättes med en nätverksanalysator från Rohde & Schwarz.

Det uppbyggda filtret

Resultatet visar stora avvikelser. S11 upp till 2,0 GHz var väsentligt mycket sämre än de -40 dB som var målet (1). Och på frekvenser över 4,5 GHz var dämpningen (S21) riktigt dålig (3). Dessutom avvek brytfrekvensen (2).

Vad var det som hade gått snett?
Var det mätningen som utförts fel? Felaktig kalibrering? Eller användes en felaktig 3D-modell? Hur var det med tillverkningstoleranserna: Stämde inte mönsterkortet på grund av överetsning eller ”over-millig”? Kunde felen komma från lödmaskens utformning eller pläteringen med AuAg/Ni (ENIG)? Hade ledningsbanan en alltför rå yta? Var tillverknignstoleranserna helt enkelt för dåliga eller hade man begått ett fatalt konstruktionsfel?

Saknad lödning
Svaret var faktiskt: Ett fatalt fel! Koaxialkontakterna är utformade så att dess jordanslutningar träs över mönsterkortets båda sidor. Meningen är att det skall lödas på både under- och översidan. Men konstruktionen var sådan att det bara fanns jordplan på undersidan att löda mot. Resultatet blev att jordstiften på översidan fungerade som antenner som strålade ut över mönsterkortet och gav överhörning, med ett maximum kring 7 GHz. Se kurvan ovan.

Kontaktens jordanslutning måste lödas även på ovansidan

När så översidans jordstift löddes visade det sig att kurvan överensstämde mycket väl med den simulerade!

Provkort utan resp lödmask
Provkort tillverkades med och utan lödmask. Mätresultaten visade på olikheter mellan dem. Det var enbart det nakna mönsterkortet som gav mätresultat nära de simulerade.
Mätningarna visar att lödmaskens inverkan på resultaten på mikrovågsfrekvenser har stor inverkan. Om maskens tjocklek eller ändras påverkar detta resultaten i hög grad.
I det fall tjockleken ökades från 5 till 20 µm ändrades impedansen 1 ohm. Brytfrekvensen ändrades 13,1 MHz och en resonans kring 7,5 GHz flyttades 117 MHz.
Även ytbehandlingen av mönsterkortet påverkar.

Rekommendationer
Seminariet utmynnade i ett antal rekommendationer:
* Det klassiska arbetsflödet bör kompletteras med några förberedande steg, som att exempelvis extrahera εr.
* Relativa fel under 1 procent uppnåddes mellan virtuell prototyp och mätdata för brytfrekvensen.
* Dyrbar tid för 3D-optimering kan undvikas genom att använda korrigeringsdata från provkortet. I det här fallet låg brytfrekvensen 90 MHz fel. Efter ändrade dimensionerhamnade resultatet rätt.
* Materialsammansättningar liksom teknologi spelar en avgörande roll.
Den mest kritiska faktorn är reproducerbarheten av lödmasken, med avseende på tjocklek och sammansättning.

Komplettera med mätningar!
EM-simuleringar och mätningar kompletterar varandra väl – det visar det seminarium som CST och Rohde & Schwarz i samarbete. Tillsammans kan simuleringar och mätningar ge detaljerad förståelse om strukturens uppförande. Och tillsammans kan metoderna leda till kortare utvecklingstid.
Det går, med måttlig ansträngning, att få god överensstämmelse mellan simulerade och uppmätta data.
CST representeras i Sverige av MTT Design and verification AB

Läs även ”Var rädd om dina Koaxialkontakter”

Filed under: SvenskTeknik