2021年度第学生マイクロ波回路設計試作コンテスト
課題および設計条件
課題
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「平衡-不平衡変換器(バラン)」
今年度は平衡-不平衡変換器(バラン)を設定しました。競技部門の詳細は仕様および表彰規定をご確認ください。
仕様：
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以下の仕様をすべて満足する平衡-不平衡変換器(バラン)をシミュレータ上で設計して下さい。
１．以下に示す全ての仕様を、周波数2300-2700(MHz)で満たすこと。
２．不平衡側-平衡側間の、差動モードの挿入損：5 dB以下(Sパラメータで-5dB以上)
３．不平衡側-平衡側間の、コモンモードと差動モードとの挿入損失の差： 20dB以上
４．不平衡側、および平衡側の差動モードの反射損：10dB以上(Sパラメータで-10dB以下)
※シミュレーション条件(詳細は以下に記載)を正しく設定した場合、上記仕様の項目2はS21、項目3はS31とS21の比(dBでの差)、項目4はS11およびS22、として出力されます。
仕様を満足しない場合も参加は可能であり、審査員が価値を認める作品には特別賞を与える場合があります。
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差動モードの挿入損失、コモンモードと差動モードの挿入損失との比(dB差)、ポートの反射特性、基板サイズを評価する。評価方法については「表彰基準」を参照ください。
※送付頂いたフィルタのシミュレーションモデルを実行委員が解析し審査。
設計条件
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以下の条件をすべて満足する平衡-不平衡変換器(バラン)を指定したシミュレータ上で設計してください。
・基板条件（比誘電率:3.4、tanδ:0.004、基板厚:0.5mm、導体厚:35μm、導体材料:銅・シミュレータで銅(02_金属→008_銅Cu)を選択してください）, 使用枚数1枚(積層不可)
・パターン形成は片面または両面で可能。
・基板の外形は正方形または長方形とする。
・ライン／スペース： ライン・スペース共に、最低0.1mm以上とする。
・VIAホール： VIAホールは、0.3mmφ以上とする。VIAの上下の基板表面は、VIAから最低0.1mm以上の領域を導体材料(=銅)とする。
・基板端面から5 mm以内は、ポートを除き線路等のパターンを作成しない(禁止エリア)。
・差動ポート側の線路間の距離(中心-中心)は、10 mm以下とする。
・入出力ポートは基板端に設定する。その他の条件は、シミュレーション設定条件(下記)で規定する。
・シミュレータはムラタソフトウェア株式会社のFemtet® ver.2020.0.2(or Later)(以下Femtet)とする。
・集中定数(R,L,C)の使用は不可。
シミュレーション設定条件
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1) 解析条件の設定
ソルバの選択：【電磁界解析 Hertz】
解析の種類：【調和解析】
→ オプション設定：【伝搬モードの変換機能を使う】(チェックを入れること)
メッシュ：メッシュ設定：【標準メッシュを自動的に決定する】
→ メッシュのコントロール：曲面の切断：最小切断数【24以上】
アダプティブ / マルチグリッド【アダプティブメッシュを使用する】
→ 設定：アダプティブメッシュの設定（全体）：
【最大反復回数15以上】、【最小反復回数5以上】、【要素増加率30%】、【精度0.02】
アダプティブメッシュの設定（ポート）：
【最大反復回数10】、【最小反復回数0】、【要素増加率30%】、【精度0.01】
周波数依存メッシュの設定：【2.5 GHz】
開放境界：【吸収境界】
調和解析：周波数：スイープタイプ：等間隔 周波数間隔
スイープ値：最小周波数【1.5GHz】, 最大周波数【3.5GHz】, 周波数間隔 【5MHz】
※ 収束が0.02に満たず、PCのリソースに余裕がある場合は、アダプティブメッシュの設定(全体)の最大反復回数を15回よりも増やしてみてください。
2) 外部境界条件の設定
作成したフィルタモデルから、6面(上下左右前後)に50mm以上の解析空間(er=1.0, tanδ=0.0)を設定し、外部境界条件として開放境界を設定する(ボディを右クリックして境界条件[全ての面]を選択し、データ編集から開放境界を選択)。
3) 入出力ポート(内部境界)
不平衡側(シングルエンド側)をPort1、平衡側(差動側)をPort2と設定する。
不平衡側の設定：
平面を設定して、右クリックから入出力ポートを設定する。設定平面は電界分布を十分に囲い込む程度の大きさとする(参考：ヘルプファイル→テクニカルノート→電磁波解析→境界条件→電磁波解析ポートの設定方法)。
ポート面から少なくとも5 mmは、一定の線路幅とする。
基準インピーダンス：【指定する】, 【50Ω】
ポートの種類：【電力ポート】
平衡側の設定：
不平衡側と同様に、設定平面は電界分布を十分に囲い込む程度の大きさの平面を設定する。
ポート面から少なくとも5 mmは、一定の線路幅とする。
積分路、ポート電界設定：ポート内に積分路を2本設定する。その状態で、両方の積分路(Path) を選択し、【差動ペア】を設定する。
ポートの種類：【電力ポート】
参考URL： https://www.muratasoftware.com/blog/?p=189
基準インピーダンス：【指定する】,【差動インピーダンス】,【100Ω】
※ 差動インピーダンスへのチェックを忘れずに入れ、100Ωに設定してください。
ポートが正しく設定された状態でシミュレーションを実行すると、計算ログの中に、以下の記載が見つかります。この状態で、シミュレーション結果は、S11がシングルポートの反射、S22が差動モードの反射、S21が差動モードの挿入損失(通過損)、S31がコモンモードの挿入損失(通過損)を示すことになります。仕様に反映させてください。
上記シミュレーション設定条件を変更したい場合には、変更理由を記載したメモ書きをモデル提出時に併せて提出する。審査員が納得する理由の場合には、審査に際し不利な扱いをしない。
ソフトウェアご協力
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ムラタソフトウェア株式会社様
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