Study on microstrip filter design with emphasis on surface roughness, anisotropy and simulation

Abstract

I try to present reasons for deviations between micro strip filter simulations and measurements in this thesis. A short introduction to the printed circuit board manufacturing process is given to explain problems associated with it. I present a comparison of simulation results between some published micro strip models for a single micro strip line and parallel coupled lines. I identified attenuation factors of the micro strip, and I simulated the effect of the surface roughness of the conductors on the insertion loss of the micro strip filters.

The latest model, Huray's snowball model, tries to model the surface roughness as stacked snowball piles. However, this model is complicated and requires knowledge of the complex relative permittivity over the whole frequency range of interest. I also discussed losses due to the surface finish.

I reviewed different methods for measuring the relative permittivity of the micro strip substrate, and implemented and tested the cavity resonator method. Anisotropy of the permittivity exists in many of the commercially available microwave printed circuit board laminates.

I presented design of three different microwave micro strip filter realizations (edge coupled, hairpin, and stub) on different frequency bands. I have simulated the relative permittivity which would match the measured pass band centre frequency.

This value differs for each filter, and therefore I also simulated anisotropy of the substrate. I found that anisotropy shifts the pass band to lower frequencies and matches out of band response better compared to increasing the relative permittivity alone. I simulated the effect of the nickel layer on top of copper conductors and found that this shifts the centre frequency nearly as much as anisotropy of the permittivity.

I iterated values of the surface roughness model for one of the edge-coupled filter designs to match the measured losses. However, the same values, when I used them for other filters, did not explain the measured higher losses whereas simulation with a nickel layer seemed to increase losses.

Yritän tässä tutkimuksessa esittää syitä mikroliuskasuodattimien simulaatioiden ja mittaustulosten eroille. Esittelen piirilevyn valmistusprosessin lyhyesti sen ongelmien kartoittamiseksi. Tutkin ja vertailen kirjallisuudessa esitettyjä kaavoja yhdelle mikroliuskalle sekä kytkeville liuskoille.

Esitän mikroliuskan vaimennustekijät, ja tutkin johtimien pinnankarkeuden vaikutusta mikroliuskasuodattimien väliinkytkemisvaimennukseen simuloiden. Viimeisin malli, Hurayn lumipallomalli, yrittää mallintaa pinnankarkeuden "lumipallokasojen" avulla. Tämä malli on kuitenkin monimutkainen ja sen käyttö edellyttää tietoa kompleksisesta suhteellisesta permittiivisyydestä halutulla taajuuskaistalla. Käsittelen myös johtimien pinnoitteiden aiheuttamia häviöitä. Tarkastelen eri tapoja mitata piirilevymateriaalin (substraatin) suhteellinen permittiivisyys ja tutkin resonaattorikammiomenetelmän soveltuvuutta permitiivisyyden mittaamiseksi simulaatioin ja mittauksin. Useat mikroaaltopiirilevyjen materiaalit ovat anisotrooppisia eli permittiivisyys riippuu sähkökentän suunnasta niissä.

Esitän kolmen eri tyyppien (sivuistaan kytketty, hiusneula- ja virityspätkäsuodatin) mikroliuskasuodattimen suunnittelun eri taajuusalueilla. Iteroin simuloimalla sellaisen suhteellisen permittiivisyyden arvon jokaiselle suodattimelle, jolla keskitaajuudet osuvat mittaustulosten kanssa kohdalleen. Tämä arvo on kuitenkin eri jokaiselle suodattimelle ja siksi simuloin myös substraatin anisotrooppisuutta. Havaitsin, että anisotropia siirtää paastokaistaa alemmille taajuuksille ja kaistan ulkopuolisen vasteen muoto vastaa paremmin mittauksia. Simuloin myös nikkelikerrosta johtimien päällä ja se aiheuttaa samanlaisen taajuussiirtymän. Iteroin pinnankarkeuden aiheuttamat häviöt vastaamaan mittaustulosta yhdelle sivuistakytketyistä suodatinrakenteista. Nämä iteroidut arvot eivät kuitenkaan selitä muiden suodattimien suurempia häviöitä. Toisaalta havaitsin simulaatiossa nikkelikerroksen lisäävän häviöitä.