Моделювання та дослідження площинних НВЧ фільтрів нижніх частот

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделювання та дослідження площинних НВЧ фільтрів нижніх Частот

1.1 Мета роботи

Освоєння методів розрахунку НВЧ фільтрів нижніх частот на основі площинних структур, опанування методами дослідження фільтруючих структур за допомогою електронного моделювання з використанням пакету програм Microwave Office.

1.2 Методичні вказівки по підготовці до виконання лабораторної роботи

Фільтром називають пристрій, що має виборчі властивості стосовно сигналів різних частот. Основним призначенням фільтрів є придушення одного частотного складового деякого складного сигналу й забезпечення гарної передачі інших, або поділ сигналів по частоті в багатоканальних системах. дослідження НВЧ фільтр

Фільтри є звичайно пасивними взаємними пристроями й характеризуються частотною залежністю внесеного в тракт загасання, Смуга частот з малим загасанням називається смугою пропущення, а смуга частот з більшим загасанням - смугою загородження. По взаємному розташуванню смуг пропущення й загородження прийняте виділяти наступні типи фільтрів: фільтри нижніх частот (ФНЧ), що пропускають сигнали нижче заданої граничної частоти й придушують сигнали із частотами вище граничної; фільтри, верхніх частот (ФВЧ), що пропускають сигнали на частотах вище заданої й придушують сигнали інших частот; смугасто-пропускні (смугові) фільтри (СФ), що пропускають сигнали в межах заданої смуги частот і придушують сигнали поза цією смугою; що смугасто-загороджувальні (режекторні) фільтри (РФ), що придушують сигнали в межах заданої смуги частот і пропускають сигнали поза цією смугою.

Частотна характеристика кожного фільтра має перехідну область між смугою пропущення й смугою загородження. У цій області загасання міняється від максимального значення до мінімального. Звичайно намагаються зменшувати цю область, що приводить до ускладнення фільтра, збільшенню числа його ланок. При проектуванні фільтрів, як правило, задаються наступні характеристики: смуга пропущення, смуга загородження, середня частота, загасання в смузі пропущення, загасання в смузі загородження, крутість зміни загасання в перехідній області, рівень узгодження по входу й виходу, характеристики лінії передачі, у яку включається фільтр, тип лінії передачі. Іноді обмовлюють фазові характеристики фільтра.

У цей час найпоширенішою методикою розрахунку фільтрів НВЧ є методика, відповідно до якої спочатку розраховується низькочастотний (НЧ) фільтр-прототип (рис. 5.1). Знаходження параметрів схеми фільтра-прототипу по заданій частотній характеристиці фільтра є завданням параметричного синтезу. Для спільності результатів всі величини нормуються. Опори навантаження й генератора приймаються рівними одиниці. Поряд з нормуванням по опорі проводиться нормування по частоті, наприклад, гранична частота смуги пропущення приймається рівній одиниці. Таким чином, розрахунок фільтра НВЧ зводиться до синтезу схеми низькочастотного прототипу й заміні елементів із зосередженими параметрами їхніми еквівалентами з розподіленими параметрами. Для апроксимації частотних характеристик загасання застосовується ряд функцій, що задовольняють умовам фізичної реалізації фільтрів.

Рисунок 5.1 ? Еквівалентна схема нормованого фільтра-прототипу

нижніх частот

Після вибору частотної характеристики фільтра визначається необхідне число ланок фільтра. Добротність кожної ланки, а потім, залежно від типу фільтра, знаходять опори зв'язку ланок і перехідне загасання. Методи розрахунку параметрів прототипів досить добре розроблені й викладені в літературі. Існують також пакети прикладних програм для розрахунків елементів й схем НВЧ таки як Microwave Office і Microwave Studio.

При реалізації мініатюрних НВЧ фільтрів як елементи, що відповідають ємностям, індуктивностям і резонансним контурам, використовуються відрізки ліній передачі різної довжини й форми, а також діелектричні й феритові резонатори. При цьому необхідно враховувати таки особливості елементів НВЧ:

· залежність параметрів реактивних елементів від частоти. Наприклад, короткозамкнений відрізок лінії передачі довжиною l < л/4 еквівалентний індуктивності, на більш високих частотах довжина цього відрізка стає l > л/4, що еквівалентно ємності. Це приводить до того, що в діапазоні частот еквівалентна схема фільтра може змінитися;

· у місцях з'єднання реактивних елементів з лінією передачі або елементів один з одним за рахунок появи хвиль вищого порядку утворюються додаткові реактивності, які можуть змінити параметри фільтра.

На основі найпростіших елементів (ємностей, індуктивностей) і резонаторів проектуються інтегральні мікросхеми НВЧ фільтрів. Оскільки стрічкові лінії не мають нижньої частоти відсічення, то на їхній основі можуть бути реалізовані практично всі типи фільтрів, включаючи фільтри нижніх частот.

Фільтри нижніх частот (ФНЧ) використовуються в якості вихідних фільтруючих ланцюжків змішувачів, у ланцюгах живлення НВЧ ІС та ін. Одна зі схем фільтра нижніх частот на елементах з розподіленими параметрами представлена на рис. 5.2, де відрізки ліній з високим хвильовим опором Z_B1 еквівалентні послідовної індуктивності, а відрізки, що чергуються з ними, ліній з низьким хвильовим опором Z_В2 ? паралельної ємності; при цьому величини Z_B1 повинні бути по можливості високими, а Z_B2 ? як можна більше низькими. Відрізки однорідних ліній передачі повинні бути як можна коротше в порівнянні з найменшою довжиною хвилі в смузі пропущення. Це дозволяє уникнути частотної залежності параметрів окремих елементів фільтра, що ускладнює розрахунки й утрудняє створення фільтрів з потрібними характеристиками. На стиках двох сусідніх секцій виникає крайова ємність, обумовлена стрибком хвильових опорів, тому мінімальна довжина індуктивних відрізків ліній обмежена величиною, при якій ще не позначається вплив двох сусідніх крайових ємностей.

Рисунок 5.2 ? ФНЧ на елементах з розподіленими параметрами

Зменшення хвильового опору Z_B2 обмежено максимально можливою шириною провідника, при якій ще не виникають вищі типи хвиль (W < л_B/2), а збільшення Z_B1 обмежене технологічними можливостями одержання тонких провідників. Так, наприклад, для мікрострічкової лінії при W_min ~ 50 мкм, h = 1мм, е = 10 при граничній частоті смуги пропущення фільтра 1 ГГц можливі значення хвильових опорів: Z_Bmax ? 125 Ом, Z_Bmin ? 20 Ом.

Аналогічним образом може бути реалізований ФНЧ на відрізках щілинних ліній.

Як вже згадувалося для розрахунку ФНЧ НВЧ діапазону звичайно використовують метод порівняння з фільтрами-прототипами нижніх частот з елементів із зосередженими параметрами. Це дозволяє скористатися широко табулированными значеннями елементів нормованих по частоті фільтрів із чебышевскими або максимально плоскими характеристиками й зовсім не стосуватися складних питань синтезу фільтрів. Схема низькочастотного нормованого фільтра прототипу зображена на рис. 5.1.

На рис. 5.1 g_i - це нормовані значення елементів, які можуть бути взяті з довідників з розрахунку хвилеводних НВЧ елементів []. Сутність реалізації стрічкового фільтра НВЧ полягає в тому, що зосереджені елементи сходової схеми фільтра-прототипу (рис. 5.1) приблизно заміняються відрізками несиметричного стрічкового хвилеводу.

Для кращого збігу значень розподілених і зосереджених елементів довжини відрізків лінії l_Li і l_Ci повинні бути менше або рівні 0,1л_В. Тут l_Li і l_Ci довжини відрізків, що апроксимують індуктивність і ємність відповідно; л_В - довжина хвилі в стрічковому хвилеводі з діелектриком, що відповідає частоті зрізу фільтра.

Послідовні відрізки хвилеводів високого характеристичного опору апроксимують індуктивність фільтра прототипу, кожна ж ємність фільтра складається із двох однакових розімкнутих відрізків несиметричних стрічкових хвилеводів низького характеристичного опору. Приймаючи довжини відрізків l_i = 0,1л_В, одержуємо для індуктивного відрізка

,

де - характеристичний опір високоомного відрізка.

Для розімкнутого відрізка, що апроксимує половину ємності, одержимо аналогічно:

.

Ширину смужки відповідної Z, можна обчислити за формулами:

, для d > 2,1;

,

для d < 2,1;

де ;

.

,

де W - ширина стрічкового провідника;

h - товщина підкладки.

Зменшення, розмірів несиметричних стрічкових хвилеводів, застосовуваних у НВЧ інтегральних схемах, вимагає, щоб при визначенні їхніх геометричних розмірів ураховувалася величина ефективної діелектричної проникності підкладки е_еф. Величина е_еф служить мірою ступеня інтеграції й зменшення розмірів. Аналітичне вираження для ефективної діелектричної проникності е_еф:

.

Довжина хвилі в несиметричному стрічковому хвилеводі, заповненому діелектриком, при поширенні квазі-ТЕМ хвилі задається вираженням:

.

При підготовці до роботи треба вивчити питання, які пов?язані з існуючими типами НВЧ фільтрів, їх основними характеристиками, формами реалізації фільтрів НВЧ на основі стрічкових структур, методами їх розрахунків [1,3,7,8].

Ознайомитись та вивчити можливості пакету програм Microwave Office у моделюванні фільтрів НВЧ діапазону [6]. При цьому основну увагу приділити можливостям відтворення топології структур, які досліджуються, їх геометричних розмірів, характеристик матеріалів, з яких вони виготовляються, отримання АЧХ обраних моделей, ступені їх відповідності реальним пристроям.

1.3 Сутність лабораторної роботи

Проводиться дослідження характеристик площинних НВЧ фільтрів нижніх частот на основі несиметричних стрічкових структур шляхом розрахунків відповідних параметрів, побудовою моделей і аналізом відповідності результатів розрахунків і моделювання.

Визначаються характерні розміри і топологія площинних НВЧ фільтрів нижніх частот на основі розподілених елементів з урахуванням методу використання схеми фільтру-прототипу.

За допомогою пакета програм Microwave Office створюються і досліджуються модельні структури, які відповідають розрахованим; проводиться порівняння результатів.

1.4 Порядок виконання лабораторної роботи

1. Розрахувати фільтр нижніх частот.

Частота зрізу f = 10500 МГц; Z₀ = 50 Ом; d(h) = 0,5 мм; t/d = 0,025; е = 9,6; tgд = 10^-4; число елементів фільтра n = 7; метал провідників Cu, максимальне загасання в смузі пропущення А_П = 0,5 дБ; загасання на частоті f_З = 13650 МГц ? А_З = 30 дБ.

Розрахунок фільтра виробляється відповідно до методики, наведеної в [7, с. 116-117].

З урахуванням заданих параметрів для нормованих значень реактивності можна отримати наступне: g₁ = g₇ = 1,736; g₂ = g₆ = 1,258; g₃ = g₅ = 2,638; g₄ = 1,344. З допомогою формул, що приведені вище, можна розрахувати відповідні значення хвильових опоров Z, величин W, значень е_еф, довжин елементів, рівних 0,1л_Ві. Таким чином можна отримати всі необхідні для побудови топології фільтра розміри.

Довжина з?єднувальних ліній на вході і виході, які мають хвильовий опір 50 Ом, обирається довільно.

2. Зібрати й дослідити розрахований ФНЧ у пакеті Microwave Office.

Розрахований фільтр збирається в редакторі топології EMSight. (Приклад створення стрічкового фільтра описаний в [6, с. 55-65]).

Результатом дослідження розрахованого фільтра є частотна характеристика цього фільтра.

Для дослідження параметрів ФНЧ використовується матриця розсіювання чотириполюсника, що описує характеристики фільтра, що моделюється. Зокрема, параметр S₂₁ являє собою криву залежності загасання у фільтрі від частоти.

Після створення топології ФНЧ у редакторі EMSight необхідно додати графік, на якому буде відображатися характеристика S₂₁ [6, с. 64-65].

Далі необхідно задати частотний діапазон, у якому буде зроблене дослідження фільтра. Для цього в меню Options вибирається пункт Project Options і у вікні, що з'явилося, уводяться початкова й кінцева частота, а також крок розбивки частотного діапазону.

Запуск моделювання створеного фільтра здійснюється з меню Symulate>Analyze.

У звіті по лабораторній роботі треба привести розрахунки структури фільтра, топологію площинного ФНЧ на основі стрічкових елементів з розмірами, а також графіки АЧХ.

Контрольні питання

1. Фільтри нижніх частот. Еквівалентна схема, АЧХ.

2. Методи реалізації НВЧ ФНЧ, топології стрічкових ФНЧ.

3. Фільтри верхніх частот. Еквівалентна схема, АЧХ.

4. Методи реалізації НВЧ ФВЧ, топології стрічкових ФВЧ.

5. Сутність методу розрахунку фільтрів НВЧ.

6. Які фактори визначають мінімальні втрати у смузі пропускання?

7. Які фактори визначають величину втрат у смузі загородження?

8. Послідовність побудови і дослідження модельних структур фільтрів НВЧ за допомогою пакету програм Microwave Office.

9. Дати визначення для параметру S₂₁ при розгляді модельних структур пристроїв НВЧ.

10. Оцінити ступень адекватності моделей, які створюються і досліджуються за допомогою пакета Microwave Office, реальним структурам фільтрів ФНЧ і ФВЧ.

Размещено на Allbest.ru