Микрополосковый фильтр

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Расчет микрополоскового фильтра на основе встречных шпилечных резонаторах

Рассмотрим полоснопропускащий микрополосковый фильтр (МПФ), принцип действия которого основан на использовании эффекта неравенства фазовых скоростей нормальных волн в связанных микрополосковых линиях (МПЛ). Отличительной особенностью этого МПФ является формирование полюсов затухания на конечных частотах вблизи полосы пропускания, что позволяет повысить предельную частотную избирательность микрополосковых структур без увеличения потерь и неравномерности группового времени запаздывания в полосе пропускания. Качество фильтра считается тем выше, чем ярче выражены его фильтрующие свойства, т.е. чем сильнее возрастает затухание в полосе задерживания.

МПФ представляет собой структуру на встречных шпилечных резонаторах, образованную каскадным соединением четвертьволновых решетчатых секций на нерегулярных связанных МПЛ и оконечных трансформаторов сопротивлений, выполненных в виде К-инверторов. Каждое из этих звеньев формирует полюс затухания в области верхних или нижних частот. Шпилечный фильтр представляет собой полуволновые проводящие линии, согнутые в виде шпильки или буквы U. Формируют фильтр с помощью «шпилек», повернутый относительно соседних на 180°. Связь между концами соседних резонаторов считается сильнее связи между концами одного резонатора, но эта слабая связь на высоких частотах все равно учитывается. микрополосковый программный фторопласт резонатор

Для того, чтобы смоделировать полосовой фильтр максимально близким к желаемому, нам требуется найти затухание в полосе пропускания.

1) Построим идеальную АЧХ фильтра (рис. 1.1), к которой мы хотим максимально приблизить АЧХ нашего смоделированного фильтра.

Рис. 1.1 «Идеальная характеристика передачи фильтра»

2) Рассчитаем центральную частоту:

f0=(3700+4200)/2=3950 МГц

3) Найдем относительную ширину полосы пропускания:

щ= (4200-3700)/3950 = 0,126

4) Относительная ширина полосы S, в пределах которой затухание должно достигнуть заданного высокого уровня (LA)S, находится по формуле:

щS= (4700-3200)/3950 =0,379

5) Определяем, какое количество резонаторов потребуется в фильтре для выполнения требований ТЗ.

Знаем, что затухание в пределах относительной ширины полосы S (LA)S=40дБ, щ и щS были вычислены выше, поэтому из формулы (4.8) можно найти выражение для нахождения n.

n=(40+6,02)/20lg(0,379/0,126) =4,81

Округлим до n=5, чтобы было нечетное количество резонаторов для согласования фильтра по входу и выходу.

6) Рассчитаем потери в середине полосы по формуле

(LA)0? {4,343 n antilg[((LA)S+6,02 )/(20n)]}/{ S Qu}, дБ

(LA)0=(4,343*5*10^((40+6,02)/20*5)/(0,379*200)=0.28 дБ

Теперь у нас есть все параметры для задания необходимой характеристики фильтра в программе AWR Design Environment (Microwave Office).

2. Моделирование МПФ с помощью программной среды AWR Design Environment (Microwave Office)

AWR Design Environment (Microwave Office).

Возможности, которые предоставляют современные компьютеры разработчикам радиоаппаратуры, позволяют говорить не только об анализе, но и синтезе устройств СВЧ на электродинамическом уровне. Развитие и реализация методов анализа нелинейных устройств, в скором будущем, приведут к исключению всякого рода упрощений, типа линеаризации и квазинелинейного подхода в моделировании СВЧ устройств. Моделирование более приближается к электрофизическому представлению всех электронных приборов, входящих в микросхему. Измерительные стенды, оснащенные самыми современными программами, к которым относится и Microwave Office, позволяют свести процесс проектирования сложной СВЧ конструкции по времени до месяца со дня получения задания и кончая экспериментальным образцом.

Среда проектирования программы Microwave Office (MWO) внешне ничем не отличается от обычных Windows-программ. То, что компания AWR с самого начала ориентировалась на ОС Windows 95 и NT, а позднее Windows 2000, позволило сфокусировать основное внимание на разработке алгоритмов моделирования и не тратить время на разработку оригинального пользовательского интерфейса.

Проект MWO состоит из частей, описанных как электрические схемы, подсхемы, текстовые файлы, а также блоки, анализируемые, используя электродинамический метод расчета. Эта особенность MWO переводит проектирование СВЧ устройств на более высокий качественный уровень, по сравнению с программами Touchstone, Libra, MMICAD, и др., использующими методы, основанные на объединении матриц, каждая из которых рассчитывается методами теории цепей.

Если в проекте используется только схема, то в программе MWO также применяются методы теории цепей (или метод Олинера, если в моделях учитываются неоднородности, неизбежно имеющиеся в местах соединения элементов). Другой метод расчета, используемый в MWO для СВЧ структур, является электродинамическим и реализован в подпрограмме, имеющей название EMSight.

Решение электродинамической задачи в EMSight основано на решении в спектральной области уравнений Максвелла, сформулированных для трехмерного устройства, находящегося в прямоугольном корпусе, заполненном планарными кусочно-ломанными слоистыми средами. Четыре боковые стенки прямоугольного корпуса всегда являются идеально проводящими. Верхняя и нижняя границы корпуса могут моделироваться как идеально проводящие поверхности, поверхности с потерями или как бесконечные волноводы (в Z-направлении).

Полная задача электромагнитного моделирования всегда разделяется на набор задач в отдельных блоках, в которых можно численно решить уравнения Максвелла. Электромагнитные моделирующие программы традиционно относятся к трем категориям: «2-D», «3-D» и «2.5-D».

2-D моделирующие программы могут анализировать только непрерывные структуры, бесконечные в одном направлении. Практически, к этому классу относятся лишь идеальные линии передачи и некоторые волноводные задачи. 2-D моделирующее устройство анализирует планарные структуры и определяет постоянную распространения однородного отрезка линии, волновое сопротивление и коэффициент связи. 2-D моделяторы -- самые быстрые, но наиболее ограниченные.

3-D моделирующие программы могут анализировать практически любую структуру и предназначены для расчета планарных конфигураций с коаксиальным T-соединением и других трехмерных задач. 3-D моделирующие устройства могут анализировать почти любую задачу, но они требуют большего времени и больших вычислительных затрат.

2.5-D моделирующие программы разработаны в основном для планарных схем (содержащих микрополосковые, полосковые линии и т. п.). В то же время они менее гибкие, чем 3-D программы, но работают намного быстрее и идеально подходят для микрополосковых линий, полосковых и других подобных конфигураций.

EMSight выполнен как моделирующее устройство 2.5-D. Он может решать планарные задачи, а также задачи с перемычками через отверстия и другими Z-направленными токами. Таким образом, эта программа классом выше, чем 2.5-D моделяторы, которые не предполагают задания Z-направленных токов. Фактически, EMSight можно рассматривать как 3-D моделирующее устройство, потому что он может учитывать токи, текущие в Z-направлении.

Программа MWO рассчитывает и выводит следующие характеристики:

- любой параметр (S, Y, Z, H, G, ABCD) или всю матрицу;

- максимальный коэффициент усиления, коэффициент устойчивости и т. д.;

- импедансы, КСВ и постоянные распространения линий со стороны портов;

- резонансные частоты корпуса для TE и TM типов волн;

- полюсы и нули частотной характеристики;

- окружности устойчивости, равного коэффициента передачи и коэффициента шума, обеспечивая проектирование каскадов и согласующих цепей с помощью диаграммы Смита.

Характеристики выводятся в виде модуля, фазы, действительной или мнимой составляющей, используя логарифмическую (DB) или линейную шкалу. Режим интерполяции позволяет показывать сглаженные характеристики, рассчитанные по небольшой выборке данных. Возможно чтение данных непосредственно с графика, используя курсор данных.

3. Моделирование фильтра в MWO

Рис. 1 Схема «идеального» шпилечного фильтра

Рис. 2 Топологическая схема «идеального» шпилечного фильтра

Рис. 3 Схема реального фильтра на встречных шпилечных резонаторах

Рис. 4 Частотные характеристики фильтра до настройки

Рис. 5 МПФ после оптимизации на подложке из фторопласта H=0.5 мм

Рис.6 Топологическая схема реального фильтра на подложке из фторопласта

1

Рис.7 Шпилечный фильтр на подложке из поликора H=0.5мм

Рис. 8 Топологическая схема фильтра на поликоровой подложке H=0.5мм. Шпилечный фильтр на подложке из фторопласта H=1мм

Рис. 9 Топологическая схема фильтра на подложке из фторопласта H=1

Проанализируем графики для полосы пропускания фильтра при различной толщине подложек Н=0.5мм и Н=1мм (фторопласт и поликор). Видно, что оптимальный вариант проектирования фильтра на подложке из фторопласта H=0.5мм. В результате исследования и проектирования встречно направленного шпилечного фильтра удалось уменьшить габаритные размеры фильтра с 12.7Ч3048 мм до 17.5 Ч15.5мм, что для микрополосковых устройств является не маловажным фактором.

Размещено на Allbest.ru