Компьютерное моделирование микроволнового фильтра нижних частот на основе микрополосковой линии

Государственный комитет РФ по высшему  образованию

Санкт-Петербургский Государственный  Электротехнический

Университет им. В.И. Ульянова (Ленина)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кафедра РТЭ

 
Компьютерное моделирование микроволнового фильтра нижних частот на основе микрополосковой линии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

              

Студент группы 0202   

Горшенина С.И.

Преподаватель Тихомиров В.Г.

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2012г.

Содержание

 

1	Цель работы………………………………………………………………………………	3
2	Задание……………………………………………………………………………………	3
3	Алгоритм моделирования……………………………………………………………….	4
4	Анализ результатов проектирования……………………………………………………	5
5	Расчет и оценка потерь в фильтре………………………………………………………	9
6	Расчет параметров микросборки………………………………………………………..	10
7	Заключение………………………………………………………………………………	10
8	Список литературы………………………………………………………………………	11

 

 

1. Цель работы

Целью работы является проектирование микроволнового фильтра нижних частот на основе микрополосковой линии (определение  продольных и поперечных величин  всех его элементов). Основной задачей будет нахождение наиболее оптимальной модели фильтра, удовлетворяющего заданным характеристикам (задача синтеза). Часть синтезируемых (рассчитываемых) параметров не может быть больше наперед заданных значений. В то же время, ряд искомых параметров может выбираться исходя из опыта или просто из соображений здравого смысла. В этом случае общее число искомых параметров уменьшается, что упрощает решение задачи. Накладываемые на параметры ограничения позволяют синтезировать устройство с оптимальными параметрами в соответствии со сформулированными критериями оптимальности, например: минимальными массогабаритными характеристиками, минимальной стоимостью и т.д., при условии, что физически реализованное устройство будет обеспечивать заданный выходной параметр с требуемой точностью. Таким образом, теоретическая задача синтеза на практике формулируется как задача оптимального проектирования.

 

2. Задание

Тип амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) входного сигнала: равномерно пульсирующая характеристика

 

Fп Ггц	Fз Ггц	Ап ДБ	Аз ДБ	Z0(W0) Ом
6,2	6,3	3	27	50

 

Рис1. Заданная АЧХ

 

 

Коэффициент прямоугольности заданной АЧХ:

 при Ап=3 ГГц  и Аз=27 ГГц

 

3. Алгоритм моделирования

В качестве основного инструмента  используется оригинальная программа  SILFIL.

На первом этапе проектирования рассчитывается число элементов  фильтра и все характеристики ( ) схемы-прототипа, реализующие заданную АЧХ. Схема-прототип – это замена реальной структуры ее эквивалентной схемой с сосредоточенными параметрами. Такая замена возможна, поскольку в продольно однородной микрополосковой линии (МПЛ) с неизменной по длине линии шириной полоска электромагнитное поле также однородно, т.е. пространственного разделения электрического и магнитного полей не происходит. Таким образом, каждый из отрезков МПЛ эквивалентен соответственно индуктивности или емкости схемы-прототипа . По этим параметрам можно осуществить преобразование с целью реализации в виде отрезков МПЛ с искомыми значениями и .

 

Рис.2 Фильтр-прототип

 

1. Сначала выбираются параметры подложки. Желательно выбрать диэлектрик с возможно более высоким значением  , а высота подложки влияет на механическую прочность в процессе изготовления, сборки и эксплуатации фильтра. Также критерием параметров и является условие одноволнового режима, которое можно трактовать как .
2. Подбор ширины элементов фильтра и производится их подбором с учетом возможности реализации фильтра при уже рассчитанных параметров схемы-прототипа.
3. Анализ полученных моделей фильтров, удовлетворяющих заданным требованиям. При выборе наилучшего варианта целесообразно руководствоваться такими критериями, как технологичность конструкции (простота изготовления, в частности возможно большие значения и , минимальный разброс длин элементов), минимальная стоимость (минимальные массогабаритные характеристики, в частности возможно меньшее число элементов и общая длина фильтра).
4. Расчет потерь в смоделированном фильтре

 

На заключительном этапе – этапе  конструирования, т.е. подготовки конструкторско-технологической  документации на изготовление микросборки  законченного микроволнового узла, содержащего  спроектированный фильтр, используется универсальная программа Компас 3D

 

4.Анализ результатов  проектирования

При рассмотрении диэлектрического материала  фторопласта я выяснил что  при реализации фильтра на этом материале получаются огромные потери по сравнению с другими материалами, уменьшить которые удалось, только уменьшив Ап до 0,75 дБ и увеличив Fз до 6,4ГГц

ПРОТОКОЛ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВЧ ФНЧ  на МПЛ.

ИСХОДНОЕ ЗАДАНИЕ :

Тип АЧХ ................................... : РПХ

Граничная частота полосы пропускания, (ГГц) :  6.20

Граничная частота полосы заграждения, (ГГц) :  6.30

Затухание в полосе пропускания, (дБ) ...... :  3.00

Затухание в полосе заграждения, (дБ) ...... : 27.00

Волновое сопрот. подводящих полосков, (Ом)  : 50.0

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ :

Относит. диэл. проницаемость подложки ..... : 2.00

Высота подложки, (мм) ..................... :  0.75

Количество элементов фильтра .............. : 21

Волнов. сопрот. высокоомного элемента, (Ом) : 308.7

Волнов. сопрот. низкоомного  элемента, (Ом) : 43.5

ПОПЕРЕЧНЫЕ РАЗМЕРЫ ЭЛЕМЕНТОВ  ФИЛЬТРА :

Ширина  подводящих полосков, (мм) ........ : 2.50

Ширина высокоомного элемента, (мм) ........ : 0.010

Ширина  низкоомного элемента, (мм) ........ : 3.000

ДЛИНЫ ЭЛЕМЕНТОВ ФИЛЬТРА :

1  - 3.60  мм  2  - 2.57  мм  3  - 4.82  мм  4  - 2.67  мм 

5  - 4.92  мм  6  - 2.7  мм  7  - 4.94  мм  8  - 2.7  мм 

9  - 4.95  мм  10 - 2.71  мм  11 –  4.95  мм  12 - 2.71  мм 

13 – 4.95  мм  14 - 2.7  мм  15 –  4.94  мм  16 - 2.7  мм 

17 – 4.92  мм  18 - 2.67  мм  19 –  4.82  мм  20 - 2.57  мм 

21 – 3.6  мм 

Суммарная длина элементов фильтра, (мм) ... :  78.125мм

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ПОТЕРЬ В  ФИЛЬТРЕ :

Тангенс угла диэл. потерь подложки,   ..... : 0.0003

Обьемная проводимость полоска,(1/(Ом*М))... : 5.80*10E7

Толщина полоска, (мм) ..................... : 0.01

На частоте 6.2 ГГц общие потери 0.963 дБ, из них

 в полоске фильтра,  (дБ) ........... : 0.190

 в подложке фильтра, (дБ) ........... : 0.023

 на излучение,       (дБ) ........... : 0.750

 

Данный фильтр обладает массой недостатков. Один из наиболее важных – диэлектрическая  проницаемость подложки имеет довольно низкое значение, что скажется на высокой величине потерь в фильтре (см. график выходной АЧХ). Величина потерь также обусловлена высокими частотами.

 

Рис.3 График выходной АЧХ при исходной Ап для фторопласта

 

Второй по успешности получился  фильтр на основе поликора. Чтобы реализовать этот фильтр значение Ап пришлось уменьшить до 0,2дБ,но значения получились несколько хуже, чем при использовании стеклотекстолита, и диэлектрическую подложку нужно использовать нестандартного размера. Но главный плюс поликора, который выявился при экспериментировании с этим материалом – с помощью него можно сделать маленький фильтр, жертвуя при этом длиной элементов и увеличением потерь, если производителю эти параметры не критичны, то лучше всего использовать поликор.

 

ПРОТОКОЛ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВЧ ФНЧ  на МПЛ.

ИСХОДНОЕ ЗАДАНИЕ :

Тип АЧХ ................................... : РПХ

Граничная частота полосы пропускания, (ГГц) :  6.20

Граничная частота полосы заграждения, (ГГц) :  6.40

Затухание в полосе пропускания, (дБ) ...... :  0.75

Затухание в полосе заграждения, (дБ) ...... : 27.00

Волновое сопрот. подводящих полосков, (Ом)  : 50.0

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ :

Относит. диэл. проницаемость подложки ..... :  2.00

Высота подложки, (мм) ..................... :  0.85

Количество элементов фильтра .............. : 19

Волнов. сопрот. высокоомного элемента, (Ом) : 314.8

Волнов. сопрот. низкоомного  элемента, (Ом) :  32.7

ПОПЕРЕЧНЫЕ РАЗМЕРЫ ЭЛЕМЕНТОВ  ФИЛЬТРА :

Ширина  подводящих полосков, (мм) ........ : 2.84

Ширина высокоомного элемента, (мм) ........ : 0.01

Ширина  низкоомного элемента, (мм) ........ : 5.000

ДЛИНЫ ЭЛЕМЕНТОВ ФИЛЬТРА :

1  - 1.82  мм  2  - 3.25  мм  3  - 2.6  мм  4  - 3.54  мм 

5  - 2.66  мм  6  - 3.59  мм  7  - 2.67  мм  8  - 3.6  мм 

9  - 2.68  мм  10 – 3.61  мм  11 – 2.61  мм  12 – 3.6  мм 

13 - 2.67  мм  14 – 3.59  мм  15 - 2.66  мм  16 – 3.54  мм 

17 - 2.6  мм  18 – 3.25  мм  19 –  1.82  мм  20

Суммарная длина элементов фильтра, (мм) ... :  56.442

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ПОТЕРЬ В ФИЛЬТРЕ :

Тангенс угла диэл. потерь подложки,   ..... : 0.0003

Обьемная проводимость полоска,(1/(Ом*М))... : 5.80*10E7

Толщина полоска, (мм) ..................... : 0.001

На частоте 6.2 ГГц общие потери 0.6617 дБ, из них

в полоске фильтра,  (дБ) ........... : 0.072

в подложке фильтра, (дБ) ........... : 0.0097

на излучение,       (дБ) ........... : 0.58

 

Рис 4. График выходной АЧХ для фторопласта при уменьшенном А_п до 0,75

и увеличенном F_з до 6,4

 

Самым удачным диэлектрическим материалом получился стеклотекстолит. Он получился с хорошим соотношением между габаритами и потерями. Главный недостаток состоит в том, что текстолит это стекло и поэтому нужно его эксплуатировать бережно.

 

ПРОТОКОЛ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВЧ ФНЧ  на МПЛ.

ИСХОДНОЕ ЗАДАНИЕ :

Тип АЧХ ................................... : РПХ

Граничная частота полосы пропускания, (ГГц) :  6,20

Граничная частота полосы заграждения, (ГГц) :  6,40

Затухание в полосе пропускания, (дБ) ...... :  0.75

Затухание в полосе заграждения, (дБ) ...... : 27.00

Волновое сопрот. подводящих полосков, (Ом)  : 50.0

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ :

Относит. диэл. проницаемость подложки ..... :  4.80

Высота подложки, (мм) ..................... :  0.55

Количество элементов фильтра .............. : 19

Волнов. сопрот. высокоомного элемента, (Ом) : 208.7

Волнов. сопрот. низкоомного  элемента, (Ом) : 23.2

ПОПЕРЕЧНЫЕ РАЗМЕРЫ ЭЛЕМЕНТОВ  ФИЛЬТРА :

Ширина  подводящих полосков, (мм) ........ : 0.99

Ширина высокоомного элемента, (мм) ........ : 0.01

Ширина  низкоомного элемента, (мм) ........ : 3.000

ДЛИНЫ ЭЛЕМЕНТОВ ФИЛЬТРА :

1  - 2.13  мм  2  - 1.22  мм  3  - 3.25  мм  4  - 1.32  мм 

5  - 3.35  мм  6  - 1.33  мм  7  - 3.37  мм  8  - 1.34  мм 

9  - 3.38  мм  10 – 1.34  мм  11 – 3.38  мм  12 – 1.34  мм 

13 – 3.37  мм  14 – 1.33  мм  15 - 3.35  мм  16 – 1.32  мм 

17 - 3.25  мм  18 – 1.22  мм  19 –  2.13  мм 

Суммарная длина элементов фильтра, (мм) ... :  42.715

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ПОТЕРЬ В  ФИЛЬТРЕ :

Тангенс угла диэл. потерь подложки,   ..... : 0.0060

Обьемная проводимость полоска,(1/(Ом*М))... : 5.80*10E7

Толщина полоска, (мм) ..................... : 0.01

На частоте 6.2 ГГц общие потери 0.43036 дБ, из них

в полоске фильтра,  (дБ) ........... : 0.17

в подложке фильтра, (дБ) ........... : 0.26

на излучение,       (дБ) ........... : 0.00036

 

Рис 5. График выходной АЧХ для стеклотекстолита

 

 

 

 

5.Расчет и оценка  потерь в фильтре

Важной характеристикой спроектированного  фильтра МПЛ являются потери энергии  электромагнитного поля распространяющейся волны, определяемые коэффициентом  затухания  на единицу длины линии, измеряемым в Дб/м:

где - коэффициент затухания в металлическом полоске; - коэффициент затухания в диэлектрике подложки; - коэффициент затухания вследствие излучения.

Потери энергии на излучение  составили 0,00036 Дб.

Для расчета потерь в полоске  была выбрана его толщина  из условия , где - глубина проникновения поля в металл (глубина скин-слоя), и равная 0,00084мм. Таким образом, потери в полоске составили 0,17 Дб.

Потери в диэлектрике фильтра (с учетом выбранного материала и  тангенса диэлектрических потерь) составили 0,26 Дб.

В результате, суммарные потери в  фильтре составили величину порядка 0.43036 Дб, что позволяет судить о незначительной степени искажения выходной АЧХ.

 

 

 

6.Расчет параметров  микросборки

Ширина подложки : (выбиралась из условия с целью минимизации краевых эффектов);

Длина подложки: ; 

Длина подводящих полосков: .

Чертеж платы со схемой спроектированного  фильтра смотри в приложенном  графическом материале.

 

7.Заключение

В результате работы спроектирован  микроволновый фильтр нижних частот на основе микрополосковой линии. По причине невозможности реализации заданной АЧХ с приемлемыми характеристиками фильтра были сделаны допустимые искажения заданной АЧХ. С учетом всех результатов анализа можно говорить о том, что спроектированный фильтр является оптимальным по своим характеристикам.

 

 

8. Список литературы:

 

1. Тихомиров В.Г., Янкевич В.Б. Модернизация учебного программного средства «SILFIL» // Вопросы исследования электронных приборов и устройств. СПб., 1996. С.50-55 (Изд. ГЭТУ. Вып.494).
2. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / Под ред. В.И, Вольмана. М.: Радио и связь. 1982.
3. Проектирование СВЧ устройств с помощью ЭВМ: Учеб. Пособие / Под ред. А.Д. Григорьева; ЛЭТИ. Л., 1987.
4. Матей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Т.1. М.: Связь, 1971,
5. Компьютерное моделирование микроволнового фильтра нижних частот на основе микрополосковой линии: Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Основы электродинамики» / Сост. Тихомиров В.Г., Янкевич В.Б.; СПбГЭТУ (ЛЭТИ). СПб., 1998. 32с.