Моделювання та дослідження площинних

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделювання та дослідження площинних смугових НВЧ фільтрів

1.1 Мета роботи

Ознайомлення з прикладами реалізації смугових НВЧ фільтрів 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

Смугасто-пропускні фільтри (СФ), або, як їх часто називають, смугові фільтри, не пропускають сигнали із частотою нижче деякої частоти й вище деякої іншої частоти.

СФ, як правило, складається з каскадне включених резонаторів, які реалізуються у вигляді короткозамкнених або розімкнутих відрізків лінії передачі.

По способі реалізації СФ НВЧ можна розділити на наступні типи: на одиночної МСЛ із зазорами; на паралельних зв'язаних напівхвильових резонаторах; на зустрічних штирях; з паралельними й послідовними шлейфами довжиною л_В/4, де л_В ? довжина хвилі в лінії, що відповідає середній частоті смуги пропущення СФ; з подвійними шлейфами й чвертьхвильовими сполучними лініями; на діелектричних резонаторах.

Рисунок 6.1 ? Топологія СФ на одиночної МСЛ із зазорами

СФ на одиночній лінії із зазорами (рис. 6.1) являє собою послідовно зв'язані через торцеві ємності напівхвильові розімкнуті резонатори. Відстань між центрами зазорів дорівнює л/2, а ширина зазорів s визначає смугу пропущення. Широка смуга пропущення таких фільтрів забезпечується при сильному зв'язку між резонаторами, що можливо при більших ємностях, тобто при дуже малих зазорах. Внаслідок технологічних обмежень на ширину зазору реалізовані смуги пропущення звичайно не перевищують 20 %. Подібні фільтри доцільно використовувати, коли є жорсткі обмеження на розміри по ширині, однак довжина фільтра виходить досить великою. НВЧ фільтр Microwave Office

Більш компактна конструкція СФ зі зв'язком напівхвильових резонаторів через бічні поверхні показана на рис. 6.2. Найпростішим елементом такого фільтра є ланка, що складається з пари зв'язаних ліній, що працює в режимі чотириполюсника. Кожна зі зв'язаних ліній розімкнута на кінці. Фільтр формується у вигляді каскадного з'єднання таких ланок. Параметри фільтра отримують із його матриці передачі, що, у свою чергу, визначається перемножуванням матриць передачі каскадне включених ланок.

Достоїнствами стрічкових фільтрів на паралельно зв'язаних резонаторах є малі габарити, відносно більші відстані між резонаторами (що полегшує виконання друкованої схеми, а також підвищує електричну міцність), більша крутість характеристики загасання.

Однак смугові фільтри на зв'язаних резонаторах є досить чутливими до технологічних допусків при виготовленні. Так, відхилення товщини підкладки від величини h, прийнятої при розрахунку фільтра, викликає зростання внесених втрат і зміну ширини смуги пропущення, а помилка в значенні діелектричної проникності підкладки приводить до зміни центральної частоти фільтра щодо розрахункового значення. Зазначена чутливість до допусків підвищується при зменшенні смуги пропущення фільтра.

а - на копланарних лініях; б - на МСЛ із розімкнутими резонаторами; в - на МСЛ із короткозамкненими резонаторами; г - на меандрових розімкнутих резонаторах

Рисунок 6.2 ? СФ на паралельно зв'язаних напівхвильових резонаторах

Смугасто-пропускні фільтри на паралельно зв'язаних мікрострічкових резонаторах мають смуги пропущення від 3 до 20 %. Обмеження широких смуг обумовлені труднощами одержання малих зазорів між резонаторами, а вузьких смуг ? низькою добротністю й існуючими технологічними допусками при виготовленні зв'язаних резонаторів. Величина загасання в смузі пропущення тим менше, чим вище власна добротність, чим менше число ланок п (зв'язаних пар резонаторів) і відносна смуга пропущення W_n. Крутість частотної характеристики фільтра тим вище, чим більше число ланок і вище власна добротність резонаторів. Довжина області зв'язку кожної ланки фільтра повинна бути відповідним чином скоректована (укорочена на величину 2Дl) через вплив розімкнутих кінців резонаторів.

Ще один різновид топології смугового фільтра представлений на рис. 6.3. Це так званий фільтр на зустрічних штирях. Він складається з стрічкових чвертьхвильових резонаторів, короткозамкнених на одному кінці й розімкнутих на іншому, причому короткозамкнені й розімкнуті кінці чергуються. Фільтри на зустрічних штирях мають малі втрати й габарити, широкі межі смуги пропущення (від 1 до 60 %). Однак виконання такого фільтра в друкованому виконанні пов'язане із труднощами забезпечення надійного короткого замикання резонаторів.

Рисунок 6.3 ? СФ на зустрічних штирях

Одна з основних проблем стрічкових фільтрів, обумовлена обмеженою добротністю друкованих резонаторів, складається в одержанні малих втрат при вузькій смузі пропущення. Пошуки шляхів рішення цього завдання привели до розробки фільтрів з використанням об'ємних високодобротних резонаторів, які включаються в розрив провідника стрічкової лінії. При збільшенні числа послідовно включених у стрічкову лінію об'ємних резонаторів можливе розширення смуги пропущення, підвищення вибірковості; при цьому для виключення небажаних провалів у частотній характеристиці центральні частоти резонаторів повинні відрізнятися не більш, ніж на половину ширини їхніх індивідуальних смуг пропущення. Форма частотної характеристики фільтра багато в чому визначається елементами зв'язку резонаторів і розташуванням їх щодо провідника стрічкової лінії. Резонансна частота більшою мірою залежить від ступеня зв'язку резонатора з стрічковою лінією. Оскільки добротність діелектричних резонаторів приблизно на порядок вище добротності мікро стрічкових резонаторів, фільтри з такими об'ємними резонаторами можуть мати вузькі (Дf/f ? 1 %) смуги пропущення.

СФ можна також реалізувати за допомогою чвертьхвильових шлейфів і чвертьхвильових сполучних ліній. Як показують розрахунки реальних фільтрів, провідності шлейфів на вході й виході СФ приблизно дорівнюють половині провідності внутрішніх шлейфів. Внаслідок цього фільтри такого типу зручніше робити з подвійними шлейфами у внутрішній частині (рис. 6.4). При такій реалізації кожний короткозамкнений шлейф із хвильовою провідністю Y заміняється двома паралельно включеними шлейфами із хвильовими провідностями Y/2. Заміна одного шлейфа двома дозволяє зм'якшити технологічні труднощі реалізації шлейфових фільтрів.

Рисунок 6.4 ? Фільтр із подвійними шлейфами

Паралельні короткозамкнені шлейфи у фільтрі на рис. 6.4 можна замінити еквівалентними їм розімкнутими напівхвильовими. При цьому характеристики СФ для помірковано широких смуг залишаються незмінними. Заміна чвертьхвильового шлейфа еквівалентним йому розімкнутим напівхвильовим здійснюється виходячи з умови рівності їх вхідних реактивних провідностєй на граничній частоті смуги пропущення щ_п. На її центральній частоті щ₀ обидва шлейфи мають нульову вхідну провідність.

Однієї із серйозних проблем, що виникають при проектуванні фільтрів, є одержання вузьких смуг пропущення. Це викликано обмеженою добротністю існуючих типів ліній передачі, застосовуваних у сучасній мікроелектроніці НВЧ. Для реалізації вузькосмугових фільтрів з малими втратами в смузі пропущення застосовують різні високодобротні резонатори, наприклад на акустичних лініях, на феритових сферах, а також об'ємні діелектричні резонатори.

На рис. 6.5 наведена конструкція СФ із високодобротними діелектричними резонаторами. Об'ємні резонатори, що мають форму таблеток або брусків, кріпляться на полікоровій підкладці й конструктивно добре сполучаються із МСЛ. Сигнал НВЧ, частота якого перебуває в межах смуги пропущення резонатора, проходячи по МСЛ, збуджує резонатор за рахунок електромагнітного зв'язку. Подібним же чином виявляються зв'язаними один з одним і сусідні резонатори. Матеріал, з якого виготовлений резонатор, має високу діелектричну проникність е, тому електричні й магнітні поля концентруються головним чином в об'ємі резонатора, а втрати на випромінювання виявляються зневажне малими. Так, при е = 100 ненавантажена добротність резонатора залежить тільки від діелектричних втрат. Для матеріалу c tgд = (1...2)•10^-4 ненавантажена добротність становить 5000...10 000, що може бути порівняно з добротністю хвилеводних резонаторів. Розміри діелектричних резонаторів у порівнянні з хвилеводними в 3...5 разів менше.

Рисунок 6.5 ? СФ із діелектричними резонаторами високої добротності

Рисунок 6.6 ? Топології спрямованих фільтрів

Для фільтрації сигналів можуть бути також використані так звані спрямовані фільтри. Спрямованим фільтр це вісьмохполюсний пристрій, у якого в певному діапазоні частот одне плече виявляється незбудженим, а частотні характеристики зв'язку входу із двома іншими плечима мають такий же вид, як у смугасто-пропускного й смугасто-загороджувального фільтрів. По суті, такий пристрій являє собою комбінацію спрямованого відгалужувача й фільтра. На рис. 6.6 показані різні топології спрямованих фільтрів. Смуга пропущення таких фільтрів становить кілька відсотків. У схемі рис. 6.6,а використовується кільцевий резонатор хвилі, що біжить, периметр якого дорівнює довжині хвилі в лінії передачі, що відповідає середній частоті смуги. Розрахунок області зв'язку резонатора проводиться так само, як і для спрямованого відгалужувача на зв'язаних лініях.

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

Ознайомитись та вивчити можливості пакету програм Microwave Office у моделюванні площинних смугових 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

За допомогою пакету програм Microwave Office створюються модельні структури площинних смугових НВЧ фільтрів на основі несиметричних стрічкових структур, проводиться дослідження амплітудно-частотних характеристик та аналіз їх залежності від кількості, виду, резонансних частот елементів і ступені зв?язків між ними.

Визначаються характерні розміри і топологія площинних смугових НВЧ фільтрів на основі розподілених стрічкових елементів.

1.4 Порядок виконання лабораторної роботи

Пропонується провести дослідження за допомогою моделювання площинних смугових НВЧ фільтрів двох типів з топологією, яка приведена на рис. 6.1 та 6.2,б.

1. Дослідження смугового фільтра на одиночної МСЛ із зазорами:

а) проводиться розрахунок параметрів стрічкової лінії, які необхідні для створення модельної структури (л_В, W, t) при хвильовому опорі 50 Ом, заданих робочій частоті, характеристиках діелектричної підкладки і провідників (для кожної бригади уточнюється викладачем).

б) створюються модельні структури з одним, двома і трьома резонансними відрізками з довільним вибором ширини зазору (s ? 0,5 мм);

в) шляхом отримання АЧХ модельних структур досліджується їх залежність від кількості резонаторів, ширини зазорів, довжини резонансних стрічок.

2. Дослідження смугового фільтра на МСЛ з розімкнутими резонаторами:

а) для стрічкової лінії з визначеними у попередньому пункті параметрами створюються модельні структури з одним, двома, трьома і чотирма резонансними відрізками з довільним вибором ширини зазору (s ? 1 мм);

б) шляхом отримання АЧХ модельних структур досліджується їх залежність від кількості резонаторів, ширини зазорів, довжини резонансних стрічок.

У звіті по лабораторній роботі треба привести розрахунки параметрів стрічкової лінії, топології площинних смугових фільтрів на основі стрічкових елементів з розмірами, а також графіки АЧХ, які відповідають змінам у структурах, що досліджувалися.

Контрольні питання

1 Смугові фільтри. Еквівалентна схема, АЧХ.

2. Методи реалізації смугових фільтрів НВЧ, топології стрічкових СФ.

3. Режекторні (загороджувальні) фільтри. Еквівалентна схема, АЧХ.

4. Методи реалізації режекторних фільтрів НВЧ, топології стрічкових РФ.

5. Стрічкові спрямовані фільтри, принцип дії, топології.

6. Особливості реалізації мініатюрних фільтрів НВЧ на основі високодобротних резонаторів.

7. Послідовність побудови і дослідження модельних структур смугових фільтрів НВЧ за допомогою пакету програм Microwave Office у даній роботі.

8. Проаналізувати зміни в АЧХ смугового фільтра при зміні кількості резонаторів.

9. Проаналізувати зміни в АЧХ смугового фільтра при зміні ширини зазорів.

10. Проаналізувати зміни в АЧХ смугового фільтра при зміні резонансних частот його резонансних елементів.

11. Оцінити ступень адекватності моделей, які створюються і досліджуються за допомогою пакета Microwave Office, реальним структурам смугових фільтрів.

Размещено на Allbest.ru