Компьютерное проектирование микроволнового фильтра нижних частот на одиночной микрополосковой линии

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»

Факультет электроники

Кафедра радиотехнической электроники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему: КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОВОЛНОВОГО ФИЛЬТРА НИЖНИХ ЧАСТОТ НА ОДИНОЧНОЙ МИКРОПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ

по дисциплине: ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Выполнил: Никитин Н.Р.

Проверил: Янкевич В.Б.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2011 г.

Содержание

Введение

1. Алгоритм моделирования

2. Этапы проектирования ФНЧ

3. Основные параметры МПЛ

4. Анализ результатов проектирования

5. Расчет и оценка потерь в фильтре

6. Расчет параметров микросборки

Заключение

Список литературы

Ведение

Для расчета и проектирования любого технического устройства необходимо знать:

- физическую модель устройства, т. е. физический процесс, лежащий в основе его принципа действия, и конструктивное исполнение устройства;

- математическую модель устройства, т. е. уравнения, описывающие физический процесс, лежащий в основе его принципа действия, с учетом особенностей конкретного конструктивного исполнения.

В данной курсовой работе нам необходимо решить задачу синтеза. В случае проектирования (синтеза) устройства заданными считаются его выходной параметр Y, входной Х, а искомыми все параметры X_k. Тогда, при известном уравнении, связывающем параметры Y и X с параметрами X_k, задача синтеза формулируется следующим образом:

(X_{k, k = 1, 2,...,n})= ( Y, Х ).

Задача синтеза называется обратной и имеет множество решений, поскольку теоретически множество различных комбинаций X_k может обеспечивать при заданномX требуемый параметр Y. Однако на практике из всего множества теоретических решений необходимо выбрать единственное - физически реализуемое, а это означает, что физически реализуемыми должны быть все искомые параметры X_k(они не могут быть любыми). Следовательно, при определении X_k на них должны быть наложены ограничения или так называемые условия физической реализуемости. Например, часть синтезируемых (рассчитываемых) параметров X_k не может быть больше или меньше 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 X_k 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 (изготовленное) устройство будет обеспечивать заданный выходной параметр Y с требуемой точностью. Таким образом, теоретическая задача синтеза на практике формулируется как задача оптимального проектирования.

Цель работы

Целью работы является проектирование 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).

Задание

Тип амплитудно-частотной характеристики (АЧХ): равномерно-пульсирующая характеристика(РПХ).

fП,ГГц	5,1
fЗ,ГГц	5,3
AП,дБ	3
AЗ,дБ	33
Z0,Ом	75

1. Алгоритм моделирования

Основная идея алгоритма заключается в замене реальной структуры ее эквивалентной схемой со сосредоточенными параметрами, называемой фильтром-прототипом Такая замена возможна, поскольку в реальной структуре имеет место пространственное разделение электрического и магнитного полей. В качестве основного инструмента для создания фильтра-прототипа используется программа SILFIL.

Для начала рассчитываются число элементов фильтра n и все ( k = 1, 2,...,n ) схемы_прототипа, реализующие заданную АЧХ. Схема-прототип - это замена реальной структуры ее эквивалентной схемой с сосредоточенными параметрами. В продольно_однородной МПЛ с неизменной по длине линии шириной W полоска электромагнитное поле также продольно_однородно, т. е. пространственного разделения электрического и магнитного полей не происходит. Таким образом, каждый из указанных отрезков МПЛ эквивалентен соответственно индуктивности или емкости схемы_прототипа, отмеченным на рис.1 в виде так называемых обобщенных нормированных параметров (проводимостей) , k = 1,2,...,n. По этим параметрам можно осуществить обратное преобразование с целью реализации в виде отрезков МПЛ с искомыми значениями W_в(Z_в) и W_н(Z_н).

Рис.1 Фильтр-прототип

2. Этапы проектирования ФНЧ

1) В начале работы нам необходимо было подобрать оптимальные параметры подложки. Для того, чтобы добиться оптимального варианта лучше выбрать по возможности диэлектрик более высоким значением е_r. Высоту h подложки лучше выбирать небольшую. Высота подложки влияет на механическую прочность в процессе изготовления, сборки и эксплуатации фильтра. К тому же от параметров е_r и h зависит условие одноволнового режима( f_З <f_c1)

2) Немаловажным является оптимальный подбор Wв и Wн Важно учитывать соотношение, что Wн W0 Wв Стоит заметить, что значения Wн ,W0 и Wв не должны отличаться больше, чем на порядок. В противном случае, такой фильтр будет сложно сконструировать. При выборе наиболее отпимального варианта необходимо помнить о таких параметрах, как технологичность конструкции ( простота изготовления, в частности возможно большие значения Wв и h, минимальный разброс длин lRэлементов), минимальная стоимость (минимальные массогабаритные характеристики, в частности возможно меньшее число элементов n и общая длина l фильтра).

3) После необходимо посчитать потери в полученном фильтре.

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

3. Основные параметры МПЛ

Рис. 2

Рис. 3

W_o - ширина проводящего полоска;

W_в- ширина высокоомного полоска;

W_н- ширина низкоомного полоска;

l_i- длина i-го элемента;

l - суммарная длина всех элементов;

l₀ - длина подводящего полоска;

е_r - диэлектрическая проницаемость подложки;

h - высота подложки;

t - толщина полоска;

у_Ме- проводимость материала полоска.

4. Анализ результатов проектирования

ПРОТОКОЛ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВЧ ФНЧ на МПЛ.

ИСХОДНОЕ ЗАДАНИЕ :

Тип АЧХ : РПХ

Граничная частота полосы пропускания, (ГГц) : 5.10

Граничная частота полосы заграждения, (ГГц) : 5.30

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

Затухание в полосе заграждения, (дБ) ..... : 33.00

Волновое сопрот. подводящих полосков, (Ом) : 75.0

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ :

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

Высота подложки, (мм) .................... : 2

Количество элементов фильтра ............. : 17

Волнов. сопрот. высокоомного элемента, (Ом) : 381.8

Волнов. сопрот. низкоомного элемента, (Ом) : 63.3

ПОПЕРЕЧНЫЕ РАЗМЕРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ФИЛЬТРА :

Ширина подводящих полосков, (мм) ....... : 3.41

Ширина высокоомного элемента, (мм) ....... : 0.006

Ширина низкоомного элемента, (мм) ....... : 4.5

ДЛИНЫ ЭЛЕМЕНТОВ ФИЛЬТРА :

1 - 5.66 мм 2 - 1.89 мм 3 - 8.18 мм 4 - 1.9 мм

5 - 8.42 мм 6 - 1.91 мм 7 - 8.48 мм 8 - 1.91 мм

9 - 8.49 мм 10 - 1.91 мм 11 - 8.48 мм 12 - 1.91 мм

13 - 8.42 мм 14 - 1.9 мм 15 - 8.18 мм 16 - 1.89 мм

17 - 5.66 мм

Суммарная длина элементов фильтра, (мм) .. : 85.169

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ПОТЕРЬ В ФИЛЬТРЕ :

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

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

Толщина полоска, (мм): 0.005

На частоте 5,1 ГГц общие потери 0,467 дБ, из них

в полоске фильтра, (дБ): 0.044

в подложке фильтра, (дБ): 0.013

на излучение, (дБ): 0.41

Рис. 4 АЧХ схемы 1.

СВЧ фильтр, сконструированный по данной схеме имеет суммарную длину 86.189 мм. Общие потери 0,514 дБ на частоте 5,1 ГГц. являются показателем хорошей АЧХ на выходе, количество элементов 17. Длина фильтра по расчетом программы получилась большой и соответствует большим массогабаритным размерам, однако из-за того, что выбранный нами материал подложки фторопласт-4, имеет низкую диэлектрическую проницаемость, фильтр имеет небольшие потери на излучении. Чтобы получить данный вариант фильтра, в техническом задании не было никаких изменений. Но данный фильтр имеет тонкую структуру элементов, что приводит к затруднению, чем ”жертвовать”.

Коэффициент прямоугольности заданной АЧХ:

,

Коэффициент прямоугольности АЧХ последнего варианта фильтра такой же:

(K_п'-K_п)/К_п=/1,0301 * 100%0.009 %

5.Расчет и оценка потерь в фильтре

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

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

Потери энергии на излучение составили 0.41 дБ.

Для расчета потерь в полоске была выбрана его толщина t = 0.005мм из условия t ? 3д, где д - глубина проникновения поля в металл (глубина скин-слоя), и равная 0,00093 мм. Таким образом, потери в полоске составили 0.044.

Потери в диэлектрике фильтра (с учетом выбранного материала и тангенса диэлектрических потерь) составили 0.013дБ.

В результате, суммарные потери в фильтре составили величину порядка 0,514 дБ.

Таким образом, сигнал, проходящий через данный фильтр, почти не будет ослабляться, чего и требовалось достичь в процессе проектирования этого фильтра.

6. Расчет параметров микросборки

Микросборка представляет собой законченный микроволновый узел (модуль), состоящий из подложки с нанесенной на неё схемой спроектированного фильтра (платы), помещенной в корпус с коаксиально-полосковыми переходами (КПП), предназначенными для включения платы во внешнюю цепь (микроволновый тракт).

Плата изготавливается на основе подложек прямоугольной формы с шириной а и длиной b.

Ширина а подложки с целью минимизации краевых эффектов выбирается из условия . Примем а = 50 мм.

Длина b подложки должна быть больше общей длины l фильтра, причем разница между ними определяет длину l₀ подводящих полосков:

.

Для спроектированного ФНЧ на МПЛ:

l = 85.169 мм,

b = 100 мм,

l₀ = 7.4 мм,

а = 50 мм.

Важным моментом является соблюдение условия согласования, которое обеспечивает минимальное отражение электромагнитной волны в месте соединения элементов микроволнового тракта и заключается в равенстве волновых сопротивлений этих элементов.

= 75 Ом

,

где D и d - соответственно, диаметры экрана и центрального проводника коаксиальной линии. Принимаем что = 3.41

D=3.41* [мм]

Заключение

Мною была спроектирована схема микроволнового фильтра нижних частот на основе микрополосковой линии.

В результате подбора оптимальных параметров потери в фильтре не являются значительными(0,514 дБ), так же получился фильтр размеров (88,814мм). Я считаю, что СВЧ фильтр НЧ с данным ТЗ самый оптимальный и с технической, и с экономической точки зрения.

микроволновый фильтр компьютерный микрополосковый

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. (Изв. 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. Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Т.1. М.: Связь, 1971.

Размещено на Allbest.ru

...