Разработка фильтра верхних частот (ФВЧ) сверхвысоких частот (СВЧ) на микрополосковых линиях (МПЛ) с чебышевской характеристикой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Разработка ТЗ

Краткий обзор фильтров СВЧ и их классификация

Расчет электрических и конструктивных параметров ФВЧ

3.1. Выбор материала подложки

3.2. Расчет электрических параметров ФВЧ

3.3. Расчет размеров МПЛ

Расчет надежности

Расчет допусков

Заключение

Список литературы



Введение

В данной курсовой работе разрабатывается фильтр верхних частот (ФВЧ) сверхвысоких частот (СВЧ) на микрополосковых линиях (МПЛ) с чебышевской характеристикой, предназначенный для работы в измерительном устройстве.

В ходе работы изложены основы расчета и конструирования ФВЧ СВЧ, производится краткий анализ фильтров СВЧ, расчет электрических параметров и расчет конструкции ФВЧ.

В первом разделе курсовой работы производится разработка расширенного технического задания.

Во втором разделе производится краткий обзор устройств данного типа, классификация по радиотехническим и электрическим параметрам.

В третьей главе производится электрический и конструктивный расчет.

Первый пункт четвёртой главы содержит выбор материалов подложки.

Второй пункт - расчёт электрических параметров элементов схемы.

Третий пункт - расчет размеров индуктивностей и емкостей ФВЧ на МПЛ

В четвертом пункте данной главы производится выбор корпуса для фильтра.

Пятый раздел содержит расчет оценки надежности проектируемого устройства.

Шестой раздел - расчет производственных допусков.

В итоге проделанной работы делается заключение. Здесь проводятся выводы по всем этапам проделанной работы.

фильтр сверхвысокие частоты микрополосковые



1. Разработка ТЗ

1.1 Наименование и область применения: фильтр верхних частот СВЧ предназначен для работы в измерительном устройстве

1.2 Основание для разработки: задание на курсовую работу

1.3 Цели курсового проекта

Основная цель: разработать конструкцию ФВЧ на МПЛ.

Частные цели: показатели назначения, надежность, долговечность, приспособленность к окружающей среде, совместимость, производственная технологичность, эксплуатационная технологичность, маркировка и упаковка, транспортирование и хранение.

1.4 Технические требования к устройству

1.4.1 Показатели назначения:

диапазон рабочих частот, ГГц. 4,3..5,3;

частота среза, ГГц…5,2;

максимальная частота полосы заграждения, ГГц…4,6;

максимальное затухание в полосе пропускания, не более дБ…0,05;

минимальное затухание в полосе заграждения, не менее д……..20;

тип характеристики…чебышевская;

вход и выход на стандартные коаксиальные разъемы сопротивлением, Ом…..75.

1.4.2 Показатели надежности:

среднее время наработки на отказ, не менее ч………100000;

вероятность безотказной работы по ГОСТ 27.002-89, не менее….0,998.

1.4.3 Массо-габаритные показатели:

габаритные размеры, не более мм….100200;

масса модуля, не более г… ..…1000.

1.5 Условия эксплуатации

1.5.1 Климатическое исполнение - УХЛ 4.2

диапазон температур, С….……25±10;

влажность, %.......... ....60±15;

давление, мм рт. ст………630..800.

1.5.2 Механические воздействия - М2;

вибрация:

частота, Гц……....1..60;

ускорение, g……........0,5;

удары многократные:

ускорение, g…….15;

длительность импульса, мс……..2…15.

1.6 Маркировка и упаковка

1.6.1 На корпусе изделия должны быть отчетливо нанесены:

товарный знак предприятия-изготовителя;

месяц и две последние цифры года изготовления.

1.6.2. Маркировка должна оставаться прочной и разборчивой при эксплуатации изделия в режимах и условиях, оговорённых в технической документации.



2. Краткий анализ фильтров СВЧ и их классификация

«Фильтр» в обобщенном смысле слова представляет собой устройство, которое преобразует заданным образом проходящий через него входной сигнал. По существу фильтр преобразует входные сигналы в выходные таким образом, что определенные полезные особенности входного сигнала сохраняются в выходном, а нежелательные свойства подавляются.

Частотные фильтры - это фильтры, предназначенные для выделения сигналов в определенной полосе частот и подавления сигналов в другой полосе частот. Такие фильтры находят все более широкое применение в технике СВЧ для эффективной передачи сигналов в заданной полосе частот, в схемах умножителей и преобразователей частоты, для коррекции фазочастотных характеристик и согласования различных СВЧ приборов.

В технике СВЧ наибольшее распространение получили фильтры, работающие на отражение, т. е. составленные из реактивных элементов. Идеальный фильтр такого типа обладает нулевым затуханием в заданной полосе частот и бесконечным затуханием вне этой полосы. Полоса частот, в которой затухание фильтра равно нулю (бесконечности), называется полосой пропускания (заграждения). По взаимному расположению частот пропускания и заграждения фильтры разделяются на следующие основные типы:

- фильтр нижних частот (ФНЧ), имеющий полосу пропускания и полосу заграждения (рис. 1,а);

- фильтр верхних частот (ФВЧ), имеющий полосу пропускания и полосу заграждения (рис. 1,б);

- полосно-пропускающий, или полосовой фильтр (ППФ), имеющий полосу пропускания и полосы заграждения и (рис. 1,в);

- полосно-заграждающий или заграждающий фильтр (ПЗФ), имеющий полосу заграждения и полосы пропускания и (рис. 1,г). Граничные частоты и называются частотами среза фильтра.

Рис. 1. Частотные характеристики фильтров различных типов.

Фильтр с идеальными характеристиками не может быть физически реализован, поэтому реальные фильтры, помимо полосы пропускания и полосы заграждения, характеризуются еще определенной полосой перехода, причем в полосе пропускания реального фильтра затухание не должно превышать заданной величины , в полосе заграждения не должно быть менее заданной величины , ширина полосы перехода должна быть по возможности малой. На практике чаще всего требуется, чтобы заданные характеристики фильтра сохранялись лишь в ограниченном диапазоне частот. Так, полоса заграждения ФНЧ не обязательно должна простираться до бесконечности, а, например, только до частоты 4f. При таком ограничении задача проектирования фильтров значительно упрощается.

Как правило, фильтры СВЧ не могут быть спроектированы на основе элементов с сосредоточенными параметрами, а представляют либо систему связанных резонаторов, либо систему связанных отрезков линий передачи, либо, наконец, передающую линию с периодически изменяющимися параметрами или периодически нагруженную реактивностями.

Широкое применение нашли фильтры Бесселя, Баттерворта и Чебышева, отличающиеся крутизной наклона амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в начале полосы задерживания и колебательностью переходного процесса при ступенчатом воздействии. Амплитудно-частотные характеристики этих ФНЧ четвертого порядка приведены на рис. 1.

Амплитудно-частотная характеристика фильтра Баттерворта имеет довольно длинный горизонтальный участок и резко спадает за частотой среза. Переходная характеристика такого

фильтра при ступенчатом входном сигнале имеет колебательный характер. С увеличением порядка фильтра колебания усиливаются.

Амплитудно-частотная характеристика фильтра Чебышева спадает более круто за частотой среза. В полосе пропускания она, однако, не монотонна, а имеет волнообразный характер с постоянной амплитудой. При заданном порядке фильтра более резкому спаду амплитудно-частотной характеристики за частотой среза соответствует бoльшая неравномерность в полосе пропускания. Колебания переходного процесса при ступенчатом входном воздействии сильнее, чем у фильтра Баттерворта.

Фильтр Бесселя обладает оптимальной переходной характеристикой. Причиной этого является пропорциональность фазового сдвига выходного сигнала фильтра частоте входного сигнала. При равном порядке спад амплитудно-частотной характеристики фильтра Бесселя оказывается более пологим по сравнению с фильтрами Чебышева и Баттерворта.

Рис. 2. Амплитудно-частотные характеристики фильтров четвертого порядка: 1 - идеальный фильтр; 2 - фильтр Бесселя; 3 - фильтр Баттерворта; 4 - фильтр Чебышева с неравномерностью 3 дБ.

Широкое распространение получили микрополосковые фильтры с максимально плоской характеристикой или с чебышевской.

Особенности их в том, что при одинаковой неравномерности затухания в полосе пропускания и одинаковом числе элементов фильтра полином Чебышева обеспечивает наибольшее затухание в полосе заграждения. Однако максимально плоские фильтры имеют более линейную фазочастотную и лучшую переходную характеристики, хотя и содержат большее число элементов. Поэтому такие фильтры находят преимущественное примене-ние в широкополосных системах. Следует отметить, что фильтры с чебышевской частотной характеристикой являются оптимальными в том смысле, что при одинаковых исходных данных он имеет наименьшее число звеньев.

Наиболее распространенным представителем полосовых микрополосковых фильтровявляется полосовой фильтр из полуволновых разомкнутых резонаторов с четвертьволновыми электромагнитными связями (рис. 3). Расчет фильтра относительно трудоемок, но позволяет получать как фильтры с чебышевской характеристикой, так и с максимально плоской.

Достоинства такого фильтра:

- малые габаритные размеры;

- пропускаемая непрерывная мощность через тракт может достигать 50 Вт (в зависимости от материала подложки) в микрополосковом устройстве;

- высокая стабильность характеристик при изменении температуры;

- высокая надежность;

- простота конструкции.

Рис. 3. Полосовой фильтр из полуволновых разомкнутых резонаторов с четвертьволновыми электромагнитными связями.



3. Расчет электрических и конструктивных параметров ФВЧ

3.1 Выбор материала подложки

Для расчета ФВЧ на МПЛ выбираем материал подложки. Выбор материала основания микрополосковых плат производится по следующему перечню характеристик:

- теплопроводность;

- диэлектрическая проницаемость;

- тангенс угла диэлектрических потерь;

- электрическая прочность.

С увеличением значения диэлектрической проницаемости уменьшаются габариты устройства, а следовательно, уменьшаются размеры топологического рисунка и точность изготовления.

Для фильтров на полосковых линиях диэлектрический материал необходимо выбирать по минимальному значению тангенса угла диэлектрических потерь.

Требования к точности таких устройств, как правило, достаточно высокие. Для успешного практического решения их изготовляют из материала с диэлектрической проницаемостью не более 10. Следует учитывать следующее: чем выше рабочая частота, тем меньше выбираемая величина диэлектрической проницаемости

По данным требованиям выбираем материал основания полосковой платы ситалл СТ32-1. Его параметры:

- относительная диэлектрическая проницаемость при

- тангес угла диэлектрических потерь

- коэффициент теплопроводности

- пробивное напряжение .

Данный материал подложки имеет низкие диэлектрические потери и имеет большое значение электрической прочности. Отличительные характеристики ситаллов - малая пористость, очень низкое водопоглощение (менее 0,02%) и газопроницаемость, высокая термостойкость. По твердости ситаллы превосходят стекло, обычную керамику и металлы. Все эти свойства материала подложки обеспечат надежность устройства при работе. К недостаткам ситаллов следует отнести меньшую теплопроводность по сравнению с керамическими материалами. Следовательно, данный материал возьмем за основание полосковой платы.

Толщину подложки возьмем равной 1 мм, исходя из области применения устройства, нет больших механических перегрузок.

3.2 Расчет электрических параметров ФВЧ

Находим отношение ? - нормированную частоту:

где f - частота на которой должна быть требуемое затухание

f₁ - максимальная частота в полосе пропускания, на которой затухание не должно превышать минимального затухания.

Число полуволновых резонаторов определяется по формуле:

Округляем до ближайшего большего нечетного числа, таким образом .

Нормированные значения элементов:



где - частота среза рад/с;

- индуктивность, Г;

- емкость, Ф.

Электрические параметры элементов фильтра:

3.3 Расчет размеров МПЛ

В качестве диэлектрика используем ситалл СТ32-1 с относительной диэлектрической проницаемостью , поэтому, исходя из условия, что выбираем Тогда длина волны будет равна:

Для емкостного звена выбираем волновое сопротивление равное 15 Ом, а для индуктивного - 150 Ом.

Определяем ширину микрополоска для емкостного звена:

Так как А<1,52, отношение W/h определяется следующим образом:

C учетом толщины полоски:

Так как отношение W/h больше 1/2, то W/h рассчитывается как



Находим длину микрополоска для емкостных звеньев:

Для емкостных звеньев необходимо откорректировать длину:

Краевая емкость для МПЛ:

Коррекция длины емкостных звеньев:

Определим ширину микрополоска для индуктивного звена:

Так как А>1,52, отношение W/h определяется следующим образом:

С учетом толщины полоски:

Так как отношение W/h меньше 1/2, то W/h рассчитывается как

С учетом толщины полоски получаем:

Найдем длину микрополосков для индуктивных звеньев:



Таким образом, мы рассчитали электрические и конструкционные параметры полосковых емкостей и индуктивностей.

Описание конструкции, принципа работы, обоснование выбора материалов покрытий деталей и узлов.

Конструктивно ФВЧ на МПЛ располагается в чашечном корпусе. Корпус обеспечивает механическую и электрическую защиту микрополосковой платы, обеспечивая работоспособность микрополоскового узла в условиях различных внешних воздействий. На материал корпуса предъявляется ряд требований, одно из них это коэффициент линейного расширения материала. Величина этого коэффициента должна быть схожа с величиной линейного расширения подложки микрополосковой платы. Поэтому выбираем материал корпуса - титановый сплав ВТ1-0, по ГОСТ 19807-74 выбираем корпус чашечного типа как наиболее предпочтительный для непосредственного соединения пайкой материалов полосковых плат и деталей корпуса. Материал корпуса выбираем по ГОСТ 19807-74. В качестве материала проводников микрополосковой платы, который должен иметь высокую электропроводность, малую величину температурного коэффициента сопротивления, хорошую адгезию к подложке. Выберем по ГОСТ 859-78 в качестве материала проводника медь как наиболее подходящую по характеристикам.

Конструкция чашечного корпуса состоит из самого корпуса 1, крышки 2, внутри корпуса располагается микрополосковая плата 3.Крепление платы в корпусе производится установкой ее на уступы, расположенные вдоль стенок с последующей пайкой по периметру платы.

Соединители ВЧ (СРГ-50-751Ф ВРО.364.008.ТУ) устанавливаются в заранее подготовленные места, где закрепляются с помощью пайки по периметру.



Оценка надежности

Произведем оценку надежности. Интенсивность отказа устройства в целом определяется по следующей формуле:

где k₁ - коэффициент, зависящий от воздействия механических факторов;

k₂ - коэффициент, зависящий от воздействия влажности и температуры;

k₃ - коэффициент, зависящий от давления воздуха;

- интенсивность отказа элемента схемы;

- интенсивность отказа паек;

m - количество паек.

Коэффициент, зависящий от воздействия механических факторов - k₁ , равен 1, так как по условию ТЗ устройство предназначено для работы в измерительном устройстве, где отсутствуют механические воздействия.

Коэффициент, зависящий от воздействия влажности и температуры - k₂ , равен 2 для следующих условий: температура 20-25, относительная влажность до 98%.

Коэффициент, зависящий от давления воздуха - k3, равен 1 для нормального атмосферного давления.

Данные об интенсивностях отказов составных частей устройства и паек приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Наименование		Количество
Переход высокочастотны	2,62	2
Пайка навесного монтажа	0,03	4
Микрополосок	0,015	9
Плата	0,7	1

Найдем :

Среднее время наработки на отказ устройства в целом определятся по следующей формуле:

Рассчитаем вероятности безотказной работы фильтра НЧ. Для этого воспользуемся формулой:

Рассчитаем значение времени t при вероятности равной 0,998:

Расчет надежности показывает, что среднее время наработки на отказ составляет 160000 ч. Обычно для устройств РЭА требуемое значение данного параметра составляет 100000 ч. Через 3221 ч вероятность безотказной работы будет составлять 0,998. Из всего выше перечисленного можно сделать вывод, что спроектированное устройство обладает хорошей надежностью. Устройство будет работоспособным в течение рассчитанного времени при соблюдении условий эксплуатации.



Расчет допусков

Исходные данные для расчета:

- ширина полоска W=7,524 мм;

- производственный допуск на ширину полоска W=0,01 мм;

- толщина подложки h=1 мм;

- производственный допуск на высоту подложки h=0,1 мм;

- диэлектрическая проницаемость подложки =7;

- производственный допуск на значение диэлектрической проницаемости подложки согласно ТХО.781.002 ТУ ;

- диэлектрическая проницаемость подложки (значение с учетом дисперсии) ;

- волновое сопротивление тракта

Необходимо определить относительное изменение сопротивления тракта (в %) при данных производственных допусках и определить .

Рассчитаем изменение сопротивления тракта:

где k - коэффициент влияния диэлектрика:

В процентном отношении изменение сопротивления тракта



Рассчитаем :

Приращение волнового сопротивления определяется по формуле:

где k - коэффициент влияния диэлектрика:

Рассчитаем производственный допуск по формуле:

Тогда фактические размеры МПЛ:

Рассчитаем :

Коэффициент отражения:

В ходе расчетов допусков определили относительное изменение сопротивления тракта

Определили коэффициент стоячей волны К_CTU=1.04.

В результате расчетов получили:

1. Относительное изменение сопротивление тракта

2. Получившееся значение коэффициента стоячей волны К_CTU=1,062 меньше К_CTU=1,15 по ТЗ, следовательно данный метод изготовления печатных плат и допустимые отклонения выбраны правильно.



Заключение

В данной курсовой работе был разработан фильтр верхних частот СВЧ диапазона на микрополосковых линиях с чебышевской характеристикой, предназначенного для работы в измерительном устройстве. Согласно техническому заданию разрабатываемый фильтр имеет следующие параметры:

- частота среза 4,3 ГГц;

- максимальная частота полосы заграждения 4,1 ГГц;

- максимальное затухание в полосе пропускания не более 0,05 дБ;

- полоса пропускания 4,3...5,3 ГГц;

- минимальное пропускание в полосе заграждения не менее 25 дБ;

- максимальная передаваемая мощность 0,5 Вт;

- вход и выход на стандартные коаксиальные разъемы 50 Ом.

В ходе работы прошло ознакомление с основами расчета и конструирования ФВЧ СВЧ, произведен краткий анализ фильтров СВЧ, расчет электрических параметров и расчет конструкции ФВЧ.



Список литературы

1. Иванов Б. П. Конструирование РТС. Методические указания. Ульяновск: УлГТУ, 1993.-50с.

2. Ковалев И. С. Конструирование и расчет полосковых устройств. Москва: 1974.-296с.

3. Матей Д. Л., Янг Л., Джонс Е. М. Т Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи/Л. Янг - т.1,2.-М.: Связь, 1971 - 440 с; 428с.

4. Романычева Э.Т. Разработка и оформление КД радиоэлектронной аппаратуры: справочник/Э. Т. Романычева - М.: Радио и связь, 1989.-448с.

5. Гупта К., Радж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ-устройств. Москва: Радио и связь, 1987.-430с.

Размещено на Allbest.ru

...