Разработка микрополоскового фильтра нижних частот

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Сокращения

Введение

1. Линии передачи и способы реализации микрополоскового фильтра нижних частот

1.1 Общие сведения о линиях передачи

1.2 Общие сведения о СВЧ фильтрах

1.3 Методы реализации распределённых параметров

1.4 Ступенчатый фильтр нижних частот на замкнутых шлейфах

1.5 Фильтр нижних частот на оптимальных шлейфах

1.6 Фильтр нижних частот на радиальных шлейфах

Выводы по главе 1

2. Используемые материалы в СВЧ-технике

2.1 Выбор материала диэлектрического основания

2.2 Выбор материала микрополосковых линий и металлических оснований

Выводы по главе 2

3. Разработка ступенчатого микрополоскового фильтра нижних частот

3.1 Выбор среды моделирования

3.2 Принципы линейного моделирования

3.3 Принципы электромагнитного моделирования (EMsight)

3.4 Расчет порядка прототипа

3.5 Моделирование ступенчатого фильтра нижних частот

3.6 Моделирование фильтра нижних частот с радиальными шлейфами

3.7 Моделирование фильтра нижних частот на оптимальных шлейфах

3.8 Анализ реализаций фильтра нижних частот на основании результатов моделирования

Выводы по главе 3

Заключение

Список литературы

Сокращения

ЛП - линия передач

МП - микрополосковый

МПЛ - микрополосковая линия передач

МПФ - микрополосковый фильтр

ФНЧ - фильтр нижних частот

СВЧ - сверхвысокие частоты

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика



Введение

За последние пятнадцать лет сверхвысокочастотная электроника стала одной из наиболее активно развивающихся отраслей радиоэлектроники. С возросшим уровнем интеграции значительно повысилась производительность электронных схем и снизились минимальные размеры электронных компонентов: технология изготовления КМОП транзисторов достигла отметки десяти нанометров. Одновременно с этим скорость работы электронных устройства возросла с десятков до сотен гигагерц [1].

Одним из важнейших направлений развития СВЧ электроники являются различного рода фильтрующие структуры, применяемые в трактах радиоприемных устройствах и радиотехнических средствах измерений (анализаторы сигналов, сканирующие приемники). Проектирование фильтров на элементах с распределенными параметрами является достаточно сложным процессом, в котором присутствуют сложные математические расчеты. Основным методом работы при проведении расчёта характеристик микрополосковых фильтров СВЧ, как и многих других исследовательских работ в области СВЧ электроники, является математическое моделирование. Ключевым моментом в таком проектировании является электромагнитное моделирование

Высокочастотная электроника является неотъемлемой частью курса подготовки студентов. В ходе анализа научно-технической литературы [2], [3], [4] было выявлено, что на русском языке присутствуют методические указания, использующие только ступенчатую реализацию фильтра нижних частот. Соответственно, при проведении лабораторных практикумов с физическим изготовлением схем, студенты должны иметь представление об особенностях различных реализаций фильтра и исходя из этого определять, каким способом лучше всего реализовать структуру фильтра по заданным условиям, включая габаритные размеры (для проверки разработанного устройства на приборе Обзор-304/1, работающий на частотах до 3 ГГц).

Следовательно, необходимо составить рекомендации по использованию различных реализаций. Таким образом, тему можно считать актуальной.

Целью данной дипломной работы является разработка микрополоскового фильтра нижних частот по установленному техническому заданию. Для достижения поставленного задания были решены следующие задачи:

1. Выбраны материалы подложки, подходящие по требованиям к разрабатываемому микрополосковому фильтру;

2. Проведено линейное и электромагнитное моделирование синтезируемого фильтра различных реализаций на разных подложках;

3. Получена топология фильтра и его габаритные размеры;

Постановка задачи:

Разработать микрополосковый фильтр нижних частот, отвечающий следующим параметрам:

- Верхняя частота полосы пропускания 1400 МГц

- Подавление на частоте 2800 МГц не менее 40 дБ

- Пульсации в полосе пропускания не более 0,5 дБ

- Коэффициент отражения от входов не более 20 дБ

- Ширина отрезка линии не менее 0,2 мм



1. Линии передачи и способы реализации микрополоскового фильтра нижних частот

1.1 Общие сведения о линиях передачи

Линия передачи в электродинамике является система тел, обеспечивающая перенос энергии электромагнитного поля в определенном направлении. В качестве элементов переноса энергии выступают разного рода металлические или диэлектрические структуры. Волна, распространяющаяся в линии передачи, называется направляемой волной. Её поле должно удовлетворять уравнениям Максвелла, а также условиям, задаваемым структурой линии передачи.

В любой точке пространства направленная волна характеризуется двумя векторами поля E и H. Направляемые волны классифицируются в зависимости наличия или отсутствия проекции этих векторов на ось O_z. Таким образом направляемые волны разделяют на четыре класса [2]:

· TЕM-волны (англ. Transverse Electromagnetic) - волна типа Т. Векторы E и H перпендикулярны оси O_z. Продольные составляющие E_z = 0 и H_z = 0 равны нулю. ТЕМ-волной является плоская электромагнитная волна в неограниченном пространстве. Данный тип волн используется в двухпроводных, коаксиальных и полосковых линиях передач.

· ТЕ-волны (англ. Transverse Electric) - магнитные волны E_z = 0 и H_z ? 0

· ТМ-волны (англ. Transverse Magnetic) - электрические волны E_z ? 0 и H_z = 0

· ЕН-волны - гибридные волны, E_z ? 0 и H_z ? 0. На практике, волны такого типа в линиях передачи не применяют.

Линии передачи бывают двух типов:

1. Открытого типа - электромагнитное поле распределено во всем пространстве, но большая часть энергии концентрируется возле направляющих элементов системы

2. Закрытого типа - электромагнитное поле распределено внутри области, отделённой от остального пространства металлической оболочкой

На практике на разных частотных диапазонах применяют линии передачи определенного типа. Так, на низких частотах от 1 Гц до 100 кГц применяются открытые двухпроводные линии передачи.

Рисунок 1. Двухпроводная линия передачи

На более высоких частотах, энергия сильнее излучается в окружающее пространство, соответственно возрастают потери. Для решения данной проблемы используют линии передачи закрытого типа, экранируя их металлом. Так, в диапазоне от высоких до ультравысоких частот (100 кГц - 3 ГГц) используются коаксиальные линии передачи.

Рисунок 2. Сечение коаксиальной линии передачи

В конструкции большого количества СВЧ устройств лежат микрополосковые отрезки линии передач. Несмотря на то, что диапазон сверхвысоких частот формально находится в пределах от 3 до 30 ГГц, на практике устройства СВЧ называют устройства, работающие в диапазоне от 300 МГц до 300 ГГц. МПЛ широко используется в качестве составных частей таких сверхвысокочастотных устройств, как делители мощности, ответвители, фазовращатели, фильтры и другие. Микрополосковые линии обладают рядом преимуществ, которые проявляются в полной мере при создании гибридных электрических цепей, содержащих элементы с распределенными и сосредоточенными параметрами [2]:

· малые габаритные размеры и масса

· большая широкополосность

· удобство сопряжения с активными полупроводниковыми приборами

· дешевизна

Однако в МПЛ существенно сильнее взаимное влияние между соседними проводниками, что обуславливается открытостью микрополосковой структуры. Конструкция МПЛ представлена на Рис. 1:

Рисунок 3. Структура МПЛ

Как видно из рисунка, микрополосковая линия представляет из себя металлический проводник (полоска) шириной W и толщиной t, которая лежит на жесткой подложке, обеспечивающей прочность конструкции, высотой h, выполненной из однородного диэлектрика с относительной диэлектрической проницаемостью е_r. Снизу конструкция имеет основание, экранированное слоем металла. МПЛ различают на симметричные и несимметричные. У несимметричной МПЛ один слой экрана используют для создания топологии платы. В конструкции симметричных МПЛ рисунок с топологией накрывают такой же микрополосковой платой с удаленным с внутренней стороны экраном, а внешние экраны соединяют между собой.

Рисунок 4. Распределение электромагнитных волн в симметричных (слева) и несимметричных (справа) МПЛ

Рассмотрим особенности распространения поля в несимметричной микрополосковой линии. В отличии от коаксиальной линии, в которой электромагнитная волна распространяется в полностью изолированном диэлектриком пространстве, структура поля в МПЛ имеет относительно сложный характер, поскольку только лишь часть поля концентрируется в промежутке, заполненном диэлектриком, когда оставшаяся часть - рядом с полоской в воздушной среде. С этим фактором связаны потери энергии при излучении. (Рис. 2). Чем выше значение относительной диэлектрической проницаемости подложки, тем сильнее в ней концентрируется электромагнитное поле, поэтому потери в линии уменьшаются.

Рисунок 5. Распространение электрических силовых линий в МПЛ

Соответственно можно сделать вывод, что распространяющаяся в микрополосковой линии мода не является чистой Т-волной, а некого рода квази-Т-волной. Приставка «квази» подчеркивает, что в линии различия в структурах полей слоистой среды воздух (еr = 1) - диэлектрик (еr ? 1) невелико. Однако по мере повышения частоты заметно проявляется дисперсия линии, т.е. такие параметры микрополосковой структуры, как волновое сопротивление и эффективная диэлектрическая проницаемость начинают зависеть от частоты. Основными параметрами МПЛ являются следующие величины:

- Волновое сопротивление Z

- Эффективная диэлектрическая проницаемость е_re

- Длина волны в линии

- Предельная частота волны f

При математическом моделировании МПЛ, толщиной полоски t пренебрегают, поскольку значение данного параметра очень мало. Расчет эффективной диэлектрической проницаемости и волнового сопротивления проводится в зависимости от отношения ширины полоски W к высоте диэлектрического основания h [5].

Для случая, когда отношение W/h ? 1:

(1)

Где з = 120р Ом - сопротивление волны в свободном пространстве.

Для случая, когда отношение W/h ? 1 формулы принимают следующий вид:

Однако существует более точное выражение для данных величин, разработанное учеными Хаммерстедем и Йенсеном. Особенность данного выражения заключается в том, что расчет может проводится универсально для любого отношения W/h. Выражения для расчета эффективной диэлектрической проницаемости:

Где u = W/h, и

По утверждению авторов, точность данной модели на 0,2% больше для е_r ? 128 и 0,01 ? u ? 100

Более точное выражения для характеристического сопротивления МПЛ:

Где

Длина волны, распространяющейся в МПЛ определяется выражением:

Где л₀ - длина волны на операционной частоте f. Для удобства расчета формула может быть преобразована, используя операционную частоту f в Гигагерцах. Тогда длина волны в линии может быть выражена в миллиметрах:

Предельная частота волны, распространяющаяся в микрополосковой линии, определяется возникновением поверхностной волны на границе раздела сред диэлектрик - воздух. Определяется по следующей по формуле:

Где f - частота в ГГц, h - толщина подложки в мм.

1.2 Общие сведения о СВЧ фильтрах

СВЧ фильтры являются пассивными четырехполюсниками с ярко выраженной частотной избирательностью. Сигнал беспрепятственно пропускается в заданной полосе частот и подавляется вне этой полосы. Полоса частот с малым ослаблением называется полосой пропускания или полоса прозрачности. Полоса частот с большим ослаблением называется полосой заграждения. Зависимость вносимого фильтром ослабления L от его частоты f называется амплитудно-частотной характеристикой фильтра (АЧХ). По виду АЧХ частотные фильтры разделяют на четыре типа [6]:

1) ФНЧ - фильтр нижних частот

2) ФВЧ - фильтр верхних частот

3) ПЗФ - полосно-заграждающий фильтр

4) ППФ - полосно-пропускающий фильтр

Рисунок 6. Передаточные характеристики вносимого ослабления фильтров разного типа

В идеальном фильтре ослабление в полосе пропускания равно нулю и стремится к бесконечности в полосе заграждения.

Рисунок 7. Идеальная АЧХ ФНЧ

Так как физически реализовать характеристики идеальных фильтров не предоставляется возможным, их описывают аппроксимирующими функциями, которые с заданной точностью приближают характеристики фильтра к идеальным. Наибольшее распространение получили две аппроксимирующие функции. Первая - полином Баттерворта, который обладает максимально гладкой АЧХ в полосе пропускания. Передаточная функция фильтра нижних частот Баттерворта n-го порядка характеризуется выражением:

(2)

АЧХ Баттерворта обладает следующими свойствами:

1) При любом значении порядка фильтра n

2) На частоте среза f_c

Рисунок 8. АЧХ фильтра Баттерворта

Вторая - полином Чебышева, который обеспечивает крутой спад АЧХ в полосе заграждения, но при этом присутствуют пульсации в полосе пропускания. Передаточная функция Чебышевской АЧХ описывается следующим выражением:

Где ,

Формула (4) - полином Чебышева первого рода порядка n. Рассмотрим особенности Чебышевской характеристики:

1) Значение АЧХ на частоте среза щ _c равно

2) При щ ? 1 монотонно убывает и стремится к нулю функция

3) Параметр е определяет неравномерность АЧХ фильтра в полосе пропускания

Рисунок 9. АЧХ фильтра Чебышева

1.3 Методы реализации распределённых параметров

Наиболее удобный способ реализации широкополосных фильтров, работающих в СВЧ диапазоне, является построение их из отрезков микрополосковых линий, который выполняют роль элементов цепей со сосредоточенными параметрами. Если длинна линии относительно мала и требования к точности расчета невысоки, то такой отрезок можно представить соответствующим реактивным элементом. Например, отрезок линии с высоким импедансом, нагруженный с обоих концов отрезками с относительно низким значением импеданса, можно заменить эквивалентной схемой с последовательно подключенной индуктивностью [7].

Рисунок 10. Реализация индуктивности

Аналогичным образом, отрезок с низким импедансом, нагруженный с обоих концов линиями с высоким импедансом, эквивалентен последовательно подключенному конденсатору.

Рисунок 11. Реализация конденсатора

При проектировании фильтра, которому предъявляются повышенные требования к точности, необходимо также учитывать краевые емкости на концах линий и на участках стыка двух линий. Для оценки краевой емкости сначала вычисляют емкость на единицу длины линии.

,

Затем необходимо приблизительно оценить влияние краевых емкостей на концах линий, определив ее полную эффективную электрическую длину как сумму измеренной длины линии и добавочной длины на каждом конце, которая определяется выражением [4]:

,

Где - ширина полоски в см, а определяется из графика зависимости краевой емкости от ширины линии:

Рисунок 12. Краевая емкость полубесконечной пластины

1.4 Ступенчатый фильтр нижних частот на замкнутых шлейфах

Фильтра нижних частот данной реализации, проиллюстрированный на Рис. 2, представляет собой последовательно каскадируемые чередующиеся структуры микрополосковых линий с высоким и низким импедансом. Линия с высоким импедансом ведет себя как последовательно подключенная катушка индуктивности, а линия с низким импедансом - как параллельно подключенный конденсатор [5]. Данная структура фильтра реализует типичную схему лестничного фильтра нижних частот (Рис. 3), построенного на распределенных компонентах.

Рисунок 13. Структура микрополоскового лестничного фильтра нижних частот

Выражения для определения индуктивности и емкости шлейфов зависят от характеристического сопротивления и длины линии передачи. При проектировании фильтра данным методом исходят из следующих допущений:

- Z_0C < Z₀ < Z_0L, где Z_0C и Z_0L определяют характеристическое сопротивление низко- и высокоимпедансных линий соответственно, и Z₀ - сопротивление источника, который для микрополосковых фильтров берется равным 50 Ом.

- Чем меньше значение Z_0C, тем лучше микрополосковая линия отражает емкостные свойства, но результирующая ширина полоски не должна провоцировать возникновение поперечного резонанса на рабочих частотах

- Чем больше значение Z_0L, тем лучше микрополосковая линия проявляет индуктивные свойства, однако слишком большое значение характеристического сопротивления приведет к тому, что ширина полоски будет обладать чрезвычайно малыми размерами, что приведет к невозможности изготовления такого фильтра в лабораторных условиях

Длина микрополосковых линий определяется следующими формулами [5]:

,

,

Передаточные характеристики коэффициента передачи и коэффициента отражения данного фильтра представлена на Рис. 14:

Рисунок 14. Характеристики коэффициентов передачи(s21) и отражения (s11) микрополоскового фильтра на замкнутых шлейфах

1.5 Фильтр нижних частот на оптимальных шлейфах

В общем виде фильтр на оптимальных шлейфах представляется в виде каскада коротких шлейфов с четвертьволновыми связями. Главное преимущество данного фильтра согласно [8] - повышенная частотная избирательность. По сравнению со ступенчатой реализацией, порядок фильтра необходимый для достижения требуемых значений АЧХ принимает меньшее значение. Пример топологии фильтра на оптимальных шлейфах:

Рисунок 15. Фильтр на оптимальных шлейфах

1.6 Фильтр нижних частот на радиальных шлейфах

В данном типе фильтра в качестве участков с низким импедансом используются радиальные шлейфы. Использование радиального шлейфа, в отличии от обычного отрезка микрополоска позволяет уменьшить вносимые потери в полосе пропускания и получить более компактную структуру фильтра. Радиальные шлейфы обеспечивают лучшую частотную избирательность, чем реализации с четвертьволновыми связями. [7]

Рисунок 16. Топология ФНЧ на радиальных заглушках

Характеристическое сопротивление согласно [9] характеризирует формула:

Значения индуктивных и емкостных свойств выражаются следующим образом:

Где h - толщина подложки, в - фазовая константа, иr - угол в радианах, с - скорость света, е_eff - эффективная диэлектрическая проницаемость, r_i - внутренний радиус радиального шлейфа, r_o - внешний радиус радиального шлейфа.

Выводы по главе 1

Были проанализированы преимущества и недостатки различных реализаций СВЧ фильтров нижних частот. Так ступенчатая реализация наиболее проста в изготовлении и проектировании, но менее избирательна в отличии от других реализаций. Реализация на радиальных шлейфах имеет наиболее компактные габариты, однако наиболее трудоемка при проектировании ввиду сложного строения топологии. Компактность габаритов в то же время может иметь и отрицательные стороны, так как взаимное влияние близкорасположенных линий может негативно сказываться на выходных характеристиках. В свою очередь, фильтр на оптимальных шлейфах также прост в исполнении, как и ступенчатая реализация и обладает отличной частотной избирательностью. Соответственно, для определения наиболее удачной конструкции фильтра для заданных условий необходимо провести моделирование всех реализаций и провести анализ результатов.



2. Используемые материалы в СВЧ-технике

2.1 Выбор материала диэлектрического основания

При изготовлении СВЧ микросхем важную роль играет чистота обработки поверхности диэлектрических материалов, поскольку с увеличением неоднородности поверхности происходит увеличение потерь энергии при передаче. Основания микрополосковых плат классифицируются по химической основе на два класса:

- органические

- неорганические

Органические основы изготавливаются из неполярных полимеров, таких как фторопласт, полиэтилен, полипропилен, и полярных полимеров - полистирол, полифениленоксид, а также их сополимеры. В процессе изготовления материалов на органической основе для направленного изменения определенных физико-технических параметров их подвергают армированию, наполнению и другим видам модификаций. При наполнении органических диэлектрических основ в их структуры добавляются тонкодисперсные или керамические порошки. Армируются материалы стеклотканью. В качестве диэлектрических материалов на неорганической основе используют ситаллы и керамику различных видов. При изготовлении микрополосковых плат нефольгированые органические и неорганические материалы металлизируют. При выборе оснований микрополосковых плат руководствуются характеристиками, которые необходимы для удовлетворения поставленной задачи по разработке МПЛ [10]:

- способность сохранять форму и линейные размеры в различных климатических условиях

- чистота обработки поверхности

- однородность материала

- теплопроводность

- электропроводность

- относительная диэлектрическая проницаемость

- тангенс угла диэлектрических потерь

При проектировании таких СВЧ-устройств, как резонаторы, направленный ответвители, фильтры и другие высокодобротные устройства на МПЛ, выбирают диэлектрический материал, обладающий наименьшим значением тангенса угла диэлектрических потерь, большой стабильностью относительной диэлектрической проницаемости и линейных размеров. Также при выборе подложки необходимо учитывать, что линейные размеры отрезков микрополосковых линий зависят от диэлектрической проницаемости материала следующим выражением:

Где l - длина отрезка линии, e-----диэлектрическая проницаемость материала. Из данной формулы следует, что чем больше значение диэлектрической проницаемости, тем меньше габаритные размеры микрополосковой линии. Эмпирическим путем было установлено, что при использовании подложки с диэлектрической проницаемостью более 5, топологические размеры некоторых отрезков не превышают 0,2 мм, что делает возможность изготовления таких линий чрезвычайно технологически сложной. Также, стоит учесть влияние толщины подложки на размеры линий. Уменьшая толщину можно добиться уменьшения размеров топологии фильтра, однако это может привести к ситуации, когда разработанный фильтр технически нереализуем.

Учитывая все вышесказанное, в качестве подложек были выбраны 2 варианта наиболее распространенные на рынке:

1) Подложка RO4003, выпускаемая компанией Rogers. Материал данной подложки изготавливается на основе термореактивного полимера.

2) Производимый рядом российских компаний по ГОСТ 21000-81 материал ФАФ-4Д. Фторопластовый материал, изготавливаемый путем прессования слоев стеклоткани.

Таблица 1. Перечень материалов, используемых при моделировании

Материал	Диэлектрическая проницаемость	Тангенс диэлектрических потерь	Толщина подложки, мм
ФАФ-4Д	2,50	0,0010	1,000
ФАФ-4Д	2,50	0,0010	1,500
RO4003	3,38	0,0027	0,508
RO4003	3,38	0,0027	0,813

2.2 Выбор материала микрополосковых линий и металлических оснований

Проводящие полоски в МПЛ и заземленная часть основания выполняются из металлов, обладающих малым удельным электрическим сопротивлением, которые обеспечивают минимальные потери при передаче сигнала. В основаниях микрополосковых структур в основном используют алюминиевые сплавы, медь, латунь. В таблице 1 приведена общая информация относительно металлических материалов в СВЧ-устройствах

Таблица 2. Материалы микрополосковых линий и металлических оснований

Металл	Удельный вес, г/см3	Удельное сопротивление, Ом*м*10-6	Толщина скин-слоя (на частоте 2.0 ГГц), мкм
Медь	8,94	0,0172	1,48
Серебро	10,50	0,0162	1,44
Золото	19,30	0,0244	1,75
Алюминий	2,70	0,0262	1,85

Материал проводников должен обладать высокой электропроводностью, малым коэффициентом теплового сопротивления, иметь хорошую адгезию к подложке, должен хорошо растворяться в химических травителях, а также легко осаждаться при вакуумном напылении или при нанесении гальваническим методом. Толщина металлического покрытия должна быть больше толщины скин-слоя [10]. На данный момент на рынке самым распространённым проводящим материалом является медь. Она обладает всеми необходимыми параметрами и свойствами, а также является экономичным решением. Поэтому в качестве фольгирующего материала выбрана медь толщиной 35 мкм.

Выводы по главе 2

Были рассмотрены основные требования, предъявляемые к материалам диэлектрических подложек и микрополосковым линиям при проектировании СВЧ устройств. В результате были выбраны материалы, подходящие по параметрам (диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, материал фольгирования и др.), которые позволят решить задачу проектирования микрополоскового фильтра нижних частот.



3. Разработка ступенчатого микрополоскового фильтра нижних частот

3.1 Выбор среды моделирования

Одним из популярных программных продуктов, используемых для проектирования радиочастотных устройств и устройств СВЧ, является AWR DESIGN ENVIRONMENT (AWRDE) компании Applied Wave Research. Он включает в себя три инструментальных средства: Microwave Office (MWO), Visual System Simulator (VSS) и Analog Office (ANO). Эти средства интегрированы в единую среду проектирования и могут использоваться вместе, не выходя из этой среды.

Среда проектирования AWR использует единую объектно-ориентированную модель данных, синхронизирующую работу над проектом без использования промежуточных трансляторов. Microwave Office позволяет создавать схемы, состоящие из элементов схем (сосредоточенных и распределённых) и электромагнитных структур. Схемы могут иметь сложную иерархическую структуру, включающую множество подсхем на различных уровнях иерархии. В качестве подсхем могут использоваться ранее созданные схемы или электромагнитные структуры, а также списки цепей, файлы данных или элементы из библиотек сторонних пользователей. Для создания схем имеется обширная библиотека встроенных схемных элементов [11].

Для моделирования можно использовать один из методов: линейное моделирование, электромагнитное моделирование и др. Результаты могут выводиться в различных графических формах или в таблице в зависимости от цели проводимого анализа. Имеется множество измеряемых величин, которые можно отобразить на графиках. Можно настраивать или оптимизировать электрические схемы, созданные в проектах, и все изменения немедленно и автоматически отражаются на графиках и в топологии.

В AWR имеется возможность интеграции программ сторонних производителей. Интерфейс EM Socket (двусторонний канал связи) даёт возможность непосредственно из проекта AWR использовать вычислительные модули различных производителей программного обеспечения для электромагнитного моделирования, поддерживающих этот интерфейс. Анализ топологии устройства, созданной в Microwave Office, может быть выполнен с помощью вычисляющих блоков программ CST, Sonnet, Zeland и др [11].

Также, благодаря возможностям AWR DESIGN ENVIRONMENT, в частности мастеру генерации фильтра по заданным параметрам, при проектировании фильтра можно исключить этап расчета фильтра по табличным параметрам, что заметно ускоряет и упрощает процесс разработки.

Исходя из этого, данная среда моделирования подходит для решения поставленной задачи. Также, ввиду доступности данного программного обеспечения в учебных помещениях МИЭМ НИУ ВШЭ, данная среда была выбрана для проведения компьютерного моделирования. Однако стоит отметить, что существуют программные продукты и других компаний, которые позволяют решить поставленную задачу. В их числе: CST MICROWAVE STUDIO, MEMFIS и др.

3.2 Принципы линейного моделирования

При разработке фильтра методом линейного моделирования для определения характеристик электрической цепи используется метод узловых напряжений. Оно применяется для цепей, элементы которых могут быть описаны матрицей полных проводимостей. Величины, определяемые при линейном моделировании:

- коэффициент отражения

- коэффициент передачи

Проведя линейное моделирование, мы сможем получить топологию разрабатываемого устройства и затем на ее основе провести более точный анализ с помощью электромагнитного моделирования.

3.3 Принципы электромагнитного моделирования (EMsight)

При электромагнитном моделировании для определения характеристик устройства по его физической геометрии используются уравнения Максвелла. Данное решающее устройство использует метод моментов для проведения электромагнитного анализа электромагнитных структур. При анализе структуры автоматически создается электрическая сетка с разными размерами ячеек. Участки, где плотность тока неизменна, устанавливаются ячейки больших размеров. Чем меньше размер ячейки, тем лучше точность проводимого анализа, однако увеличивается время моделирования (хорошая точность анализа обеспечивается при размерах сетки, не превышающих более 1/10 длины волны на верхней частоте диапазона моделирования). Топологические формы моделируемого устройства должны полностью совпадать с сеткой, соответственно иногда необходимо менять габариты чувствительных к точности размера элементов, что негативно сказывается на исследуемых характеристиках.

3.4 Расчет порядка прототипа

Порядок фильтра определяет необходимое число секций микрополосковых линий. Большой порядок фильтра обеспечивает более крутой спад АЧХ, однако увеличиваются и габаритные размеры фильтра. Определим порядок фильтра:

,

Где, Аз - затухание на частоте 2800 МГц (40 дБ)

Ап - пульсации в полосе пропускания (0,5 дБ)

fз - нижняя частота задерживания (2800 МГц)

fп - граничная частота пропускания (1400 МГц)

Таким образом, округляя n в большую сторону получаем, что необходим фильтр 7 порядка.

Рисунок 17. АЧХ ФНЧ 7 порядка

3.5 Моделирование ступенчатого фильтра нижних частот

Сгенерируем модель ступенчатого фильтра с подложкой ФАФ-4Д по заданным параметрам для проведения линейного моделирования. В мастере указываем параметры подложки.

Рисунок 18. Ввод параметров подложки

Вводим все требуемые параметры для генерации схемы:

Рисунок 19. Ввод параметров фильтра

Получаем электрическую схему фильтра:

Рисунок 20. Электрическая схема ступенчатого фильтра

Рисунок 21. Характеристика коэффициентов передачи и отражения ступенчатого фильтра

В результате моделирования был получены графики коэффициента передачи s21(синий) и коэффициента отражения s11 (розовый). Из графиков видно, коэффициент отражения в полосе пропускания находится на уровне выше -20 дБ, что не соответствует техническому заданию. Коэффициент пропускания на частоте 2800 МГц не превышает -40 дБ, однако пульсация в полосе пропускания составила -1,765 дБ, что не соответствует ТЗ. Для решения данной проблемы будет проведена оптимизация параметров схемы.

Добавим необходимые цели оптимизации

Рисунок 22. Оптимизация характеристики коэффициента отражения в полосе пропускания

Рисунок 23. Оптимизация характеристики коэффициента передачи в полосе задерживания

Рисунок 24. Оптимизация характеристики коэффициента передачи в полосе пропускания

Рисунок 25. Характерстики коэффициентов передачи и отражения с целями оптимизации

Рисунок 26. Процесс оптимизации

После оптимизации получены следующие характеристики:

Рисунок 27. Оптимизированные характеристики

Теперь коэффициенты передачи соответствуют требованиям, однако коэффициент отражения имеет заметный пик в области до 500 МГц. Так как фильтр разрабатывается для диапазона СВЧ, то можно считать, что условия ТЗ соблюдены. электромагнитный частота микрополосковый

В результате линейного моделирования была получена топология разрабатываемого фильтра:

Рисунок 28. Топология ступенчатого фильтра

Далее проведем более точное электромагнитное моделирование.

Рисунок 29. Ввод параметров для электромагнитного моделирования

Рисунок 30. Электромагнитная модель ступенчатого фильтра

Рисунок 31. Передаточные характеристики электромагнитного моделирования

Полученным графикам видно, что характеристика коэффициента передачи почти удовлетворяет ТЗ, однако коэффициент отражения значительно не соответствует поставленной задаче.

3.6 Моделирование фильтра нижних частот с радиальными шлейфами

Аналогичным образом проведем моделирования фильтра нижних частот с радиальными шлейфами. Электрическая схема фильтра:

Рисунок 32. Электрическая схема фильтра на радиальных заглушках

Опытным путем было определено фильтр 5 порядка достаточен для достижения необходимых требований к фильтру. Оптимизированный график передаточных характеристик:

Рисунок 33. Оптимизированные передаточные характеристики фильтра на радиальных заглушках

Топология фильтра:

Рисунок 34. Топология фильтра на радиальных шлефах

Электромагнитная модель фильтра:

Рисунок 35. Электромагнитная модель фильтра на радиальных шлейфах

Результаты электромагнитного моделирования:

Рисунок 36. Передаточные характеристики электромагнитного моделирования фильтра на радиальных заглушках

3.7 Моделирование фильтра нижних частот на оптимальных шлейфах

Аналогичным образом было установлено, что 7 порядок фильтра избыточен, поэтому был смоделирован фильтр 5-ого порядка. Электрическая схема:

Рисунок 37. Электрическая схема фильтра на оптимальных шлейфах

Оптимизированный график передаточных характеристик:

Рисунок 38. Оптимизированные передаточные характеристики фильтра на оптимальных шлейфах

Топология:

Рисунок 39. Топология фильтра на оптимальных шлейфах

Электродинамическая модель:

Рисунок 40. Электромагнитная модель фильтра на оптимальных шлейфах

Результаты электродинамического моделирования:

Рисунок 41. Результаты электромагнитного моделирования фильтра на оптимальных шлейфах

Результаты всех остальных этапов моделирования и выводы будут представлены в таблицах 3, 4, 5.



3.8 Анализ реализаций фильтра нижних частот на основании результатов моделирования

Таблица 3. Результаты моделирования ступенчатого фильтра

Материал	Размеры, мм х мм	Ослабление на частоте 1,4 ГГц, дБ	Ослабление на частоте 2,8 ГГц, дБ	Коэффициент отражения в полосе пропускания «не более», дБ
ФЛАН 2,8 (H=1.5мм)	132,4 х 14,2	-2,02	-50,76	-17,23
ФЛАН 2,8 (H=1.0мм)	137,2 х 9,6	-0,67	-50,59	-10,19
R03004 (H=0.813мм)	116,2 х 6,6	-1,20	-50,26	-14,27
R03004 (H=0.508мм)	126,4 х 4,0	-0,91	-43,62	-18,72

Наиболее удачным результатом моделирования данной реализации можно считать вариант исполнения на подложке R03004 толщиной 0,508 мм. Обладает характерными для ФНЧ передаточными характеристиками, однако не полностью удовлетворяет ТЗ. Самая тонкая полоска имеет ширину 0,2 мм, что делает ее возможной к изготовлению.

Рисунок 42. Передаточные характеристики ступенчатого ФНЧ на подложке R03004 0.508мм



Таблица 4. Результаты моделирования фильтра на радиальных шлейфах

Материал	Размеры, мм х мм	Ослабление на частоте 1,4 ГГц, дБ	Ослабление на частоте 2,8 ГГц, дБ	Коэффициент отражения в полосе пропускания «не более», дБ
ФЛАН 2,8 (H=1.5мм)	53,6 х 26,8	-1,42	-79,77	-14,75
ФЛАН 2,8 (H=1.0мм)	50,0 х 21,0	-1,20	-56,74	-11,11
R03004 (H=0.813мм)	53,4 х 16,8	-1,10	-46,56	-13,20
R03004 (H=0.508мм)	52,4 х 16,2	-0,48	-45,9	-10,53

Данная реализация так же, как и ступенчатый фильтр показала наилучший результат по характеристике коэффициента передачи на подложке R03004 высотой 0,508мм. Однако стоит отметить, что благодаря более точному по сравнению с линейным, электромагнитное моделирование выявило, что все варианты реализации обладают относительно высоким коэффициентом отражения в полосе пропускания. Это обуславливается тем, что при генерации топологии фильтра часть радиального шлейфа накладывалась на соседние отрезки линий. Для решения этой проблемы было необходимо с помощью устройства тюнинга параметров изменить длины некоторых отрезков, чтобы шлейфы не пересекались, что негативно повлияло на передаточные характеристики. Соответственно данную реализацию для поставленной задачи нельзя назвать успешной, несмотря на тот факт, что она является наиболее компактной из всех.

Рисунок 43. Передаточные характеристики ФНЧ на радиальных шлейфах подложке R03004 0.508мм

Таблица 5. Результаты моделирования ФНЧ на оптимальных шлейфах

Материал	Размеры, мм х мм	Ослабление на частоте 1,4 ГГц, дБ	Ослабление на частоте 2,8 ГГц, дБ	Коэффициент отражения в полосе пропускания «не более», дБ
ФЛАН 2,8 (H=1.5мм)	87,8 х 21,4	-0,39	-77,99	-18,27
ФЛАН 2,8 (H=1.0мм)	85,2 х 21,4	-0,18	-55,22	-16,72
R03004 (H=0.813мм)	74,4 х 18,8	-0,19	-86,98	-20,56
R03004 (H=0.508мм)	66,0 х 17,2	-0,31	-76,96	-19,91

Моделирование данной реализации показало относительно удачные результаты на всех вариантах подложек, за исключением подложки из ФЛАН-2,8 высотой 1,0 мм. Лучшей можно считать на подложке R03004 высотой 0,508 мм, которая полностью отвечает предъявляемым требованиям. Стоит отметить, что данный ФНЧ при требуемом ослаблении в полосе задерживания не менее -40 дБ, показывает значительно лучший результат: не менее -75 дБ. Также характерным плюсом реализации можно считать малые габаритные размеры, хотя и не такими малыми, как у ФНЧ на радиальных шлейфах.

Рисунок 44. Передаточные характеристики ФНЧ на оптимальных шлейфах на подложке R03004 0.508мм

Выводы по главе 3

Подводя итог, можно заключить, что наиболее подходящей реализацией ФНЧ является реализация на оптимальных шлейфах. Данное решение позволяет в полной мере отвечать поставленным требованиям, обладая при этом довольно малыми габаритами. Тем не менее стоит отметить, что ступенчатая реализация фильтра также имеет относительно неплохие показатели коэффициентов передачи и отражения, а также является геометрически самой узкой. Таким образом данная реализация найдет применение, где присутствуют жесткие ограничения габаритов фильтра по ширине и требования к фильтру менее высоки. Реализация на радиальных шлейфах, несомненно, является лидером по компактности, однако достижение желаемых результатов по передаточным характеристикам является довольно сложной задачей, требующей ручной доводки размеров топологии фильтра.

Среди всех вариантов подложек, наилучшие результаты показала R03004 толщиной 0,508 мм. Данная подложка позволяет обеспечить хорошие показатели по коэффициентам подавления и пропускания, а также позволяет добиться уменьшения габаритных размеров фильтра.



Заключение

Основным итогом дипломной работы, является решения задачи определения наилучшей реализации для предъявленных требований микрополоскового фильтра нижних частот. Полученные результаты лягут в основу рекомендация для методических указаний лабораторного практикума по изучению проектирования СВЧ устройств для студентов старших курсов. Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Изучены особенности распространения электромагнитного сигнала в микрополосковых линиях передачи.

2. Рассмотрены варианты реализаций микрополосковых фильтров нижних частот.

3. Были выбраны материалы, наиболее подходящие для решения задачи.

4. Проведено линейное моделирование, оптимизация параметров и электромагнитное моделирования разных вариантов реализаций фильтров. Получены топологические схемы фильтров.

5. Проведен сравнительный анализ полученных результатов и определен наиболее удачный вариант реализации - ФНЧ на оптимальных шлейфах на подложке R03004 толщиной 0,508 мм.



Список литературы

1. Behzad Razavi RF MICROELECTRONICS Second Edition. New York: Prentice hall, 2011.

2. Введение в электродинамику СВЧ: учебное пособие / С. А. Афанасьев, Д. Г. Санников. - Ульяновск: УлГУ, 2012. - 60 с.

3. Методические указание к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Микроволновая техника» А.А. Данилин. - Санкт-Петербург: ЛЭТИ, 2014 - 32с

4. Расчет и измерения характеристик устройств СВЧ и антенн, Учебное пособие. Ю.Е Мительман. - Екатеринбург: УРФУ, 2016 - 138с.

5. Hong Jia-Sheng, Lancaster M.J. Microstrip Filters for RF/Microwave Applications - Wiley-Interscience, 2001. -- 476 p.

6. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование:Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990.-288с.

7. Матей Д. Л., Янг Л., Джонс Е. М. Т. «Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи». Том 1. - М., Связь, 1972.

8. Mongia, Rajesh, I. J. Bahl, P. Bhartia, and Sung Je Hong. RF and Microwave Coupled-Line Circuits. Norwood, MA: Artech House, 2007.

9. A New Simple and Accurate Formula for Microstrip Radial Stub, Roberto Sorrentino, Fellow, IEEE, and Luca Roselli

10. Учебное пособие по дисциплине «Конструирование СВЧ устройств»/ Самар. гос. техн. ун-т; Сост. С.М.Дворянинов, Самара; 2006. 71 с.

11. Дмитриев Е.Е., Основы моделирования в Microwave Office 2009 (на примерах), Москва; 2011. 77 с.

Размещено на Allbest.ru

...