43029

Проектирование фильтра нижних частот на основе микрополосковой линии

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

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. На первом этапе проектирования рассчитываются число элементов фильтра n и все k = 1 2. Желательно выбрать диэлектрик с возможно более высоким значением εr а высота h подложки влияет на механическую прочность в процессе изготовления сборки...

Русский

2013-11-01

220.5 KB

39 чел.

Содержание

  1.  Введение………………………………………………………………………………………………3
  2.  Цель работы…………………………………………………………………………………………..3
  3.  Задание..................................................................................................................................................4
  4.  Алгоритм моделирования……………………………………………………………………………5
  5.  Этапы проектирования ФНЧ………………………………………………………………………...6
  6.  Основные параметры МПЛ………………………………………………………………………….7
  7.  Анализ результатов проектирования……………………………………………………………8-13
  8.  Расчет и оценка потерь в фильтре…………………………………………………………………14
  9.  Расчет параметров микросборки…………………………………………………………………...14
  10.  Заключение………………………………………………………………………………………….14
  11.  Список литературы…………………………………………………………………………………15

  1.  Введение

В курсовой работе предлагается решение задачи синтеза.  В случае проектирования (синтеза) устройства заданными считаются его выходной параметр Y, входной Х, а искомыми все параметры Xk. Тогда, при известном уравнении, связывающем параметры Y и X с параметрами Xk, задача синтеза формулируется следующим образом:

( Xk,  k = 1, 2,...,n )  =  ( Y,  Х ).

Задача синтеза называется обратной и имеет множество решений, поскольку  теоретически множество различных комбинаций Xk может обеспечивать при заданном X 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 Xk (они не могут быть любыми). Следовательно, при определении Xk на них должны быть наложены ограничения или так называемые условия физической реализуемости. Например, часть синтезируемых (рассчитываемых) параметров Xk 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 Xk 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.

  1.  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).

  1.  Задание

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

fП,ГГц

fЗ,ГГц

AП,дБ

AЗ,дБ

Z0,Ом

2,5

2,7

3

30

50

Рис.1 Заданная АЧХ

Коэффициент прямоугольности заданной АЧХ:

  1.  Алгоритм моделирования

В качестве основного инструмента используется специальная учебная программа SILFIL.

На первом этапе проектирования рассчитываются число элементов фильтра n и все  ( k = 1, 2,...,n ) схемыпрототипа, реализующие заданную АЧХ. Схема-прототип – это замена реальной структуры ее эквивалентной схемой с сосредоточенными параметрами. Такая замена возможна, поскольку в реальной структуре имеет место пространственное разделение электрического и магнитного полей. В продольнооднородной МПЛ с неизменной по длине линии шириной W полоска электромагнитное поле также продольнооднородно, т. е. пространственного разделения электрического и магнитного полей не происходит. Таким образом, каждый из указанных отрезков МПЛ эквивалентен соответственно индуктивности или емкости схемыпрототипа, отмеченным на рис.2 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 Wв(Zв) и Wн(Zн).

Рис.2 Фильтр-прототип

  1.  Этапы проектирования СВЧ ФНЧ на основе МПЛ
  2.  Сначала выбираются параметры подложки. Желательно выбрать диэлектрик с возможно более высоким значением εr, а высота h подложки влияет на механическую прочность в процессе изготовления, сборки и эксплуатации фильтра. Также критерием параметров εr и h является условие одноволнового режима, которое можно трактовать как  fЗ  < fc1.
  3.  Подбор ширины элементов фильтра Wв и Wн производится их подбором с учетом возможности реализации фильтра при уже рассчитанных параметров схемы-прототипа.
  4.  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 Wв и h, минимальный разброс длин lR элементов), минимальная стоимость (минимальные массогабаритные характеристики, в частности возможно меньшее число элементов n и общая длина l фильтра).
  5.  Расчет потерь в смоделированном фильтре.
  6.  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-lt.

  1.  Основные параметры МПЛ

Woширина проводящего полоска;

Wв – ширина высокоомного полоска;

Wн ширина низкоомного полоска;

li  - длина i-го элемента;

lсуммарная длина всех элементов;

l0 – длина подводящего полоска;

εr – диэлектрическая проницаемость подложки;

hвысота подложки;

t – толщина полоска;

σМе – проводимость материала полоска.

Картина поля в поперечном сечении МПЛ

  1.  Анализ результатов проектирования

При Ап = 3 фильтр реализуется в нескольких вариантах. Ввиду схожих технологических параметров и экономических затрат, я выбрала три варианта фильтра, отличающиеся, главным образом, суммарной длинной всех элементов, чтобы заказчик выбрал наиболее подходящий для использования в тех или иных условиях вариант.

Схема 1

ПРОТОКОЛ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВЧ ФНЧ на МПЛ.

ИСХОДНОЕ ЗАДАНИЕ :

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

Граничная частота полосы пропускания, (ГГц) :  2.50

Граничная частота полосы заграждения, (ГГц) :  2.70

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

Затухание в полосе заграждения, (дБ) ...... : 30.00

Волновое сопрот. подводящих полосков, (Ом)  : 50.0

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ :

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

Высота подложки, (мм) ..................... :  1.50

Количество элементов фильтра .............. : 11

Волнов. сопрот. высокоомного элемента, (Ом) : 263.8

Волнов. сопрот. низкоомного  элемента, (Ом) : 42.2

ПОПЕРЕЧНЫЕ РАЗМЕРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ФИЛЬТРА :

Ширина  подводящих  полосков, (мм) ........ : 5.006

Ширина высокоомного элемента, (мм) ........ : 0.050

Ширина  низкоомного элемента, (мм) ........ : 6.250

ДЛИНЫ ЭЛЕМЕНТОВ ФИЛЬТРА :

1  - 10.70 мм  2  - 5.88  мм  3  - 14.88 мм  4  - 5.99  мм  

5  - 15.22 мм  6  - 6.02  мм  7  - 15.22 мм  8  - 5.99  мм  

9  - 14.88 мм  10 - 5.88  мм  11 - 10.70 мм  

Суммарная длина элементов фильтра, (мм) ... : 111.382

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ПОТЕРЬ В ФИЛЬТРЕ :

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

Обьемная проводимость полоска,(1/(Ом*М))... : 0.75*10E7

Толщина полоска, (мм) ..................... : 0.020

На частоте 2.5 ГГц общие потери 0.202 дБ, из них

      в полоске фильтра,  (дБ) ........... : 0.1661

      в подложке фильтра, (дБ) ........... : 0.0082

      на излучение,       (дБ) ........... : 0.0276

 

Рис.3 АЧХ схемы 1

СВЧ фильтр, сконструированный по данной схеме, обладает почти идеальной выходной АЧХ (Рис.3), однако имеет недостатки. Наиболее серьезный недостаток – это материал подложки, характеризующийся малой твердостью, что может негативно сказаться на самой конструкции, в зависимости от условий эксплуатации. Однако такой материал дешев и обладает относительно высокой химической и климатической стойкостью. В целом фильтр обеспечивает хорошую АЧХ, содержит мало элементов, имеет неплохие массогабаритные характеристики и построен из недорогих материалов.

Я хочу попытаться достигнуть наилучшего результата. Для этого изменю ширину низкоомного элемента с 6,25 до 7,15 мм, может быть получится уменьшить общие потери.

Схема 2

ПРОТОКОЛ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВЧ ФНЧ на МПЛ.

ИСХОДНОЕ ЗАДАНИЕ :

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

Граничная частота полосы пропускания, (ГГц) :  2.50

Граничная частота полосы заграждения, (ГГц) :  2.70

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

Затухание в полосе заграждения, (дБ) ...... : 30.00

Волновое сопрот. подводящих полосков, (Ом)  : 50.0

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ :

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

Высота подложки, (мм) ..................... :  1.50

Количество элементов фильтра .............. : 11

Волнов. сопрот. высокоомного элемента, (Ом) : 263.8

Волнов. сопрот. низкоомного  элемента, (Ом) : 38.3

ПОПЕРЕЧНЫЕ РАЗМЕРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ФИЛЬТРА :

Ширина  подводящих  полосков, (мм) ........ : 5.006

Ширина высокоомного элемента, (мм) ........ : 0.050

Ширина  низкоомного элемента, (мм) ........ : 7.150

ДЛИНЫ ЭЛЕМЕНТОВ ФИЛЬТРА :

1  - 10.84 мм  2  - 5.06  мм  3  - 15.28 мм  4  - 5.14  мм  

5  - 15.65 мм  6  - 5.16  мм  7  - 15.65 мм  8  - 5.14  мм  

9  - 15.28 мм  10 - 5.06  мм  11 - 10.84 мм  

Суммарная длина элементов фильтра, (мм) ... : 109.077

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ПОТЕРЬ В ФИЛЬТРЕ :

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

Обьемная проводимость полоска,(1/(Ом*М))... : 0.75*10E7

Толщина полоска, (мм) ..................... : 0.020

На частоте 2.5 ГГц общие потери 0.216 дБ, из них

      в полоске фильтра,  (дБ) ........... : 0.1803

      в подложке фильтра, (дБ) ........... : 0.0082

      на излучение,       (дБ) ........... : 0.0270

Рис.2 АЧХ схемы 2

Данный фильтр почти не отличается выходной АЧХ от предыдущего (схема1), хотя была изменена ширина низкоомного элемента до 7,15 мм. Однако, обладает немного большими потерями (они увеличились с 0,202 до0,216 дБ), основную часть которых составляют потери в полоске фильтра, но потери на излучение уменьшились на 0.0006 дБ. В итоге мы получили фильтр более меньшего(суммарная длина элементов уменьшилась на 2,305 мм) размера, чем на схеме 1, выполненный из недорогих материалов, удовлетворяющий требованиям заказчика.

Но все же, я хочу добиться наименьшего количества потерь в фильтре, для этого надо изменить ширину высокоомного элемента с 0,05 мм до 0,02 мм.

Схема 3

ПРОТОКОЛ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВЧ ФНЧ на МПЛ.

ИСХОДНОЕ ЗАДАНИЕ :

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

Граничная частота полосы пропускания, (ГГц) :  2.50

Граничная частота полосы заграждения, (ГГц) :  2.70

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

Затухание в полосе заграждения, (дБ) ...... : 30.00

Волновое сопрот. подводящих полосков, (Ом)  : 50.0

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ :

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

Высота подложки, (мм) ..................... :  1.50

Количество элементов фильтра .............. : 11

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

Волнов. сопрот. низкоомного  элемента, (Ом) : 38.3

ПОПЕРЕЧНЫЕ РАЗМЕРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ФИЛЬТРА :

Ширина  подводящих  полосков, (мм) ........ : 5.006

Ширина высокоомного элемента, (мм) ........ : 0.020

Ширина  низкоомного элемента, (мм) ........ : 7.150

ДЛИНЫ ЭЛЕМЕНТОВ ФИЛЬТРА :

1  - 9.02  мм  2  - 5.60  мм  3  - 12.21 мм  4  - 5.80  мм  

5  - 12.44 мм  6  - 5.84  мм  7  - 12.44 мм  8  - 5.80  мм  

9  - 12.21 мм  10 - 5.60  мм  11 - 9.02  мм  

Суммарная длина элементов фильтра, (мм) ... :  95.976

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ПОТЕРЬ В ФИЛЬТРЕ :

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

Обьемная проводимость полоска,(1/(Ом*М))... : 0.75*10E7

Толщина полоска, (мм) ..................... : 0.020

На частоте 2.5 ГГц общие потери 0.178 дБ, из них

      в полоске фильтра,  (дБ) ........... : 0.1475

      в подложке фильтра, (дБ) ........... : 0.0070

      на излучение,       (дБ) ........... : 0.0237

Рис. 5 АЧХ схемы 3

Данный фильтр построен из тех же материалов, что и предыдущие (фторопласт и хром). Я уменьшила ширину высокоомного элемента с 0,05 мм до 0,02 мм, следовательно, уменьшилась суммарная длина элементов которая теперь составляет 95.976 мм, что улучшает его использование в тех или иных условиях. Уменьшилось количество потерь с 0,216 до 0,178 дБ. В итоге мы получили оптимальный вариант фильтра, который удовлетворяет требованиям заказчика.

  1.  Расчет и оценка потерь в фильтре

Важной характеристикой спроектированного фильтра МПЛ являются потери энергии электромагнитного поля распространяющейся волны, определяемые коэффициентом затухания α 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 0.0237 дБ.

Для расчета потерь в полоске была выбрана его толщина t = 0.02мм из условия t ≥ 3δ, где δ – глубина проникновения поля в металл (глубина скин-слоя), и равная 0,00368 мм. Таким образом, потери в полоске составили 0.1475 дБ.

Потери в диэлектрике фильтра (с учетом выбранного материала и тангенса диэлектрических потерь) составили 0.0070 дБ.

В результате, суммарные потери в фильтре составили величину порядка 0.178 дБ.

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

  1.  Расчет параметров микросборки

Ширина подложки: а =50 мм (из условия а >3Wн);

Длина подложки: b = 100 мм;

Длина подводящих полосков: l0 = 2.012 мм

Чертеж платы находится в приложенном графическом материале.

  1.  Заключение

В результате работы был спроектирован микроволновый фильтр нижних частот на основе микрополосковой линии. Потери мощности в фильтре являются незначительными (около 0.178 дБ).  Возможно изменение ширины платы (параметр а) с 50 мм на 60 мм, что никак не отразится на основных свойствах фильтра. С учетом вышеперечисленных факторов можно сказать, что СВЧ фильтр НЧ, сконструированный по схеме 3, удовлетворяет требованиям заказчика, и является оптимальным и с технической, и с экономической точки зрения

  1.  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.

PAGE   \* MERGEFORMAT14


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30753. Объёмно-переставная опалубка. Конструкция, область применения 17.24 KB
  Секции при соединении образуют туннели опалубки на квартиру или на всю ширину здания. Секции опалубки могут иметь переменную ширину в зависимости от принятого шага стен и различную длину. П и Гобразные секции опалубки устанавливают на перекрытии ранее забетонированного этажа выверяют и закрепляют между собой в продольном и поперечном направлениях. Общие конструктивные признаки опалубки: наличие системы механических домкратов для выверки и установки в проектное положение; катучие опоры для перемещения секций опалубки при монтаже и...
30754. Скользящая опалубка. Технология бетонирования стен в скользящей опалубке 14.52 KB
  При бетонировании следят за вертикальностью домкратного стержня и за бетонной поверхностью Применение скользящей опалубки особенно эффективно при строительстве высотных зданий и сооружений с минимальным количеством оконных и дверных проемов конструктивных швов и закладных элементов. К ним относятся силосы для хранилища материалов дымовые трубы и градирни ядра жесткости высотных зданий резервуары для воды радиотелевизионные башни. Другая потенциальная область использования скользящей опалубки строительство зданий атомных реакторов...
30755. Состав арматурных работ на строительной площадке. Классификация арматуры. Арматурные изделия. Устройство защитного слоя арматуры 17.79 KB
  Классификация арматуры. Устройство защитного слоя арматуры. При монтаже сборных железобетонных конструкций выполняются сварка выпусков арматуры и закладных деталей натяжение проволоки и канатов преднапряженных конструкциях а также создание каркаса или внешнего армирования при усилении конструкции реконструируемых зданий и сооружений. В состав арматурных работ на строительной площадке входят: разгрузка приемка и складирование поступающих арматурных изделий и товарной арматуры; изготовление нестандартных арматурных изделий; укрупнительная...
30756. Сущность зимнего бетонирования. Модуль поверхности конструкций, его влияние на выбор метода бетонирования. Понятие критической прочности 17.93 KB
  Продолжительность твердения и конечные свойства бетона в значительной степени зависят от температурного режима и состава бетона в том числе от вида цемента. Для твердения бетона наиболее благоприятной температурой является 1528гр. Кроме того вода образует вокруг крупного заполнителя обволакивающую ледяную пленку которая при оттаивании нарушает сцепление монолитность бетона. При раннем замораживании по тем же причинам резко снижается сцепление бетона с арматурой увеличивается пористость что влечёт за собой снижение прочности...
30757. Классификация методов зимнего бетонирования. Выбор метода зимнего бетонирования 16.24 KB
  Беспрогревные – основаны на сохранении начального тепла введённого в бетонную смесь при изготовлении тепла выделяющегося в результате гидратации цемента экзотермия а также тепла введённого в бетонную смесь до укладки в опалубку: термос предварительный электроразогрев бетонной смеси использование хим. Термос – основан на использовании тепла введённого в бетон до укладки его в опалубочную форму – в момент приготовления на РБУ растворобетонный узел и тепла выделяемого цементом в процессе твердения бетона. Mn 3 – термос до 15...
30758. Сущность метода термоса. График температурного режима 15.31 KB
  Термос – основан на использовании тепла введённого в бетон до укладки его в опалубочную форму – в момент приготовления на РБУ растворобетонный узел и тепла выделяемого цементом в процессе твердения бетона. модуль поверхности^2 tв Температура бетоной смеси поступающей на объёкт и температура после укладки рассчитываются согласно эмпирическим зависимостям.
30759. Сущность метода предварительного электроразогрева бетонной смеси. График 15 KB
  Сущность метода предварительного электроразогрева бетонной смеси. Предварительный электроразогрев – основан на кратковременном электроразогреве бетонной смеси от 05градусов до 7090 градусов в специальных установках бункер кузов опалубка от сети 380 В. Назначаем температуру приготовления бетонной смеси. Если прочность ниже требуемой – повышаем температуру разогрева бетонной смеси.
30760. Прогревные методы зимнего бетонирования. Режимы электропрогрева. Область применения 18.23 KB
  Подведение электрической энергии к бетону: Пластинчатые электроды 2фазы Полосовые электроды 2 фазы сквозной прогрев 3 фазы – периферийный прогрев Стержневые электроды 3 фазы в виде плоских групп3 фазы – одиночные стержневые Струнные 2 фазы – по периметру.
30761. Анализ доходов организации, направления его совершенствования 396 KB
  Рыночная экономика определяет конкретные требования к системе управления организациями. Необходимо более быстрое реагирование на изменение хозяйственной ситуации с целью поддержания устойчивого финансового состояния и постоянного совершенствования продаваемого продукта в соответствии с изменением конъюнктуры рынка.