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

45 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

68520. Философия жизни 131 KB
  Философия жизни возникает в 60-70 годах XIX века, наибольшего развития достигает в первой четверти XX века. Затем ее идеи воспринимают экзистенциализм и персонализм. Согласно философии жизни, все существующее рассматривается как формы проявления жизни...
68521. Русская философия 346 KB
  Речь идет об учреждениях и традициях автоматических навыках и твердых правилах избавляющих индивидуумов каждый раз самостоятельно и заново а следовательно и своевольно решать возникающие в их жизни проблемы колеблясь в выборе между различными способами поведения.
68522. Понятие бытия. Бытие-в-мире и бытие мира, универсальный характер этих понятий. Проблема единства мира 170.5 KB
  Вещи и явления возникают длятся и исчезают во времени а также занимают ограниченное место в пространстве. имеющие предел ограничивающий их бытие во времени и в пространстве. И во времени оно тоже ограничено: в какой-то момент появилось и через какое-то время исчезнет например будет съедено или сгниет...
68523. Культура и цивилизация. Общее понятие культуры, антропологические предпосылки и основные определения культуры 169.5 KB
  Общее понятие культуры антропологические предпосылки и основные определения культуры Мы начнем с самого общего представления о культуре которое охватывает все что сюда входит; это будет следовательно самое абстрактное определение но зато самое исходное.
68524. Общее понятие ценности. Ценность и истина. Проблема ценности в истории философии 109 KB
  Отличие человека от других живых существ можно определять по многим признакам: прямоходящее существо обладающее сознанием; способное к чувству стыда; владеющее членораздельной речью; использующее символы; производящее орудия и т. Это и означает что человеческие действия всегда ориентированы на ценности.
68525. Философия в контексте культуры 351.5 KB
  Для одного человека это способ выразить себя. Мировоззрение это совокупность общих представлений человека о своем месте в мире и вытекающих из этого жизненных принципов и целей. Специфика философских проблем состоит в том что конкретные моменты взаимодействия человека с миром рассматриваются...