Урок. Линейное моделирование. Пример анализа полоснопропускающего фильтра в микрополосковом исполнении.

Бахвалова С.А. доцент кафедры МРТУС Московского Института Электронной Техники. bachvalova@mail.ru

Большинство современных СВЧ устройств, таких как фильтры, направленные ответвители, согласующие звенья, изготавливаются по интегральной технологии. На этом уроке мы рассмотрим в качестве примера полоснопропускающий фильтр, выполненный по интегральной технологии на основе несимметричных микрополосковых линий (МПЛ), рассчитаем характеристики фильтра и настроим фильтр.

Интегральные СВЧ устройства и микрополосковые линии

В интегральных СВЧ устройствах электрические цепи выполняются на основе несимметричных микрополосковых линий и их модификаций. Несимметричная микрополосковая линия (рис.1) представляет собой диэлектрическую подложку с проницаемостью материала er (3), на одной стороне которой нанесены проводники схемы (1), а на другой - металлизированное покрытие, образующее проводящую заземляющую поверхность (2).

Рис.1.

В несимметричной МПЛ распространяется волна квази ТЕМ и силовые линии электрического поля проходят не только в диэлектрике, но и вне его. Несимметричная МПЛ характеризуется основными параметрами: волновым сопротивлением -r0 и эффективной диэлектрической проницаемостью - eэфф, которые зависят от геометрических размеров МПЛ и материала диэлектрика. Помимо одиночных МПЛ в интегральных СВЧ устройствах, таких как фильтры и направленные ответвители, применяются связанные МПЛ. Связанные несимметричные МПЛ с боковой связью приведены на рис.2.

Рис.2.

Топология полосового двухзвенного фильтра, выполненного на связанных МПЛ, приведена на рис.3.

Рис.3.

Длина отрезков связанных линий L приближенно равна четверти длины волны lв в микрополосковой линии на средней частоте f0 рабочего диапазона частот. Расчет характеристик такого фильтра прводится с помощью S-параметров, как и фильтра низких частот (см. Урок 2).

Пример моделирования полоснопропускающего фильтра (ППФ) на связанных МПЛ

В качестве примера проведем анализ и настройку ППФ, выполненного на связанных МПЛ, и обеспечивающего следующие параметры:

• рабочая частота, f0 : 1,5 ГГц;
• полоса пропускания : ±100 МГц;
• коэффициент передачи в полосе пропускания, S21 : > минус 3dB;
• коэффициент передачи на частоте f0, S21 : > минус 0,5dB;
• коэффициент отражения, S11 : < минус 25dB

Для реализации фильтра используется подложка из поликора толщиной h = 1мм, с er = 9,8 и tgd = 0,001. Толщина проводящего слоя составляет t = 10 мкм.

При моделировании фильтра требуется сделать следующие шаги:

• Рассчитать геометрические размеры четвертьволнового 50-ти омного отрезка МПЛ на частоте f0;
• создать схему фильтра, разместить и отредактировать элементы фильтра;
• добавить графики и инструменты измерения;
• провести анализ фильтра;
• провести настройку фильтра

Перед созданием схемы фильтра создадим новый проект и назовем его, например, "linear_example1" и определим единицы измерений в проекте, как мы это делали на уроке 2. Далее создадим новую схему, которую назовем, например, "ppf". На рабочем поле появится окно схемы и в папке Cirquits Schematics в дереве проекта появится папка новой схемы.

Расчет геометрических размеров МПЛ.

Чтобы рассчитать длину четвертьволнового отрезка МПЛ, необходимо вызвать команду меню Window TXLine. На экране монитора появится окно для расчета параметров линий. Выберем окно Microstrip и введем данные для расчета МПЛ.

Волновое сопротивление (impedance), 50 Ом
Электрическая длина МПЛ (electrical length), 90?
Проводник (Conductor) медь (copper)

Остальные данные выбраем в соответствии с техническим задани-ем. После введения данных нажмем кнопку Ю. В соответствующих окнах экрана, как это показано на рис.4, появятся рассчитанные величи-ны длины - L и ширины - W отрезка МПЛ.

Рис.4.

Размещение и редактирование элементов в схеме

Далее перейдем к размещению элементов в схеме.
1. Разместим 1-ое звено фильтра в схеме:
· найдем в дереве элементов microstrip и кликнем на значке "+";
· выбрем Copled Lines, чтобы вызвать модели существующих связанных линий в окне, расположенном под деревом элементов;
· кликнем на модели линии MCFIL и, не отпуская мышку, перетащим линию на поле схемы;
· разместим линию в нужном месте схемы и кликнем еще раз, подтверждая размещение в этом месте.
2. Разместим 2-ое звено фильтра в схеме, повторив пункт 1. Соединим звенья фильтра между собой
3. Отредактируем параметры линии в соответствии с расчетными данными.
4. Подключим порты к фильтру.
5. Определим тип линии и свойства подложки. Для этого выпол-ним следующие действия:
· найдем в дереве элементов substrate и кликннем на значке "+";
· выбрем MSAB;
· кликнем на модели MSAB и, не отпуская мышку, перетащим подложку с линией на поле схемы;
· заполним таблицу свойств

Рис.5.

Теперь схему фильтра можно считать готовой и мы можем ее наблюдать на экране монитра (рис.6). Чтобы посмотреть топологию набранной схемы, щелкнем по кнопке "View Layout" и увидим топологию фильтра.

Рис.6

Определение частотного диапазона моделирования

Для определения частотного диапазона моделирования дважды кликнем на папке Project Options в дереве проекта и в открывшемся окне щелкнем по клавише frequency Values. Далее заполним окна Start, Stop, Step. Кликнем Apply и частотный диапазон по шагам отразится в окне Current Range. На рис.7 приведен вид диалогого окна Project Options.

Рис.7.

Создание и настройка графика

Прежде, чем провести анализ и настройку схемы , создим графики частотных зависимостей параметров s21 и s11. Для этой цели

• кликнем Graphs в дереве проекта и выбрем Add Graphs для вызова диалогого окна;
• определим "s21" и "s11" в Graph Name; выбрем Rectangular для Graph Type; график появится в окне рабочего пространства; одновременно папка Graph появится в дереве проекта .
• настроим график, для чего щелкнем на графике правой кнопкой мыши и выберем вкладку Properties. В открывшемся диалоговом окне Rectangular Plot Properties щелкнем по вкладке Limits и установим пределы изменения частоты по оси Х (от 1.3 до 1.7) и пределы измене-ния параметров s21 и s11 по оси Y (от -27 до 0). Щелкнем по вкладке Divisions и определим масштаб графика по оси Х (0.05) и по оси Y(3). Достаточно подробно данная процедура описана в [1].

Добавление измерений

1. Кликнем "s21" и "s11" в дереве проекта и выбрем Add Meas-urement; откроется диалоговое окно Add Measurement. Заполнение этого окна проведем также, как и на уроке 2. Исключение составляет окно Date Source Name, в котором мы выберем имя ppf.
2. Кликнем Close; в дереве проектов появятся папки ppf:DB (|S [1,1] |) и ppf:DB (|S [2,1] |).

Анализ схемы

Проведем анализ схемы, нажав на кнопку Analyze.

Графики с расчетными характеристиками высветятся на экране (рис.8).

Рис.8.

Полученные характеристики фильтра не удовлетворяют техническому заданию и поэтому потребуется дополнительная настройка фильтра.

Настройка фильтра

Эта процедура аналогична проведению операции настройки в ре-альном макете.

Самый короткий путь - кликнуть на кнопке Tune Tool, располо-женной на панели инструментов, и курсором в виде отвертки указать те параметры схемы, которые будут меняться. В нашем случае такими параметрами будут длина звена фильтра - L и ширина зазора - s.

Нажмем на кнопку Tune и на рабочем поле появится окно с рычаж-ками настройки.

С помощью рычагов настройки будем менять величину параметров схемы . В процессе настройки схема и связанная с ней топология будут изменяться. Настройку фильтра будем проводить до тех пор, пока характеристики схемы не будут соответствовать техническому заданию. На рис.9 приведены характеристики настроенного фильтра.

Рис.9

Заключение

С помощью программы Microwave Office мы проанализировали и настроили полоснопропускающийифильтр, параметры которого соответствуют предложенному техническому заданию. Проверьте правильность вашего расчета, обратившись к примеру lin-ear_example1.emp.

Попробуйте увеличить число звеньев фильтра, проведите расчет и настройку фильтра и сравните полученные характеристики с характе-ристиками двухзвенного фильтра.