Лабораторное задание

1. Провести параметрическую оптимизацию микрополоскового фильтра на связанных линиях лестничной структуры. Варианты задания представлены в таблице 1. Порядок фильтра не менее третьего.

Вариант задания	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Центральная частота, ГГц	5	5,5	6	6,5	7	7,5	8	8,5	9	10
Полоса фильтра не менее, %	3	3	3	3	3	3	3	3	3	3
Затухание вне полосы, дБ	-10	-10	-10	-10	-10	-10	-10	-10	-10	-10

Таб.1 Варианты задания

Толщина подложки h=1 мм для частот до 8 ГГц и h=0,5 мм для более высоких частот. Ширина зазора связанной линии S не менее 0,1 мм, ширина связанных полосков w₁=w₂ регулируется от 0,2 до 2 мм. Диэлектрическая проницаемость подложки ε=9.8. Ширина подводящей линии равна ширине линии с волновым сопротивлением 50 Ом. Начальная длина МПЛ равна четверти длины волны в микрополосковой линии на центральной частоте; количество связанных отрезков – не менее трех. Ширина полосы пропускания оценивается по уровню -3 дБ коэффициента передачи по мощности.

Вычислить частотные характеристики S-параметров и КСВ фильтра С помощью блока оптимизации провести коррекцию размеров фильтра, исходя из минимума затухания S₂₁ на рабочей частоте и максимума затухания вне полосы.

Порядок выполнения работы

1. С помощью подпрограммы LineCalc рассчитать начальные значения длины и ширины четвертьволнового отрезка микрополосковой линии для центральной частоты варианта задания, с волновым сопротивлением линии 50 Ом.

2. Сформировать новый проект в программе ADS, используя методику лаб.2 и кликнув команду схемотехнического проектирования на рабочем поле собрать схему фильтра, представленную на рисунке 2. Образец фильтра состоит из трех звеньев связанных микрополосковых линий, блока параметров подложки, входного и выходного портов. Для расчета выбран частотный анализ схем с использованием режима S-параметров элементов.

Рис. 2. Структурная схема фильтра на связанных линиях

3. Установить начальную длину и ширину входных отрезков МПЛ согласно значениям, рассчитанным в пункте 1.Длину всех связанных линий определить одним переменным именем. Численное значение длины, проставляется с помощью команды VAR. В меню команды VAR активировать режим оптимизации длины отрезков связанных линий. Максимальная длина отрезков L должна быть меньше половины длины волны, начальная величина зазора связанных линий S=0.1мм.

4. Включить в схему инструменты оптимизации, расположенные во вкладке Optim/Stat/DOE, как показано на рисунках 3 и 4.

Рис. 3. Вкладка Optim/Stat/DOE

Рис. 4. Инструменты оптимизации GOAL и OPTIM

5. В окне команды Goal, изображенном на рисунке 5, задать цель оптимизации - коэффициент передачи по мощности фильтра (dB(S(2,1)), в меню добавить независимую переменную freq, нажав кнопку Edit. Коэффициент затухания устанавливается более -3db в полосе фильтра. Команда freq позволяет добавлять в общую целевую функцию значения коэффициента передачи фильтра в полосе запирания и полосе пропускания. Полосы фильтра устанавливаются в соответствии с вариантом, указанном в таблице 1.

Рис. 5. Окно настройки целей оптимизации

В блоке целевой функции добавить полосы запирания и пропускания, значения коэффициента передачи для каждой из них укажите в соответствии с вариантом задания. Пример выставления частот показан на рисунке 6.

Рис. 6. Установка целей оптимизации в соответствии с частотами

Для каждой микрополосковой линии выбрать режим оптимизации (OPT) и установить границы варьирования ширины, длины и зазора между полосками элемента MCFIL, как показано на рисунке 7. Диапазон изменения значений ширины каждого отрезка от 0.1 до 2 мм, зазора между отрезками от 0.1 до 1 мм.

Рис. 7. Окно оптимизации параметров МПЛ

Включить режим оптимизации для нахождения оптимальной длины отрезков связанных линий и зазоров фильтра и достижения требуемого коэффициента передачи. Для этого используйте команду Optimization, расположение которой показано на рисунке 8.

Рис. 8. Команда запуска оптимизации

Метод оптимизации выбирается пользователем в блоке OPTIM. Для определения глобального минимума целевой функции рекомендуется метод случайного поиска Random. Количество итераций поиска задается пользователем. Время оптимизации определятся значением целевой функции, которая отображается на экране, изображенном на рисунке 9. В случае не выполнения условий технического задания рекомендуется увеличить порядок фильтра добавлением отрезков связанных линий и проведением новой оптимизации.

Рис. 9. Окно оптимизация микрополоскового фильтра

Красный индикатор error history показывает процесс минимизации целевой функции. После завершения процесса оптимизации выведите на экран график коэффициента передачи фильтра и удостоверьтесь в совпадении расчета и задания на центральной частоте. Пример представления частотной характеристики фильтра с использованием маркеров приведен на рисунке 10.

Рис.10 Частотная характеристика оптимизированного фильтра

6. Из вкладки Layout, расположенной в верхней части экрана, вывести топологию проектируемого фильтра, как показано на рисунке 11, проверить адекватность его размеров и убедиться в отсутствии наложения микрополосков друг на друга.

Рис. 11. Топология фильтра на связанных линиях

Требования к отчету

Отчет включает в себя рабочий файл проекта схемы в среде ADS, вариант задания, амплитудно-частотную характеристику коэффициента передачи фильтра S(2,1), КСВН по входу и выходу, топологию фильтра.

Лабораторная работа №4

Частотный анализ нелинейных схем

Анализ усилителя мощности в программной среде ADS методом гармонического баланса

Цель работы: получение навыков нелинейного моделирования усилителей мощности.

Инструментарий: компьютерный класс МИЭТ, программа ADS, расположенная на сервере удаленного доступа ВЦ МИЭТ.

Продолжительность работы 3 часа.

Теоретические сведения

Проектирование усилителей мощности с применением ЭВМ предполагает использование методов расчета нелинейных уравнений. Самым распространенным методом является метод гармонического баланса (HB). В отличие от линейных электрических схем, нелинейные схемы содержат элементы с нелинейными вольт-амперными и вольт-фарадными характеристиками. Математической моделью электрической схемы в этом случае является система алгебраических нелинейных уравнений первого порядка с комплексными коэффициентами. Каждое уравнение получено на основании уравнения Кирхгофа для узлов схемы, подключенных к нелинейным элементам. Система уравнений в методе гармонического баланса увеличивается на количество заданных гармоник. Численным методом решения подобных уравнений является метод Ньютона-Бройдена, который предполагает многократное решение системы линеаризированных уравнении первого порядка и достижения сходимости решения с заданной погрешностью. Моделью активного элемента является высокочастотный полевой транзистор с барьером Шотки. Нелинейная модель имеется в базе данных программы ADS.