Лабораторное задание

В соответствии с заданием (таблица 1) выполнить проектирование высокочастотного полосового фильтра,

Тип фильтра		interdigital short				interdigital open.				Edge Coupled
Порядок фильтр			4				4		4
Варианты заданий	1			2	3	4	5	6		7			8	9
Центральная частота Ггц	1.			2	2.5	1.4	2.5	1.5		10			11	20

Таб.1

Диэлектрическая постоянная подложки Er = 3,38, высота подложки h=0,5 мм.

Типы фильтра interdigital short и interdigital open представляют собой структуру многосвязанных микрополосковых отрезков, разомкнутых с одного конца и замкнутых с другого. Тип фильтра Edge Coupled представляет собой структуру каскадного соединения двух связанных микрополосковых отрезков.

Проектирование включает три уровня. На начальном уровне проводится синтез фильтра. На следующем уровне проводится экспорт синтезируемой структуры в программу схемотехнического анализа, и расчет S параметров фильтра, Геометрические размеры длины, ширины микрополосков, а также размеры зазоров связанных линий в виде переменных p,w,s являются исходными данными для электродинамического проектирования. На следующем уровне активируется программа ЕМ анализа и на рабочем поле формируется фильтр в котором координаты геометрических фигур представлены выбранными переменными p,w,s. Результатом ЕМ анализа является коррекция фильтра, с использованием переменных параметров.

Порядок выполнения работы

Проектирование начинаем с программы синтеза. С этой целью после запуска программы Ansoft Designer командами File → New → Progect 1 формируем файл проекта. Далее в меню программы : Project → выбираем команду Insert Filter Design и выбираем структуру фильтра рис.1.

Рис.1 Меню выбора структуры фильтра

Рис. 2 Синтез схемы фильтра в программе Ansoft Designer

В окне Filter Design Wizard – Specifications (рис.2) выставляем заданные значения по полосе, флуктуациям, делаем Analyze и фиксируем частотную характеристику данного фильтра.

Далее выставляем физические параметры микрополосковой линии: диэлектрическую постоянную подложки Er = 3,38, высоту подложки h=0,5 мм, толщину проводника t = 0,003 мм , высоту крышки ch= 5мм, расстояние до края ss= 5мм. Геометрические размеры микрополоскового фильтра и его конфигурация отображен на рис 3.

Рис.3 Геометрические размеры микрополоскового фильтра

При формировании фильтра возможна ошибка (error), на которую программа укажет в окне Filter Design Wizard – Medium Properties (под значением переменных Variables) рис.3. Изменению подлежат переменная Ripple (значение флуктуаций), которую можно варьировать е в небольших пределах и тем самым избежать ошибки в программе.

Для перехода в схемотехнический анализ фильтра необходимо выполнить операции: Filter → Export → Physical circuit ,для этого нажать на панели инструментов символ , в результате на экране появляется электрическая схема (рис.4):

Рис.4 Схема микрополоскового фильтра

Д алее, в Project Manager во вкладке Components → Microstrip → Open Ended Lines (рис.4) выбираем элемент холостого хода MS Open End Effect или короткого замыкания и добавляем эти элементы на рабочее поле в появившемся окне Merge Layers выбираем слой с микрополосковой линией. Элементы холостого хода микрополосковой линии должны соответствовать по ширине основной микрополосковой линии (w).

На панели Project Manager в раскрывшемся окне (рис.5) нужно выполнить установки анализа Analysis → Add Analysis Setup рис.5…

Далее формируем в Sweep Variables частотные границы анализа схемы. В том, что анализ прошел успешно выводится сообщение на панели Message Manager.

.

Рис. 5 Окно Analysis Setup

Для формирования АЧХ нужно вывести график результатов – в Project Manager выбираем Results → Create Report → OK (рис 6).

Рис.7 Формирования графиков частотных характеристик

Выбираем интересующий параметр (в данном случае db(s21)) → Add Trace → Done.

В поле программы появится АЧХ (рис 8).

Рис.8 АЧХ микрополоскового фильтра.

Электродинамический анализ микрополоскового фильтра

В главном меню Project выбираем команду Insert Planar EM и в появившемся окне необходимо указать материал подложки (рис.9). На данном этапе выбирается любой материал подложки, в дальнейшем он будет уточнен.

Рис.9 Меню подложек с заданным значением Er

В проекте Project3-Planar необходимо создать слои физической структуры - начиная с нижнего слоя земли и заканчивая верхним слоем крышкой. В меню Stackup , с помощью команды Add Layer создаем 5 слоев (рис.10). На рис.10 представлены имена и размеры слоев.

Рис.10 Формирование слоев в Planar EM

В результате расчета фильтра в схемном редакторе, пользователь получает исходные данные геометрических размеров микрополосковой связанной линии, которые используются для электродинамического расчета и оптимизации фильтра. Конфигурация фильтра для электродинамического расчета и оптимизации представлена комбинацией электрически связанных микрополосковых отрезков, с указанием имен длин отрезков (P), ширины (W) и зазоров между отрезками (S).

На рис.11 представлены варианты структур фильтров используемых в данной работе с указанием параметров и их численных значения. Программа Ansoft Designer позволяет перенести всю конфигурацию в программу EM анализа. В учебной версии программы пользователь вызывает режим EM анализа и в ручном режиме создают исходную конфигурацию при помощи геометрических фигур изображенных на панели. При создании фигуры прямоугольника в меню property, она отображается координатами x,y двух угловых угловых точек. Задачей пользователя является описание геометрических координат фигуры через переменные P,W,S.,полученных в результате схемотехнического анализа. Использование имен переменных позволяет использовать эти переменные для оптимизации характеристик фильтра на уровне EM анализа. На рис.13 представлен пример связанной линии с переменными именами геометрических размеров.

Полосовой фильтр лестничной структуры Edge Coupled

EdgeCoupled).

Полосовой фильтр на встречно-замкнутых отрезках interdigital short

Полосовой фильтр на встречно-разомкнутых отрезках interdigital open.

Рис.12 Структуры микрополосковых фильтров с переменными параметрами.

Фиг.1 P,W

S

Фиг.2 P,W

Рис. 13 Геометрическая структуры связанной линии

В таблице property для каждого прямоугольника отображаются две точки с координатами x,y. Задачей пользователя является создание микрополосковой структуры фильтра с использованием переменных имен. С этой целью выбираем для начальной точки (pt1) фиг.1 координаты 0,0. Все последующие координаты структуры выражаются через переменные p,w,s. Для наглядного отображения микрополосковых отрезков необходимо установить шаг сетки 1мм (Layout → Grid & Snap…) . Результатом все перечисленных действий является структура фильтра (рис.13):

Рис.13 Фильтр в микрополосковом исполнении

Н а следующем шаге проекта является обозначение портов. Место порта необходимо выделить указателем красной чертой), а затем присвоить ему статус порта с помощью команды Draw port ( ). Такие же операции необходимо проделать со вторым портом (рис.14):

Рис.14 Фильтр в микрополосковом исполнении с заданными портами

Для завершения проекта фильтра данного типа необходимо создать Cavity (корпус). Для этого в Planar EM1  Model  Cavities  Add Cavity… создаем корпус, который на экране будет выделен красным цветом. Программа установит автоматические границы Cavity (рис.15):

Рис.15 Автоматические границы корпуса (Cavity)

Для исключения влияния стенок корпуса на характеристики фильтра, предложенные программой размеры корпуса необходимо изменить рис.16.

Рис.16 Конструкция микрополоскового фильтра

В случае реализации фильтров с короткозамкнутыми отрезками, короткое замыкание микрополоска реализуется командой меню via, в свойствах команды указывается диаметр отверстия.

EM анализ фильтра начинается с адаптивного анализа, при котором проводится автоматическое разбиение микрополосковой структуры на элементарные ячейки (треугольники) и численного электромагнитного анализа на центральной частоте фильтра командой Analysis → Add Solution Setup… В раскрывшемся окне рис.17 устанавливаем значение центральной частоты, количество адаптивных пасов и допустимую точность анализа.

Рис.16 Окно свойств адаптивного анализа

При достижении необходимой точности адаптивного анализа устанавливаются границы частотного анализа командами Add Frequency Sweep (рис.17).

Рис.17 Установка границ частотного анализа фильтра

.Начало анализа определяется командой Start Analisys. Результаты расчета определяются командами (Results → Create Report → OK). Для фильтров частотными характеристиками являются коэффициент передачи по мощности db(S21) и коэффициент стоячей волны КСВН (рис18).

Рис.18. Амплитудно-частотная характеристика фильтра.

EM анализ показывает реальную частотную характеристику фильтра. Для коррекции характеристики требуется оптимизация переменных параметров P,W,S.

Требования к отчету

Отчет включает в себя задание для работы, рабочий файл проекта схемы в среде ANSOFT DESIGNER для трех этапов проектирования: синтеза, схемотехнического анализа, электродинамического анализа. Частотные характеристики усилителя: S11(dB), S21(dB).