LS-Sb86459

в ту или иную схему (микрополосковый тракт) с помощью специальных разъемов - коаксиально-полосковых переходов ( см. следующий раздел настоящих указаний ). Отрезки МПЛ с шириной Wв и Wн называются элементами фильтра. При этом предполагается, что заданная структура фильтра при указанной последовательности Wв и Wн обладает симметрией относительно его входного и выходного плеч и, следовательно, общее число n элементов фильтра - нечетное. Длина l фильтра, очевидно, равна сумме длин всех его элементов :

n

l lk ,

k 1

где k - номер элемента.

Таким образом, задача проектирования ФНЧ на МПЛ формулируется следующим образом: по заданной АЧХ и заданной структуре ФНЧ на МПЛ определить поперечные и продольные размеры всех его элементов.

Исходные данные к проектированию:

1)тип АЧХ;

2)fп - граничная частота полосы пропускания, ГГц;

3)fз - граничная частота полосы заграждения, ГГц;

4)Aп - ослабление в полосе пропускания, дБ;

5)Aз - ослабление в полосе заграждения, дБ;

6)Zo - волновое сопротивление подводящих полосков, Ом.

Основные этапы проектирования

Подробно алгоритм проектирования ФНЧ на МПЛ изложен в [3], поэтому здесь мы остановимся лишь на тех его этапах, с которыми студент непосредственно сталкивается при работе с программой SILFIL.

21

Расчет обобщенных параметров фильтра-прототипа

Основная идея алгоритма заключается в замене реальной структуры (см. рис.7) ее эквивалентной схемой с сосредоточенными параметрами, называемой фильтром-прототипом, показанной на рис.9. Такая замена возможна, поскольку в реальной структуре имеет место пространственное разделение

Рис. 9 электрического и магнитного полей. В продольно-однородной МПЛ (см. рис.1) с неизменной по длине линии

шириной W полоска электромагнитное поле также продольно-однородно, т. е. пространственного разделения электрического и магнитного полей не происходит. В продольно-неоднородной МПЛ с изменяющейся по длине линии шириной ее отрезков (см. рис.7) магнитное поле концентрируется в основном вокруг узких полосков, а электрическое - в подложке между широкими полосками и основанием. Таким образом, каждый из указанных отрезков МПЛ эквивалентен соответственно индуктивности или емкости схемы-прототипа, отмеченным на рис.9 в виде так называемых обобщенных нормированных параметров (проводимостей) gk , k = 1,2,...,n :

23

мой-прототипом позволяет использовать для расчета параметров gk хорошо известные методы теории цепей [4]. В свою очередь, соотношения (18) по рассчитанным gk позволяют осуществить обратное преобразование с целью реализации gk в виде отрезков МПЛ с искомыми значениями Wв(Zв) и Wн(Zн). Таким образом, на первом этапе проектирования автоматически рассчитываются число элементов фильтра n и все gk ( k = 1, 2,...,n ) схемы-прототипа, реализующие заданную АЧХ. Их численные значения можно увидеть в правой части экрана программы, если фильтр успешно реализован.

Выбор параметров подложки

Относительная диэлектрическая проницаемость r и высота h подложки относятся к тем искомым конструктивным параметрам проектируемого фильтра, которые не являются целью расчета, а выбираются, исходя из эксплуатационных и технологических соображений (см. введение). Так, r характеризует выбранный в соответствии с табл. 1 (пункт меню “Справка/Подложка”) диэлектрик, а высота h выбирается из рекомендуемого ряда стандартных значений (0.25, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, ...), определяемого неравенством (14). Критерием выбора r и h является условие одноволнового режима (13), которое с учетом (11) и (12) следует трактовать как

fз fc1 .

При этом необходимо учитывать, что с целью уменьшения в МПЛ потерь на излучение желательно выбирать диэлектрик с возможно более высоким значением r , а высота h подложки влияет на механическую прочность в процессе изготовления, сборки и эксплуатации фильтра. Программа автоматически контролирует выполнение условия одноволнового режима работы МПЛ и информирует об этом пользователя.

24

Подбор ширины элементов фильтра

Ширина элементов фильтра Wв и Wн относится к тем искомым конструктивным параметрам проектируемого фильтра, которые являются непосредственной целью расчета. В соответствии с формулировкой задачи синтеза (см. введение) такой расчет возможен, если заданы соответствующие волновые сопротивления Zв, Zн и известны уравнения вида

Wв Zв, r ,h и Wн Zн, r ,h .

Последние, очевидно, должны представлять собой уравнения, “обратные” (т.е. преобразованные относительно искомых W) уравнениям (1) и (2). На практике, однако, заранее неизвестно, при каких численных значениях Zв и Zн будут одновременно выполняться требования к структуре фильтра (16), (17) и условие одноволнового режима (13). Поэтому поиск искомых Wв и Wн проще и удобнее вести их подбором, исходя из указанных требований, используя с этой целью “прямые” уравнения (1) и (2). Программа автоматически, с учетом (18) контролирует возможность реализации подбираемых Wв и Wн, информируя об этом пользователя. Невозможность при уже известных gk ( k = 1, 2,...,n ), r и h получить технологически допустимые Wв и Wн означает нереализуемость заданной АЧХ. В этом случае необходима ее коррекция. В курсовой работе допускается такая коррекция АЧХ, при которой в окончательном варианте исходных данных из заданных 6 параметров2 изменены могут быть не более любых двух. При этом необходимо, чтобы коэффициент прямоугольности Кп АЧХ спроектированного фильтра (вычисляется автоматически) отличался от заданного (если он оказался хуже) не более, чем на некоторое наперед заданное значение (задается преподавателем). Заданный Кп следует рассчитать вручную по формуле (15).

2 Рекомендуется самостоятельно определить их приоритеты.

25

Далее программа автоматически по найденным Wв и Wн рассчитывает длины всех элементов фильтра lk , k = 1, 2,..., n .

Анализ результатов проектирования

Анализ результатов, как окончательных, так и промежуточных, является необходимой составляющей процесса проектирования. Он позволяет “прощупать” взаимосвязи между различными параметрами проектируемого фильтра, осознанно корректировать процесс поиска решения и, тем самым, минимизировать количество перебираемых искомых вариантов. Последних, удовлетворяющих заданным требованиям, может быть несколько. В этом случае при выборе наилучшего варианта целесообразно руководствоваться такими критериями, как технологичность конструкции (простота изготовления, в частности возможно большие значения Wв и h и минимальный разброс длин lk элементов), минимальная стоимость (минимальные массогабаритные характеристики, в частности возможно меньшие число элементов n и общая длина l фильтра). Этим критериям одновременно удовлетворить непросто, поскольку они, как правило, взаимоисключающие. В пояснительную записку к курсовой работе рекомендуется включать 3-4 окончательных протокола, иллюстрирующих возможные варианты фильтра, сопроводив их аргументированным комментарием, который свидетельствовал бы об обоснованности выбранного оптимального решения. Запись протоколов в файл осуществляется при обращении к пункту меню “Файл/Сохранить протокол”.

26

Дополнительное задание: расчет потерь в фильтре

Для расчета потерь в спроектированном фильтре нужно ввести требуемые параметры tg , и t, причем толщина полоска t выбирается в соответствии с условиями (5) и (6).

Рис. 10 Программа автоматически проверяет выполнение условия (5) (по умолчанию

на фиксированной частоте fп ), информирует об этом пользователя и рассчитывает на указанной частоте суммарные потери L (дБ) в фильтре по приближенной формуле (без учета резонансных свойств отрезков МПЛ):

n

L k lk , k мk дk . k 1

Здесь мk и дk - соответственно коэффициенты затухания на единицу

27

длины в полоске и в подложке k-го элемента фильтра, вычисляемые по формулам (7) - (10). Если по заданию требуется рассчитать потери в фильтре в диапазоне частот (рис.10), то в этом случае программа автоматически рассчитывает АЧХ спроектированного фильтра с учетом потерь по формуле

A L = A + L ,

где A - ослабление (дБ), определяемое заданной АЧХ .

КОНСТРУИРОВАНИЕ МИКРОСБОРКИ

Микросборка представляет собой законченный микроволновый узел (модуль), состоящий из подложки с нанесенной на нее схемой спроектированного фильтра (платы), помещенной в корпус с коаксиально-полосковыми переходами (КПП), предназначенными для включения платы во внешнюю цепь (микроволновый тракт).

Плата изготавливается на основе подложек, как правило прямоугольной формы с шириной a и длиной b. Примеры стандартных соотношений между размерами a и b подложек приведены в табл. 3.

Таблица 3

Соотношение размеров подложек прямоугольной формы

Ширина a подложки с целью минимизации краевых эффектов выбирается из условия

a > 3Wн.

28

Длина b подложки должна быть больше общей длины l фильтра, причем разница между ними определяет длину l0 подводящих полосков:

l0 = ( b - l ) / 2.

Из технологических соображений желательно, чтобы длина l0 имела порядок lk.

В качестве корпусов микросборок обычно используются корпуса коробчатого типа, что обусловлено конфигурацией стандартных подложек. Корпус предназначен для жесткого закрепления платы на его основании и соединения ее подводящих полосков с КПП. Корпус обеспечивает также защиту платы от внешних климатических, механических и электромагнитных воздействий, подавление излучения во внешнюю среду и теплоотвод. Высота H корпуса выбирается так, чтобы обеспечить минимальное влияние его крышки на параметры МПЛ (обычно ( H - h ) / h > 5) ). Внутренние поперечные размеры корпуса соответствуют с небольшим технологическим допуском размерам a и b платы, а толщина его стенок должна обеспечивать надежное закрепление в них стандартных КПП. Плата крепится к основанию корпуса токопроводящим клеем. КПП представляет собой соединительный элемент, с одной стороны которого находится коаксиальное гнездо, соединяемое со стандартным разъемом внешнего коаксиального кабеля, а с другой - переходная секция для соединения с подводящими полосками платы (отсюда и его название). Внешний экран КПП запрессовывается или впаивается в корпус микросборки, а центральный проводник его переходной секции соединяется с подводящим полоском пайкой, сваркой или механическим прижимом. КПП как соединительный элемент выполняет еще одну важную функцию - согласование внешнего кабеля с подводящими полосками платы с тем, чтобы отражение электромагнитной волны от входного и выходного плеч было минимальным в возможно более широком частотном диапазоне.

29