3 и 4 методички по ЭМПВ

С. В. Рогознев

Выполнение лабораторных работ «Проектирование радиотехнических узлов на элементах с распределенными параметрами в программе Microwave Оffice» по дисциплине «Электромагнитные поля и волны»

3

СОЗДАНИЕ ПОЛОСОВОГО ФИЛЬТРА НА ЛИНИИ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Цель работы

Цель работы заключается в изучении методики проектирования полосовых фильтров на элементах с распределенными параметрами на основе последовательных преобразований фильтра-прототипа нижних частот.

Ход работы

Задание

Сконструировать полосовой фильтр на основе топологии рис. 3. Фильтр должен иметь характеристику Баттерворта и n-звенный фильтр-прототип нижних частот из сосредоточенных элементов. Полоса пропускания f при центральной частоте f0. Фильтр реализуется на симметричной полосковой линии с волновым сопротивлением Zв, с относительной толщиной полоски t/b, абсолютной толщиной линии b и относительной диэлектрической проницаемостью заполняющего диэлектрика . Нарисовать и смоделировать фильтр в программе Microwave Office.

Таблица 1. Варианты параметров на лабораторную работу

4

1. С помощью какой-либо математической программы (Калькулятор, Microsoft Excel, MatLab и т. п.) рассчитать g-параметры фильтра-прототипа Баттерворта.

2. Преобразовать фильтр-прототип в ПФ.

Рис.1. Преобразование фильтра-прототипа в ФНЧ

3. Рассчитать сопротивления отрезков линии в инверторах ZвА и ZвВ

0

4.Задать значение коэффициента инверсии K. Пусть K = ZвА.

5.Рассчитать волновые сопротивления для четного и нечетного типов волн в связанных линиях.

6.Рассчитать относительную ширину полосок и расстояние между ними

всвязанных линиях

5

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

б

Рис.2. Вспомогательные графики для оценки размеров связанной линии:

а– график функции f = arcth(x); б – график зависимости ke,o = f(xe,o)

7.Рассчитать ширину полосок и длину отрезков линий. Длина каждого из отрезков равна четверти длины волны в линии передачи (рис. 3). Длина вол-

ны в линии передачи g 0 / 3 108 /( f ) , здесь f – центральная час-

6

тота. Ширина подводящих линий определяется их сопротивлением, ширина инвертора W – его сопротивлением ZвВ.

Рис. 3. Пример топологии полосового фильтра

8.Нарисовать ПФ в программе Microwave Office, смоделировать его и построить график АЧХ.

9.Если параметры полученного в Microwave Office фильтра отличаются от заданных более, чем на 10%, то необходимо скорректировать топологию фильтра. Подбирая длину отрезков линий фильтра можно добиться требуемой резонансной частоты, а подбирая расстояние между связанными линиями добиваются требуемой полосы пропускания.

Требования к содержанию отчета

1.Цель работы.

2.Расчет параметров фильтра-прототипа.

3.Расчет геометрии отрезков линии передачи.

4.Схему фильтра-прототипа и рисунок фильтра на полосковых элемен-

тах.

5.График АЧХ фильтра, построенный в программе Microwave Office.

6.Выводы.

Контрольные вопросы

1.Трансформация сопротивлений.

2.Режим полного отражения.

3.Четная и нечетная моды в связанных полосковых линиях.

7

4.Переход от фильтра-прототипа НЧ к ФВЧ.

5.Переход от фильтра-прототипа нижних частот к полосовому фильтру.

6.Проектирование фильтров верхних частот на элементах с распределенными параметрами.

7.Цели и способы применения инверторов сопротивления в полосовых фильтрах на элементах с распределенными параметрами.

8.Реализации полосовых фильтров на встречных стержнях на элементах

сраспределенными параметрами.

9.Влияние краевых емкостей на концах разомкнутых отрезков линии передачи на амплитудно-частотную характеристику фильтра.

8

СОГЛАСУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА НА СОСРЕДОТОЧЕННЫХ И РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Цель работы

Цель работы заключается в изучении методики проектирования согласующих устройств на полосковых элементах путем проектирования трансформатора сопротивления.

Ход работы

Задание

Спроектировать трансформатор сопротивления с n ступенями, обеспечивающий согласование активных сопротивлений источника и нагрузки в полосе частот от f1 до f2. Для моделирования в программе Microwave Office должна быть использована симметричная линия передачи с относительной диэлектрической проницаемостью диэлектрика , толщиной линии b, относительной толщиной проводника t/b 0 и тангенсом угла диэлектрических потерь tg .

Таблица 2. Варианты параметров на лабораторную работу

9

1. По табл. 3 определить сопротивления отрезков линии передач трансформатора.

Таблица 3. Формулы для расчета ступенчатых трансформаторов

2. Вычислить ширину отрезков линий передач трансформатора и отрезков подводящих линий.

10

3. Нарисовать трансформатор с подводящими линиями в программе Microwave Office. Длину подводящих линий принять равной gср/4 мм.

Рис.4. Двухступенчатый (а) и трехступенчатый (б) трансформаторы сопротивления на четвертьволновых отрезках полосковых линий

4.Установить сопротивление в атрибутах портов 1 и 2 равным сопротивлению источника и нагрузки соответственно (необходимое для этого диалоговое окно можно вызвать двойным щелчком по порту).

5.Построить графики входного и выходного сопротивлений на диаграм-

ме Смита (Project – Add Graf – Smith Chart – Ok) установив параметры Meas. Type – Linear, Measurement – ZIN[1] и ZIN[2] (при интерпретации учесть, что по умолчанию в программе Microwave Office графики на диаграмме Смита нормируются к сопротивлению 50 Ом).

6.Построить графики модулей входного и выходного сопротивлений на декартовой плоскости.

7.Если модули входного и выходного сопротивлений отличаются от заданных сопротивлений источника и нагрузки более чем на 50%, то подбирая ширину отрезков линий трансформатора, уменьшить максимальную разность между указанными сопротивлениями.

8.Рассчитать максимальный коэффициент отражения в рабочей полосе частот со стороны портов 1 и 2, полагая, что сопротивления источника и нагрузки не зависят от частоты. При расчете учесть, что коэффициент отражения будет максимален на тех частотах, на которых сопротивление источника максимально отличается от входного сопротивления трансформатора и сопротивление нагрузки максимально отличается от выходного сопротивления трансформатора.

11

Требования к содержанию отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1.Цель работы.

2.Расчет трансформатора и геометрии отрезков линии передачи.

3.Рисунок трансформатора на полосковых элементах.

4.График зависимости входных комплексных сопротивлений от частоты на диаграмме Смита, построенный в программе Microwave Office.

5.График зависимости модуля входных сопротивлений от частоты на декартовой плоскости.

6.Выводы.

Контрольные вопросы

1.Понятие о диаграмме Смита как о нормированном коэффициенте отражения.

2.Окружности активного сопротивления на диаграмме Смита.

3.Окружности реактивного сопротивления на диаграмме Смита.

4.Надписи на диаграмме Смита.

5.Резистивная Г-образная согласующая цепь.

6.Г-образные согласующие цепи на реактивных элементах.

7.Т-образные согласующие цепи на реактивных элементах.

8.П-образные согласующие цепи на реактивных элементах.

9.Ступенчатые трансформаторы.

Список литературы

1.Малорацкий, Л. Г. Проектирование и расчет СВЧ-элементов на полосковых линиях. – М. : Сов. радио, 1972. – 232 с.

2.Фуско, В. СВЧ-цепи. Анализ и автоматизированное проектирование. – М. : Радио и связь, 1990. – 288 с.

3.Разевиг, В. Д. Проектирование СВЧ-устройств с помощью Microwave Office / В. Д. Разевиг, Ю. В. Потапов, А. А. Курушин. – М. : СОЛОН-Пресс,

2002. – 496 с.

4.Кузьмин, А. А. Радиоэлектронные устройства СВЧ. – Томск, 1992.

5.Нефедов, Е. И. Микрополосковые излучающие и резонансные устройства. – Киев : Техника, 1990.

12