1 и 2 методички по ЭМПВ

С. В. Рогознев

Выполнение лабораторных работ «Основы использования программы Мicrowave Оffice для разработки радиотехнических узлов на отрезках полосковых линий передач» по дисциплине «Электромагнитные поля и волны»

1

ИЗУЧЕНИЕ СПОСОБОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ В ПРОГРАММЕ MICROWAVE OFFICE

Цель работы

Приобретение основных навыков работы в модуле EMSight интегрированного пакета MicroWave Office на примере создания и моделирования полосового фильтра на несимметричных линиях с распределенными параметрами.

Ход работы

Создайте новый проект. Для этого:

1.Выберите File > New Project в главном меню.

2.Выберите File > Save Project As в главном меню. Появляется диалоговое окно Save As.

3.Напечатайте название проекта (например, "EM_example") и щелкни-

те Save.

Создайте структуру EM (например, щелкнув по кнопке на панели инструментов).

Впечатайте название структуры (например, "Interdigital Filter"), и щелкните OK. Окно структуры EM появляется в рабочем пространстве.

Установите общие параметры структуры (Enclosure):

единицы измерения – мм; размеры (Dimension) по осям X и Y – 10мм, количество ячеек (Divisions) по осям X и Y – 50. (Если все введено правильно, то размер ячеек (Cell size) по осям X и Y будет по 0,2 мм.)

Определите диэлектрические слои структуры несимметричной линии на вкладке Dielectric Layers. Слой 1: толщина (Thickness) – 3мм, диэлектрическая проницаемость r – 1, масштаб (View scale) – 1. Слой 2: толщина – 0,635 мм, диэлектрическая проницаемость r – 9,8, масштаб – 4. Тангенс угла диэлектрических потерь (Loss tangent) для первого слоя – 0, для второго слоя – 0,001. Проводимость (Bulk cond.) для обоих слоев – 0.

Если программа предлагает по умолчанию больше, чем два слоя, то остальные слои удалите.

Верхнюю и нижнюю стенки структуры на последней вкладке оставьте идеальными проводниками (Perfect conductor).

Нарисуйте проводники на втором слое (например, с помощью кнопки на панели инструментов).

2

Горизонтальный проводник: левый верхний угол в точке с координатами (0;2,2), правый нижний угол в точке с координатами (2,2;2,8).

Вертикальный проводник: левый верхний угол в точке с координатами

(2;1), размеры по осям X и Y (1,2;7,2).

Добавьте металлизированное отверстие - межслойную перемычку (на-

пример, кнопкой ).

Вертикальная часть: левый верхний угол в точке с координатами (2,4;1,2), правый нижний угол в точке с координатами (2,8;2).

Горизонтальная часть: левый верхний угол в точке с координатами

(2,2;1,4), размеры по осям X и Y (0,8;0,4).

Рассмотрите структуру в трехмерном пространстве. Для этого можно вы-

брать команду View / 3D View или нажать кнопку на панели инструментов. Расположив двухмерный и трехмерный виды структуры слева направо (Window / Tile vertical), можно увидеть примерно такую картину, которая приведена на рис. 1.

При необходимости быстро увидеть все, что было нарисовано, нажмите

кнопку . Убедившись, что получилась подобная структура, можно закрыть трехмерное изображение.

Выделите горизонтальный проводник и установите на нем краевой порт, выбрав команду Draw / Add Edge Port и наведя мышь на край проводника.

Рис. 1. Двух- и трехмерное представление резонатора Для большего удобства увеличьте лупой область структуры с горизон-

тальным проводником, выделите порт и установите линию внедрения (сдвиньте опорную плоскость) на 1 мм от края структуры.

3

Определите частоты моделирования в свойствах проекта. Для этого дважды щелкните пункт Frequency в версии MWO 4.00 (либо пункт Project options в более новых версиях MWO) в дереве проекта. Выберите GHz в поле Unit, нажимая стрелки справа от поля. Напечатайте "1" в поле Start, напечатайте "5" в поле Stop, и напечатайте "1" в поле Step. Щелкните Apply. Список Current Range отобразит диапазон частот и шаг, которые вы только что определили. Щелкните OK.

До запуска имитатора электромагнитных полей можно увидеть оценку времени, требуемого для моделирования нарисованной структуры. Соответствующие сведения отображаются в окне EM Solver Information, которое появляется после двойного щелчка по пункту Information в дереве проекта или при выполнении команды View / Information. Щелкните OK.

Запустите имитатор EM, который рассчитает электромагнитное поле и соответствующие токи в нарисованном устройстве. Для этого нажмите

кнопку на панели инструментов. Индикатор хода работы указывает на какой частоте идет расчет и на каком шаге, пока имитатор EM вычисляет решение. Когда индикатор хода работы исчезает, моделирование закончено.

Результаты моделирования можно рассмотреть с двух точек зрения.

1.Анимация токов и отображение электрического поля.

Знание токов и электрических полей структуры EM может быть полезно при изучении ее физических характеристик. Для наблюдения поверхностных

токов на проводниках воспользуйтесь кнопками .

Чтобы отобразить электрическое поле слоя 2, выберите команду Animate / E-Field Settings в главном меню в появившемся диалоговом окне E-Field Computation установите галочку Layer 2 и щелкните OK. Нажмите кнопку

, чтобы вычислить электрические поля. Воспользуйтесь кнопками

, чтобы рассмотреть токи и электрическое поле.

Чтобы выключить расчет изображений электрических полей снимите галочку в диалоговом окне E-Field Computation.

2.Представление параметров устройства на графике.

Вставить в проект заготовку для графика (оси координат) можно кнопкой

на панели инструментов, при этом появляется диалоговое окно Create Graph. Выберите прямоугольную систему координат (Rectangular) в области Graph Type, при желании измените название окна графика и щелкните OK. Оси координат отобразятся в рабочем пространстве.

Кривые графиков электрических параметров смоделированного устройства в MWO называются «Измерениями» (Measurement). Добавить любое из

доступных в MWO измерений на график можно кнопкой на панели ин-

4

струментов при активном окне графика, при этом появляется диалоговое окно Add Measurement.

Добавьте график коэффициента отражения от первого порта. Для этого выберите тип измерения (Meas. Type) Port Parameters, измерение – S- параметр, выберите Interdigital Filter (или название вашей структуры) из раскрывающегося списка Data Source Name, включите переключатель DB в об-

ласти Result Type, щелкните Apply и OK.

На рис. 2 измерение указывает, что резонансная частота около 4 ГГц.

Рис. 2. Окно графика S-параметра смоделированной структуры

Чтобы определить более точное значение резонансной частоты, необходимо изменить диапазон частоты и шаг моделирования. Дважды щелкните пункт Frequency и установите начальное значение частоты моделирования (Start) 3ГГц, конечное значение (Stop) 5 ГГц, шаг изменения частоты (Step) 0,1ГГц так, как было описано выше. Не забудьте щелкнуть кнопку Apply при изменении списка частот.

После внесения любых изменений в проект – в данном случае после изменения частот – необходимо пересчитать электромагнитное поле заново

имитатором EM. Нажмите .

Завершите создание фильтра, добавив еще ряд проводников с помощью вспомогательных команд так, чтобы получилась следующая конструкция.

Сделать это проще всего за несколько шагов.

Чтобы получить выходной резонатор обычными способами, определенными в Windows, выделите мышью с нажатой левой кнопкой уже нарисованные проводники (так же как выделяются несколько предложений в Word). Скопируйте их в буфер обмена командой Edit / Copy и вставьте копию рядом с оригиналом командой Edit / Paste.

5

Не снимая выделения с вставленной копии, выберите команду Draw / Flip в главном меню. Наведите мышь примерно на середину нового проводника, нажмите левую кнопку мыши и, не отпуская ее, повозите мышь по кругу. При этом будет появляться контур перевернутого проводника. Отпустите мышь, когда контур нового проводника станет зеркальным отображением оригинала вправо.

Не снимая выделения с зеркальной копии, зацепите мышью выделенные проводники и сдвиньте их так, чтобы правый край горизонтального проводника совпал с правым краем структуры.

Выделите правый горизонтальный проводник, установите на нем второй краевой порт, установите линию внедрения на 1 мм от края структуры.

Чтобы создать средний резонатор выделите мышью большой вертикальный проводник и два сквозных проводника (металлизированные отверстия).

Выполните подряд команды Edit / Copy и Edit / Paste. Не щелкая пока кнопками, переместите мышь в центр структуры, там же появятся очертания скопированного образца. Щелкните дважды ПРАВОЙ кнопкой мыши, чтобы повернуть образец на 180 градусов. Левой кнопкой мыши пока не щелкать!

Нажмите клавишу табуляции, чтобы отобразить диалоговое окно Enter Coordinates. Выключите переключатель Re, чтобы изменить относительные координаты на абсолютные. Напечатайте "5.6" в x-поле, напечатайте "9.2" в y-поле, и щелкните OK. Тем самым вы привяжете правый нижний угол вставляемого перевернутого проводника к точке с координатами (5,6;9,2).

Добавьте маленькие проводники размером 0,4 0,2 мм внизу больших боковых вертикальных проводников так, как показано на рисунке выше.

В результате получается устройство, изображённое на рис. 3.

Рис. 3. Окончательный вид моделируемого полосового фильтра

Запустите имитатор EM, чтобы пересчитать поле в структуре.

Добавьте график коэффициента передачи с первого порта на второй (параметр S21) на уже существующее окно графиков. Для этого дважды щелкните пункт Graph 1 или однократно – окно графиков, чтобы оно стало актив-

6

ным, щелкните мышью по кнопке на панели инструментов и в диалоговом окне выберите тип измерения (Meas. Type) Port Parameters, измерение – S-параметр, выберите Interdigital Filter (или название вашей структуры) из раскрывающегося списка Data Source Name, номер выходного порта (To port index) – 2, включите переключатель DB в области Result Type, щелкните

Apply и OK.

Пересчитайте поле структуры. Графики должны получиться похожими на те, что изображены на рис. 4.

Рис. 4. АЧХ и коэффициент отражения моделируемого фильтра

Дополнительные задания по вариантам

1.Войти в режим редактирования, дважды щелкнув мышью по вертикальному проводнику. Изменяя длину этих проводников, подобрать резонансную частоту фильтра 5 ГГц. При этом, подбирая вертикальное расположение среднего проводника, сохранить затухание в полосе пропускания = 0.

2.Удлиняя структуру в п. Enclosure по оси X и подбирая размещение проводников добиться уменьшения полосы пропускания фильтра до величины менее 200 МГц. Крайние Г-образные проводники необходимо раздвигать, оставляя их прижатыми к стенкам.

3.Определить зависимость резонансной частоты фильтра от диэлектри-

ческой проницаемости во втором слое при ее изменении от = 2 до = 15 в п. Enclosure (минимум в 5 точках).

4.Определить влияние потерь в диапазоне от tg = 10-4 до tg = 10-2 во втором слое на АЧХ фильтра, изменяя значение потерь в п. Enclosure (минимум в 5 точках).

5.Проследить изменения полосы пропускания фильтра при укорочении горизонтальных проводников от 2,2 мм до 1,2 мм. Вертикальные проводники необходимо раздвигать, сохраняя электрическое соединение.

7

6.Изменяя толщину второго слоя от 0,5 мм до 2 мм (минимум в 5 точках)

вп. Enclosure выяснить, как меняется полоса пропускания фильтра.

7.Добавить третий диэлектрический слой в п. Enclosure с параметрами как у второго и скопировать командой Edit\Move Down все проводники на него, восстановить порты. Добавить вертикальные проводники на среднем слое примерно посреди существующих вертикальных проводников нижнего слоя. Указать изменение полосы пропускания.

8.Уменьшая размеры ячейки (шаг сетки) в п. Enclosure от 10/40 до 10/100 и каждый раз привязывая проводники к узлам сетки командой Edit\Snap Shape определить изменение длительности анализа программы применяя команду View / Information.

9.Создав новый материал проводника командой Draw\Edit Shape Prop

установить проводимость всех проводников 5,7 107 См/м. Определить влияние толщины проводника в пределах 20–200 мкм на АЧХ фильтра.

10. Установить влияние ширины вертикальных проводников на АЧХ фильтра. Измените ширину на 30 % в большую и меньшую сторону одинаково для всех проводников и зафиксируйте графики АЧХ.

На этом пример моделирования EM завершается. Сохранить работу можно, выбирая File / Save Project в главном меню.

Требования к содержанию отчета

1.Цель работы.

2.Рисунок фильтра.

3.Рисунок токов на большом проводнике.

4.Рисунок конечной АЧХ фильтра в общем задании.

5.Результаты выполнения дополнительного задания.

6.Выводы.

Вопросы к лабораторной работе

1.Общие сведения об интегрированном пакете MicroWave Office.

2.Метод решения электромагнитной задачи в модуле EMSight.

3.Формулировка электромагнитной задачи в модуле EMSight.

4.Определение портов в модуле EMSight.

5.Редактирование параметров корпуса – общие размеры, сетка, единицы измерения.

6.Редактирование параметров диэлектрических слоев.

7.Формирование проводников.

8.Формирование перемычек.

9.Формирование портов.

8

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФИЛЬТРОВ НИЗКИХ ЧАСТОТ НА ПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ

Цель работы

Цель работы заключается в изучении методики проектирования фильтров низких частот на полосковых элементах путем разработки фильтра с заданными параметрами.

Ход работы

Задание

Сконструировать ФНЧ с максимально плоской характеристикой и частотой среза fср из отрезков однородной симметричной линии передачи с сопротивлением Zв. Фильтр должен иметь n звеньев и подавлять частоты до fmax. Фильтр реализуется на симметричной полосковой линии с относительной толщиной полоски t/b = 0,05; абсолютной толщиной линии b и относительной диэлектрической проницаемостью заполняющего диэлектрика в обоих слоях. Рассчитать затухание, вносимое фильтром на частоте f. Нарисовать и смоделировать фильтр в программе Microwave Office.

Таблица 1. Варианты параметров на лабораторную работу

9

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

g0 = gn+1 = 1,

где аргумент синуса выражен в радианах.

2. Выбрать топологию фильтра низких частот на сосредоточенных элементах (рекомендуется выбрать П-образную схему с последовательной индуктивностью и параллельными емкостями)

длину волны в линии g .

L( ) = –20lg{1/[1 + ( / cp)2n]0,5} = 10lg[1 +( / ср)2n],

5. Нарисовать схему фильтра на элементах с распределенными параметрами, эквивалентную схеме с сосредоточенными элементами, при этом отрезки линии передачи, соответствующие как последовательным элементам исходной схемы, так и параллельным, соединяются все последовательно.

Рис. 2. Пятизвенный ФНЧ из П-образной схемы на отрезках линии передачи

сраспределёнными параметрами

6.Рассчитать ширину W0 входного и выходного отрезков линии передачи с Zв

10