МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра РТЭ

курсовая работа

по дисциплине «Электродинамика»

Тема: Компьютерное моделирование микроволнового фильтра

нижних частот на основе микрополосковой линии (МПЛ)

Студент гр.
Преподаватель		Тихомиров В.Г.

Санкт-Петербург

202X

Оглавление

Цель работы 3

Основные параметры и характеристики микрополосковых линий 3

Задание на курсовую работу 7

Проектирование ФНЧ 8

Фильтр №1, выполненный на фторопласте (РПХ) 8

Фильтр №2, выполненный на фторопласте (МПХ) 10

Фильтр №3, выполненный на стеклотекстолите (МПХ) 13

Фильтр №4, выполненный на поликоре (МПХ) 16

Расчет и оценка потерь в фильтре 4 на поликоре 19

Параметры микросборки 19

Вывод 19

Список используемой литературы 20

Графическая часть работы 21

Цель работы

1. Расчет параметров и характеристик одной из наиболее распространенных микроволновых линий передачи – микрополосковой линии (МПЛ), широко применяемой для изготовления гибридных и монолитных интегральных схем микроволнового диапазона.

2. Проектирование микроволнового фильтра нижних частот на основе МПЛ.

3. Поиск оптимального решения среди всех возможных вариантов.

Основные параметры и характеристики микрополосковых линий

Микрополосковая линия (МПЛ), как и любая другая направляющая система микроволнового диапазона, предназначена для направленной передачи энергии электромагнитных волн. Она состоит из диэлектрической подложки, на одну сторону которой нанесен тонкий металлический проводник прямоугольного сечения — полосок, а на другую — сплошное токопроводящее покрытие, играющее роль экрана. Таким образом, МПЛ, как и хорошо известная коаксиальная линия, содержит 2 направляющих элемента — полосок (в коаксиальной линии — центральный проводник круглого сечения) и экран (рисунок 1). На этом рисунке d и D — соответственно диаметры центрального проводника и экрана коаксиальной линии; h — высота подложки, W и t — соответственно ширина и толщина полоска; а — ширина основания МПЛ.

Рис. 1. Микрополосковая линия

Пространство (диэлектрическое заполнение), в котором в коаксиальной линии распространяется электромагнитная волна, полностью экранировано от окружающей среды. В случае МПЛ пространство (диэлектрическая подложка), в котором распространяется электромагнитная волна, экранировано от окружающей среды лишь частично — со стороны основания подложки. Отсюда следует, что в МПЛ, в отличие от коаксиальной линии, часть энергии электромагнитного поля распространяющейся волны находится в окружающей среде (как правило, воздух) — с этим эффектом связаны потери энергии на излучение. Чем выше значение относительной диэлектрической проницаемости _r материала подложки, тем сильнее в ней концентрируется электромагнитное поле и тем меньше потери энергии на излучение. По признаку потерь энергии на излучение коаксиальная линия относится к классу закрытых, а МПЛ — открытых линий передачи. По значениям _r среды, заполняющей «рабочее» пространство рассматриваемых линий передачи, коаксиальная линия относится к классу однородных — _r постоянна во всех его точках, а МПЛ — неоднородных, поэтому ее характеризуют так называемой эффективной диэлектрической проницаемостью _re, в некотором смысле усредняющей относительную диэлектрическую проницаемость среды, заполняющей «рабочее» пространство МПЛ с учетом ее поперечных размеров.

Приведенная аналогия между МПЛ и коаксиальной линией не случайна — схожесть их конструкций и, прежде всего, наличие у каждой из них двух направляющих элементов объясняет и схожесть их параметров и характеристик. Здесь необходимо отметить, что параметры и характеристики любой микроволновой линии передачи полностью определяются электромагнитным полем распространяющегося по ней типа волны (моды). Согласно электродинамической теории, типов направленных электромагнитных волн бесконечно много, при этом каждый тип волны характеризуется строго своим распределением электромагнитного поля (структурой силовых линий) в поперечном сечении линии передачи и соответствующей этому полю так называемой критической частотой (критической длиной волны ). Последняя ограничивает диапазон частот (длин волн), в пределах которого данный тип волны в данной линии передачи только и может распространяться. Такие типы волн называются дисперсными и все их параметры зависят от частоты — это явление называется дисперсией. Тип волны, у которого критическая частота наименьшая (критическая длина волны наибольшая, поскольку , где с - скорость света в вакууме), называется основным. Типы волн с более высокими значениями критических частот называются высшими. Режим работы, при котором по линии передачи может распространяться только один тип волны, называется одноволновым (одномодовым) и наиболее просто он реализуется именно для основного типа волны. В коаксиальной линии основной является поперечная Т‑волна (от английского transverse — поперечный), силовые линии электромагнитного поля которой полностью лежат в плоскости поперечного сечения. Мгновенная (в фиксированный момент времени) картина поля волны Т в коаксиальной линии показана на рис. 2.

Рис. 2. картина поля волны Т в коаксиальной линии

На этом рисунке показано, каким образом меняется структура поля Т‑волны при последовательном изменении формы поперечного сечения линии передачи от коаксиальной к МПЛ. В частности, из рисунка видно, что в коаксиальной линии поле однородно (густота силовых линий поля равномерна), а в МПЛ — неоднородно. Из общей теории следует также, что критическая частота Т‑волны равна нулю ( ) и она не обладает дисперсией. Таким образом, коаксиальная линия на волне Т может работать на любых частотах, вплоть до нулевой, т. е. на постоянном токе (как и обычная двухпроводная линия, каковой коаксиальная, собственно, и является), при этом ее параметры во всем частотном диапазоне остаются постоянными. В МПЛ нарушение симметрии формы поперечного сечения и однородности среды приводит к тому, что волна Т перестает быть чисто поперечной — такую волну называют квази‑Т‑волной (~T). Ее критическая частота остается равной нулю ( ), однако, начиная с некоторой частоты, ее параметры становятся частотно-зависимыми, т. е. квази‑Т‑волна — дисперсная. В дальнейшем будем считать, что рассматриваемая МПЛ работает на основной квази‑Т‑волне.

В курсовой работе предлагается по заданной амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) спроектировать микроволновый фильтр нижних частот (ФНЧ) на МПЛ. Два возможных типа АЧХ ФНЧ — равномерно пульсирующая (РПХ) и максимально плоская (МПХ) показаны на рис. 3. Здесь f_п — граничная частота полосы пропускания; f_п — полоса пропускания (рабочая полоса частот), в которой ослабление амплитуды сигнала, поступающего на вход фильтра, не превышает заданного значения A_п; f_з — граничная частота полосы заграждения; f_з — полоса заграждения (полоса непропускания), в которой ослабление амплитуды сигнала равно или превышает заданное значение A_з. Полоса частот от f_п до f_з называется полосой перехода. Качество ФНЧ зависит от крутизны склонов его АЧХ и оценивается коэффициентом прямоугольности K_п, определяемым отношением

.

Рис. 3. Два возможных типа АЧХ ФНЧ — равномерно пульсирующая (РПХ) и максимально плоская (МПХ)