Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методические указания к расчётно-графической работе «Проектирование микрополосковых устройств». Учебно-методическое пособие
.pdf
1
Министерство цифрового развития, связи
и массовых коммуникаций Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики»
(СибГУТИ)
А. А. Ищук, И. А. Оболонин
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К
РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЕ
«Проектирование микрополосковых устройств»
Учебно-методическое пособие
2023
2
УДК.621.372.652.1
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензент: доцент, к.т.н. Сидельников Г.М.
Ищук, А. А., Оболонин, И. А. Методические указания к
расчётно-графической работе «Проектирование микрополосковых
устройств» : учебно-методическое пособие / А. А. Ищук, И. А. Оболонин ;
Сибирский государственный университет телекоммуникаций и
информатики ; кафедра цифрового телерадиовещания и систем радиосвязи. –
Новосибирск, 2023. – 48 с.
В методических указаниях даны рекомендации по выполнению
расчётно-графической работы «Расчёт СВЧ узлов».
Для студентов, магистрантов очного и заочного форм обучения и тех
специальностей, в которых предусмотрено программой изучение дисциплин:
«Электромагнитные поля и волны», «Системы проектирования СВЧ
устройств», «Устройства сверхвысоких частот».
© Ищук А.А., Оболонин И.А., 2023
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2023
3
СОДЕРЖАНИЕ
1. Задание №1 Проектирование микрополосковых СВЧ фильтров нижних
частот………………………………………………………………………4
2. Задание №2 Проектирование микрополосковых СВЧ фильтров
высоких частот
…………………………………………………………………………….12
3. Задание №3 Проектирование микрополосковых СВЧ
полосно-заграждающих фильтров
……………………………………………….............................................16
4. Задание №4 Проектирование микрополосковых СВЧ
полосно-пропускающих фильтров
…………………………………………………………………………….25
5. Задание №5 Проектирование двухканального переключателя СВЧ
мощности……………………………………………………………… 31
6. Задание №6 Проектирование однокаскадного транзисторного
усилителя……………………………………………………………… 34
7. Библиография……………………………………………………………37
8. Приложение А Расчёт волновых сопротивлении связанных МПЛ…38
9. Приложение Б Исходные данные для выполнения задания………….40
4
ВВЕДЕНИЕ
Расчётно-графическая работа связана с проектированием микрополосковых
фильтров различного типа, СВЧ переключателей и однокаскадных
усилителей СВЧ мощности. В пособии рассматриваются методы
конструктивного проектирования СВЧ узлов упомянутых выше, а так же
расчёта их основных параметров. Полученные параметры могут быть
использованы, как начальные исходные данные, в таких
специализированных программах анализа высокочастотных устройств как
например, Microwave Office.
ЗАДАНИЕ №1 "ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОПОЛОСКОВЫХ СВЧ
ФИЛЬТРОВ НИЖНИХ ЧАСТОТ"
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Освоение методики расчета СВЧ фильтров нижних
частот и изучение их основных электрических характеристик.
2. ЗАДАНИЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Для заданных: частот полосы пропускания – fn, fс, уровня пульсаций в
полосе пропускания – Ln, частоты заграждения – fs, уровня заграждения – Ls,
выполнить конструктивный и электрический расчет фильтра нижних частот
на микрополосковых линиях, рис.1.1. Номер варианта расчёта определяется
порядковым номером студента в журнале группы, а сами исходные данные
находятся в файле «Исходные данные» в формате «Microsoft Word ».
Рисунок 1.1 – Частотная характеристика ФНЧ
3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
3.1 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
СВЧ фильтром называется электрическая цепь, служащая для пропускания
гнала с малыми потерями в определенной полосе частот и большим
затуханием в других. В соответствии с этим определением различают
следующие виды фильтров: полосно-пропускающий (полосовой),
полосно-заграждающий (режекторные), нижних и верхних частот. По
конструкции фильтр представляет собой многозвенный (чаще всего)
реактивный четырехполюсник. В низкочастотном диапазоне в качестве
5
реактивных элементов четырехполюсника используются сосредоточенные и
емкости и индуктивности, а вот в СВЧ - соединенные между собой отрезки
фидерных линий (распределённые элементы). Особое место занимают
активные фильтры, выполненные на основе операционных усилителей с
обратной связью, кварцевые фильтры и фильтры с использованием
акустических (и других) поверхностных волн, а также цифровые фильтры на
основе микропроцессора. Дальше рассмотрим только фильтры на основе
реактивного четырехполюсника (СВЧ фильтры) выполненных на
микрополосковых линиях связи.
Проектирование фильтра осуществляется путем процедуры синтеза,
состоящего из двух этапов - аппроксимации и реализации, исходя из заданных полос пропускания, заграждения и допустимых потерь в них. На первом
этапе - аппроксимации - производится замена требуемой характеристики
затухании фильтра функцией Чебышева, Баттерворта либо иной зависимо отвечающей условиям физической реализуемости. На втором этапе реализации - определяется структура и параметры элементов фильтра. В СВЧ
диапазоне процедура реализации предусматривает использование цепи прототипа фильтра нижних частот на сосредоточенных элементах или
восстановление матрицы передачи [Т] по заданной функции рабочего
затухания [1, 2].
В настоящее время наиболее распространенной методикой расчета
фильтров СВЧ является методика, согласно которой вначале рассчитывается
низкочастотный (НЧ) фильтр-прототип. При этом определяются параметры
элементов схемы фильтра-прототипа в соответствии с заданной частотной
характеристикой фильтра. Для общности результатов все величины нормируются, а сопротивления нагрузки и генератора считаются равными
единице. Осуществляется нормировка и по частоте, например граничная
частота полосы пропускания принимается равной единице. Таким образом,
расчет фильтра СВЧ сводится к синтезу схемы низкочастотного прототипа, а
затем замене элементов с сосредоточенными параметрами их эквивалентами
с распределенными параметрами.
Для аппроксимации частотных характеристик затухания фильтра, как
указывалось выше, чаще всего применяют максимально плоскую и
равноволновую характеристики, использующие полиномы Баттерворта и
Чебышева соответственно, рис.1.2.
6
Рисунок 1.2 – АЧХ фильтра – прототипа нижних частот
При этом частота полосы пропускания (Ωп) (или частота среза) Ωс = 1, а
схема фильтра-прототипа нижних частот, которая применяется при расчёте,
будет выглядеть так, рис.1.3.
Рисунок 1.3 – Дуальные схемы фильтра-прототипа НЧ
Все элементы схемы нормированные, как правило, по отношению к
волновому сопротивлению питающей линии передачи.
3.2. ФИЛЬТРЫ НИЖНИХ ЧАСТОТ НА МИКРОПОЛОСКОВЫХ
ЛИНИЯХ
Структура фильтра нижних частот на МПЛ может быть реализована с
помощью чередующихся отрезков длинной линии с низким волновым
сопротивлением и высоким волновым сопротивлением, на элементах с
квазисосредоточенными параметрами, а также с помощью шлейфов и
инверторов сопротивлений, рис. 1.4.
7
.
а- ФНЧ на отрезках МПЛ с высоким и нзким волновым сопротивлением; б- ФНЧ на
разомкнутых шлейфах и инверторах.
Рисунок 1.4 – Риализации ФНЧ на микрополосковых линиях
Последовательность расчёта, филтьров на чередующихся отрезков
длинной линии (см. Рис.1.4,а), может быть следующая [3-4]. Вначале
определяется необходимое число звеньев фильтра.
N (lgз / (lg (Ω
з
/ Ωс) (1.1.),
в случае максимально плоской АЧХ;
N (arch з ) / arch (Ω
з
/ Ωс) (1.2.),
в случае Чебышевской АЧХ.
8
Связь между нормированными частотами(Ω) и реальными(ω)
осуществляется следующим образом:
с
. (1.3)
Здесь Ln и Lз - необходимые значения ослабления на граничных частотах Ωс
и Ωз, в разах. Число звеньев фильтра, определённое по этим формулам,
всегда округляется в большую сторону. Далее рассчитываются
нормированные значения элементов фильтра прототипа (см. Рис. 1.3).
Расчет g-параметров фильтра прототипа для максимально плоской АЧХ
производится по следующим формулам:
,
, (1.4)
где i = 1,2….N.
Для максимально плоских фильтров элементы с одинаковыми значениями
g-параметров в схемах на рис.1.3 расположены симметрично относительно
середины фильтра, как для четных, так и для нечетных значений N. Поэтому
к входу и выходу фильтра должны подключаться одинаковые сопротивления
и g0 =g
N+1
.
Для Чебышевских фильтров расчет g-параметров производится по
следующим формулам:
(1.5)
, i = 2,3… N ,
где
), ,
,
+
Ln – амплитуда осциляций в полосе пропускания в [dB].
Как видно, симметрия выполняется лишь для нечетного числа звеньев в
схеме. При необходимости подключения одинаковых сопротивлений ко
входу и выходу Чебышевского фильтра с четным числом звеньев
необходимо включить в его состав дополнительный согласующий
трансформатор сопротивлений.
Для перехода к абсолютным значениям элементов схемы необходимо:
- при заданной частоте среза разделить каждый нормированный
g-параметр, относящегося к конденсатору или индуктивности, на заданную
ненормированную угловую частоту ωс в [рад/с] т.е. (
);
- затем, при заданной величине сопротивления (Zo или ZH) умножить все
g-параметры, относящихся к активным сопротивлениям и индуктивностям,
на
9
Zo - (
) и разделить все g-параметры относящихся к емкостям, на Zo -
). После этого все элементы схемы будут определены.
Теперь остаётся найти связь между параметрами элементов фильтра
прототипа нижних частот и геометрическими размерами отрезков
микрополоски (
), (см.Рис. 1.4,а). При этом для получения более точных
расчётов следует учесть концевые емкости у отрезков с высоких волновым
сопротивлением и концевых индуктивностей у отрезков с низким волновым
сопротивлением.
Вначале, в первом приближении, вычисляем длины отрезков с высоким
волновым сопротивлением (Zv), соответствующие индуктивным элементам
схемы:
, (1.6)
и длины отрезков линии с низким волновым сопротивлением (ZH)
соответствующие емкостным элементам:
- если фильтр начинается с низкоомного отрезка МПЛ,
(1.7)
- если фильтр заканчивается низкоомным отрезком,
(1.8)
- и для внутренних низкоомных отрезков,
, (1.9)
.
Здесь: Ԑr, Ԑ - диэлектрическая и эффективная диэлектрические
проницаемости подложки и МПЛ, с – скорость света, – длина волны в
линии. Волновое сопротивление высокоомных и низкоомных отрезков
выбирается исходя из конструктивных особенностей МПЛ, физической
реализуемости и длины этих отрезков. Волновое сопротивление
индуктивных отрезков должно быть больше волнового сопротивления
питающей линии, емкостных – меньше. При этом желательно, чтобы
волновое сопротивление этих элементов отличалось друг от друга не менее
чем в пять раз.
После этого уточняются длины высокоомных элементов схемы. Для
высокоомных отрезков:
- если фильтр начинается с высокоомного отрезка МПЛ,
10
, (1.10)
- если фильтр заканчивается высокоомным отрезком МПЛ,
, (1.11)
- для внутренних высокоомных отрезков МПЛ,
). (1.12)
Здесь Fc – частота среза, Cf – краевая ёмкость низкоомных отрезков МПЛ с
шириной w,
. После этого можно ещё раз
пересчитать длины низкоомных отрезков (см. ф. 1.7-1.9), с учётом
скорректированных высокоомных отрезков.
Если не учитывать влияние неоднородностей, концевых емкостей и
индуктивностей отрезков МПЛ, то длины высокоомных и низкоомных
отрезков можно определить по простым формулам:
,
. (1.13)
Здесь L,C – индуктивность и ёмкость высокоомных и низкоомных отрезков
МПЛ.
Последовательность расчёта, филтьров НЧ на коротких разомкнутых
шлейфах. Число звеньев фильтра и все элементы определяется так же как
описано выше. В такой конструкции короткие разомкнутые шлейфы играют
роль емкостей фильтра, а трансформаторы сопротивлений (отрезки связи
между шлейфами) преобразуют емкости шлейфов в индуктивные элементы
фильтра (см. Рис.1.4,б). Длины шлейфов, играющие роль емкостей,
определяются формуле (1.13), а длина участков связи равна четверти длины
волны в МПЛ. Сопротивление отрезков связи шлейфов определяются по
следующей формуле (см. Рис.1.4,б):
, (1.14)
здесь Вс , ХL – проводимость и сопротивление низкоомных и высокоомных
отрезков МПЛ. Для коррекции удлинения разомкнутых шлейфов, из-за
наличия концевой ёмкости, можно использовать приближённое уравнение:
. (1.15)
Где λ – длина волны в свободном пространстве.
Теперь остаётся найти ширину отрезков МПЛ фильтра, которая
определяется эффективной проницаемостью, высотой подложки и волновым
сопротивлением линии передачи.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]