2.3. Моделирование шпилечного (hairpin) фильтра

Пусть необходимо выполнить в диапазоне частот 0.8 ÷ 1.2 ГГц анализ электрических характеристик (, dB) шпилечного фильтра, топология которого показана на рис. 2.18, а основные размеры сведены в таблицу 2.1. Толщина подложки несимметричной полосковой линии 1.5 мм, относительная диэлектрическая проницаемость ε = 4.5, тангенс угла диэлектрических потерь tg δ = 0.025. Габариты подложки составляют 85*60*1.5 мм. Фильтр помещён в металлическую коробку с размерами внутреннего пространства 85*60*11.5 мм. Толщина печатных проводников составляет 20 мкм. Сопротивления источника сигнала и нагрузки – по 50 Ом.

Рис. 2.18. Топология шпилечного фильтра

Таблица 2.1

Ширины полосков	Зазоры между полосками
W1 = W8 = 1.9 мм	S12 = S78 = 0.2 мм
W2 = W7 = 2.6 мм	S23 = S67 = 1.0 мм
W3 = W6 = 2.7 мм	S34 = S56 = 1.4 мм
W4 = W5 = 2.7 мм	S45 = 1.5 мм

Шпилечные фильтры [5-7 и др.], как и большинство микрополосковых, относительно дёшевы в производстве, имеют небольшие размеры, но непригодны для передачи больших уровней мощности и обладают заметными тепловыми потерями.

Моделирование будет состоять из следующих этапов.

1. В начале цикла проектирования рекомендуется в меню Help ЛКМ активизировать пункт QuickStart Guide…, что вызовет появление на экране монитора небольшого окна-подсказки. Оно показано на рис. 2.19 и может послужить хорошим подспорьем при выполнении работы.

Рис. 2.19. Окно QuickStart Guide…

2. В строке меню ЛКМ активируем пункт меню File и ниспадающей панели ЛКМ выбираем пункт New. В открывающемся окне, показанном на рис. 2.20,а, выбираем ЛКМ пункт Planar Filter (планарный фильтр в качестве шаблона), как показано на рис. 2.20,б, и в завершении щёлкаем ЛКМ по кнопке OK. В общем случае, выбор того или иного шаблона связан лишь с выбором того или иного набора предопределённых установок, которые всегда можно изменить на любом этапе проектирования.

а) б)

Рис. 2.20. Окна создания нового проекта (Create a New Project)

3. Щелчком ЛКМ по крайней слева иконке (Set units – установка единиц измерения) в пятой сверху строке открываем окно (Specify Units), показанное на рис. 2.21, и выбираем удобные для нашего случая размерности. Те же действия можно произвести, выбрав ЛКМ в строке меню пункт Solve Units…., а также щелчком ЛКМ по пункту Set units в окне QuickStart Guide….

Рис. 2.21. Выбор размерности для единиц измерения

4. Определяем свойства части пространства, в котором будет находиться наш фильтр (параллелепипед с размерами 85*60*11.5 мм, ε = 1, μ = 1). Щелчком ЛКМ по иконке (Background material properties – свойства фонового материала) открываем окно Background Properties, показанное на рис. 2.22,а. В нём в соответствующих местах (см. рис. 2.22,б) вводим размер по Z и задаём тип материала, а также значения для диэлектрической и магнитной проницаемостей. Манипуляции завершаем щелчком по кнопке OK. Перечисленные действия можно выполнить также и через меню Solve Background Material… или активизировав ЛКМ пункт Set Background material в окне QuickStart Guide….

а) б)

Рис. 2.22. Окна Background Properties

5. Задаём диэлектрическую подложку. Для этого выполняем щелчок ЛКМ по иконке (Create brick – создать брикет) и нажимаем на клавишу Esc – в соответствии с появляющимся сообщением в рабочей области САПР (то же самое можно сделать, выбрав меню Objects Basic Shapes Brick…). На экране появится окно, показанное на рис. 2.23,а, в котором вводим информацию о подложке, как показано на рис. 2.23,б. Здесь уместно заметить, что часто, для упрощения процедуры ввода координат точек конструкции, удобно начало системы координат совмещать с какой-либо конструктивной точкой. Исходя из этого, можно было бы в окне на рис. 2.23,б задать Ymin = -10 и Ymax = 50. В последнюю очередь, определяем материал подложки, щёлкнув ЛКМ по стрелочке в ниспадающем меню Material:, и выбрав там пункт [New Material…]. Появится окно (New Material Parameters:), показанное на рис. 2.24,а. Вносим, при желании, имя материала (в рассматриваемом случае СТ45) и выбираем его тип (Normal – в нашем случае). После этого окно New Material Parameters: несколько изменит свой вид – появятся две новые вкладки: Conductivity (удельная электропроводность) и Dispersion (дисперсия) – как показано на рис. 2.24,б. Переходим на вкладку Conductivity (проводимость) и задаём оставшиеся параметры материала нашей подложки – как показано на рис. 2.25. Завершается данный этап щелчком ЛКМ по кнопке OK. Рабочей области после этого появится изображение подложки с координатными ортами. Вид рабочей области можно менять 12 инструментами (Activate rotation mode, Activate plane rotation mode, Activate panning mode, Activate dynamic zoom mode, Activate zoom mode, Reset View, Reset view to structure (Space), View Options (Alt+V), Axes (Ctrl+A), Draw working plane (Alt+W), Wireframe mode, Cutting plane).

а) б)

Рис. 2.23. Окна ввода параметров подложки (Brick)

а) б)

Рис. 2.24. Окна задания параметров материала подложки

(New Material Parameters:)

Рис. 2.25. Определение параметров материала подложки

6. Введём первый слева (см. рис. 2.18) элемент фильтра – трансформатор связи с внешними цепями. Для этого щелчком ЛКМ по иконке (Extrude) и последующим нажатием на клавишу Esc переходим к окну Extrude Profile, показанному на рис. 2.26,а. Далее последовательно попарно (X, Y − их следует, в общем случае, предварительно вычислить) вводим координаты шести углов элемента связи – см. табл. 2.2 – как показано на рис. 2.26,б (при этом надо указать Zmin = 1.5 и Height = 0.02). В качестве материала металлизации следует выбрать PEC (Perfect Electric Conducting – совершенная электрическая проводимость). По окончании ввода в рабочей области САПР появится изображение, показанное на рис. 2.27. Для оперативного, качественного контроля правильности процесса ввода координат углов печатного рисунка рекомендуется щёлкнуть ЛКМ по кнопке Preview.

Таблица 2.2

X	0	4.4	4.4	2.5	2.5	0	0
Y	10	10	50.7	50.7	11.9	11.9	10

а) б)

Рис. 2.26. Окна ввода самого левого элемента фильтра

Рис. 2.27. Вид рабочего стола (фрагмент) после ввода первого элемента

7. Совершенно аналогично вводятся и все остальные 8 элементов. По завершению ввода последнего в рабочем столе САПР должно появиться изображение, показанное на рис. 2.28,а. При этом в левой верхней части навигационного дерева появится список всех компонент фильтра – как показано на рис. 2.28,б.

а) б)

Рис. 2.28. Вид рабочего стола (фрагменты) после ввода последнего элемента

Для исправления замеченной ошибки после ввода очередного элемента конструкции можно двойным щелчком ЛКМ по ярлыку соответствующего элемента в навигационном дереве (рис. 2.28,б) открыть окно, аналогичное окну рис. 2.26,б, и там устранить недоработку.

8. Задаём диапазон частот для анализа. Для этого выполним щелчок ЛКМ по иконке (Frequency range – частотный диапазон) и в открывшееся окно, показанное на рис. 2.29, введём соответствующие значения и щёлкнем ЛКМ по кнопке OK. Те же действия можно выполнить через меню сделать, выбрав Solve Frequency…, а также активизировав ЛКМ пункт Set frequency в окне QuickStart Guide….

Рис. 2.29. Ввод граничных частот для анализа

9. Задаём граничные условия – в нашем случае это металлическая коробка с указанными выше размерами. Для этого щелчком ЛКМ по иконке (Specify boundary conditions – определить граничные условия) открываем окно Boundary Conditions, показанное на рис. 2.30 и в нём по каждой из 6-ти плоскостей выбираем возможные варианты (в нашем случае ничего изменять не надо – желаемое установлено по умолчанию). Эти же действия можно сделать, выбрав в меню Solve Boundary Conditions… или щёлкнув ЛКМ по пункту Set boundary conditions в окне QuickStart Guide…. После этого в рабочей области САПР появляется изображение, поясняющее процесс выбора граничных условий.

У нашего фильтра, конечно же, имеется сплошная металлизация на обратной к нам стороне подложки. Но, с учётом выбранных граничных условий в плоскости Zmin – см. рис. 2.30, в данном случае её можно не задавать. В общем же случае, металлизацию следует задавать для обеих поверхностей подложки.

Рис. 2.30. Окно Boundary Conditions

10. Подключаем порты.

1. В начале разберём, как подключаются так называемые дискретные порты (Discrete ports). Для этого щёлкнем ЛКМ по иконке (Discrete ports), положение которой видно из рис. 2.28,б. Другие пути состоят в щелчке ЛКМ по пункту меню Solve Discrete Ports… или в щелчке ПКМ по пункту Ports в навигационном дереве с последующим выбором пункта New Discrete Port…. В результате откроется окно, представленное на рис. 2.31,а. Параметры левого порта задаем, как показано на рис. 2.31,б. Аналогично определим параметры правого порта. При вводе координат дискретного порта следует знать, что точки его подключения должны находиться внутри печатного проводника (см. на рис. 2.31,б координаты по оси Z).

а) б)

Рис. 2.31. Окна ввода параметров порта

Если бы мы остановили бы свой выбор на волноводном типе порта, то дальнейшие действия свелись бы к вычислениям. Однако в рассматриваемой конструкции с дискретным портом вкралась грубая ошибка: крайние элементы фильтра (входной и выходной трансформаторы) находятся в контакте с металлической коробкой (Boundary Conditions – см. рис. 2.31). Для её устранения следует несколько укоротить (например, на 0.5 мм) горизонтальные участки оконечных трансформаторов. Для этого следует двойным щелчком ЛКМ по иконке входного (а потом и выходного) трансформатора в навигационном дереве открыть окно, показанное на рис. 2.32,а. Последовательными щелчками ЛКМ по пункту Define extrude и кнопке Edit… следует перейти к окну редактирования, показанному на рис. 2.32,б, и выполнить необходимые коррекции. Аналогично исправляется и топология выходного трансформатора.

а) б)

Рис. 2.32. Окна коррекции элементов конструкции фильтра

2. Под словосочетанием “волноводный порт” в “CST Microwave Studio” понимается коаксиальный, микрополосковый (наш случай), полосковый или волноводный тракт бесконечной с одной стороны длины. При выборе размеров поперечного сечения микрополоскового порта рекомендуется стремиться к следующим пропорциям: ширина порта должна равняться примерно десяти ширинам полоска, а его высота – примерно пяти толщинам подложки.

Процедура подключения волноводного порта на своём начальном этапе аналогична процедуре подключения дискретного порта. Надо лишь вместо пункта Discrete ports… выбирать пункт Waveguide Ports…. При этом откроется окно, представленное на рис. 2.33,а. В нём, как показано на рис. 2.33,б, следует сначала указать направление нормали порта (на рис. 2.33,б выбрана нормаль Х) и его ориентацию. Затем следует задать расстояние до плоскости отсчёта − это делается в позиции Dist. to ref. plane. Количество в процессе вычислений учитываемых мод устанавливается в позиции Number of mode – для микрополосковых устройств обычно ведётся учёт одной моды. Заканчивается определение волноводного порта щелчком ЛКМ по кнопке OK. Аналогично выполняется подключение и второго волноводного порта − напротив первого.

а) б)

Рис. 2.33. Окна подключения левого волноводного порта

После выполнения сказанного рабочая область САПР приобретает вид, показанный на рис. 2.34.

Рис. 2.34. Вид рабочей области (фрагмент) после подключения

волноводных портов

11. Завершив процедуру подключения портов, можно приступать к процессу вычислений. Наиболее часто используемый для частотного анализа фильтров используется Frequency Domain Solver − частотный вычислитель. Для его запуска следует щёлкнуть ЛКМ по иконке (Frequency domain solver) или через меню Solve Frequency Domain Solver…. В результате в рабочей области САПР откроется окно, показанное на рис. 2.35. Процесс вычислений запускается щелчком ЛКМ по кнопке OK.

Рис. 2.35. Окно Frequency Domain Solver Parameters

12. При успешном завершении процесса вычислений в нижней части навигационного дерева появятся отметки в виде символов ”+” слева от иконки 1D Results. После этого становится возможным визуализировать искомые результаты (в данном случае – см. рис. 2.36).

Для изменения вида представляемых результатов можно, с одной стороны, щелчком ПКМ по полю графиков открыть ниспадающее меню, показанное на рис. 2.37, и там выбрать подходящие опции. С другой стороны, для увеличения части интересующего фрагмента изображения, можно, удерживая нажатой ЛКМ, выделить его стандартным образом, − так как это принято делать в графических редакторах Windows.

Рис. 2.36. Окно вывода результатов моделирования

Рис. 2.37. Ниспадающее контекстное меню графического редактора