2.5. Моделирование керамического фильтра

Пусть необходимо выполнить в диапазоне частот 122 ÷ 145 МГц анализ электрических характеристик (S11, S12) керамического фильтра [7, 10], конструкция которого показана на рис. 2.51 [10]. Диаметр стержней составляет 5.6 мм и размещены они на расстоянии 20 мм друг от друга. Высоты цилиндрических стержней (они выполнены в виде металлизации) составляет: 50.22 мм – для двух крайних и 57.5 мм – для всех остальных. Ширина воздушных щелей – 1 мм, их высоты составляют: Z12 = Z56 = 40 мм, Z23 = Z45 = 44 мм, Z34 = 43 мм. Относительная диэлектрическая проницаемость керамики ε = 100, тангенс угла диэлектрических потерь tg δ = 0.0005, толщина металлизации 20 мкм. Металлизированы все поверхности фильтра за исключением верхней поверхности и поверхностей воздушных щелей. Габариты фильтра составляют 120*57.5*20 мм. Фильтр помещён в металлическую коробку с размерами внутреннего пространства 120*77.5*20 мм. Сопротивления источника сигнала и нагрузки – по 50 Ом. Связь с внешними цепями реализована посредством сосредоточенной ёмкости, величиной 19 пФ.

Керамические фильтры позволяют при весьма небольших, по сравнению с фильтрами предыдущей конструкции, габаритах обеспечить хорошие электрические параметры и высокий уровень входной мощности. К недостаткам относится относительно высокая стоимость изготовления.

Рис. 2.51. Конструкция керамического фильтра

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. 2.52 и может оказаться удобным для дальнейшей работы.

Рис. 2.52. Окно QuickStart Guide…

2. В строке меню ЛКМ активируем пункт меню File и в ниспадающей панели ЛКМ выбираем пункт New. В открывающемся окне, показанном на рис. 2.53,а, выбираем ЛКМ пункт Resonator (резонаторный фильтр в качестве шаблона), как показано на рис. 2.53,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. 2.53. Окно 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. 2.54, 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. 2.54. Выбор размерности для единиц измерения

4. Определяем свойства части пространства, в котором будет находиться наш фильтр (параллелепипед с размерами 120*20*77.5 мм, ε = 1, μ = 1). Щелчком ЛКМ по иконке (Background material properties – свойства фонового материала) открываем окно Background Properties, показанное на рис. 2.55,а. В нём в соответствующих местах (см. рис. 2.55,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 пункт меню Solve Background Material… или активизировав пункт Set Background material в окне QuickStart Guide….

а) б)

Рис. 2.55. Окна Background Properties

4. Задаём керамический брусок. 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 в ниспадающем меню Objects пункт Basic Shapes Brick…). На экране появится окно, показанное на рис. 2.56,а, в котором вводим информацию о керамической основе фильтра, как показано на рис. 2.56,б. В последнюю очередь, определяем материал бруска, щёлкнув ЛКМ по стрелочке в ниспадающем меню Material:, и выбрав там пункт [New Material…]. Появится окно (New Material Parameters:), показанное на рис. 2.57,а. Вносим, при желании, имя материала (в рассматриваемом случае TBNC) 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. 2.57,б. Переходим на вкладку Conductivity и задаём оставшиеся параметры материала нашей подложки – как показано на рис. 2.58.

а) б)

Рис. 2.56. Окна задания параметров подложки (Brick)

а) б)

Рис. 2.57. Окна задания параметров материала подложки

(New Material Parameters:)

Рис. 2.58. Определение параметров материала подложки

Завершается данный этап щелчком ЛКМ по кнопке OK. В рабочей области после этого появится изображение бруска с координатными ортами – как показано на рис. 2.59. 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).

Рис. 2.59. Рабочая область САПР после задания керамической основы

4. Введём первый слева (см. рис. 2.51) цилиндрический элемент фильтра. Для этого щелчком ЛКМ по иконке (Create cylinder – создать цилиндр) и последующим нажатием на клавишу Esc переходим к окну Cylinder, показанному на рис. 2.60,а. Далее вводим внешний и внутренний диаметры цилиндра, его координаты по осям X, Y и Z, а также присваиваем ему имя D1. В качестве материала металлизации следует выбрать PEC (Perfect Electric Conducting – совершенная электрическая проводимость) − как показано на рис. 2.60,б. Для удаления керамики из внутреннего объёма стержней следует опять же создать цилиндр (вакуумный) – как показано на рис. 2.60,в. После щелчка ЛКМ по кнопке OK, откроется окно Shape Intersection (пересечение фигур), представленное на рис. 2.60,г. В нём следует определить характер пересечения внутренностей керамического цилиндра и воздушного стержня – щелчком по нижней строке выбора (Cut away highlighted shape) удаляем лишний материал. По окончании ввода первого стержня в рабочей области САПР появится изображение, показанное на рис. 2.61. Для оперативного, качественного контроля правильности процесса ввода рекомендуется щёлкнуть ЛКМ по кнопке Preview.

а) б)

в) г)

Рис. 2.60. Окна ввода параметров самого первого стержня фильтра

Рис. 2.61. Вид рабочего стола (фрагмент) после ввода первого стержня

4. Совершенно аналогично вводятся и все остальные 5 стержней. По завершению ввода последнего стержня в рабочем столе САПР должно появиться изображение, показанное на рис. 2.62,а. На нём можно увидеть различную длину металлизации у стержней. При этом в левой верхней части навигационного дерева появится список всех компонент фильтра – как показано на рис. 2.62,б.

Для исправления замеченной ошибки после ввода очередного элемента конструкции можно двойным щелчком ЛКМ по ярлыку соответствующего элемента в навигационном дереве (рис. 2.62,б) открыть окно, аналогичное окнам рис. 2.60, и там устранить недоработку.

а) б)

Рис. 2.62. Вид рабочего стола (фрагменты) после ввода последнего стержня

Металлизацию всех стержней объединяем. Для этого, удерживая нажатой клавишу Ctrl, последовательно выделяем щёлчками ЛКМ по иконкам стержни в навигационном дереве (см. рис. 2.62,б) и затем, отпустив клавишу Ctrl, щёлкаем ЛКМ по иконке (Boolean Add – логическое объединение).

8. Задаём воздушные зазоры, находящиеся посредине между стержнями. Это удобно сделать, щёлкнув ЛКМ по иконке (Extrude) и последующим нажатием на клавишу Esc переходим к окну Extrude Profile, показанному на рис. 2.63,а. Далее последовательно попарно (Y, Z) вводим координаты четырёх углов щели связи – как показано на рис. 2.63,б (при этом надо указать Xmin = 19.5 и Height = 1). В качестве материала металлизации следует выбрать Vacuum. После щелчка ЛКМ по кнопке OK, появится окна, показанное на рис. 2.64, в котором следует определить характер пересечения керамического бруска и воздушной щели – щелчком по нижней строке выбора (Cut away highlighted shape) удаляем из бруска ту его часть, которая пересеклась со щелью. Щелчком ЛКМ по кнопке OK завершаем процесс ввода первой воздушной щели. По окончании её ввода в рабочей области САПР появится изображение, показанное на рис. 2.65 – брусок с 6-ю стержнями и одной воздушной щелью. Для оперативного, качественного контроля правильности процесса ввода рекомендуется щёлкнуть ЛК по кнопке Preview. Аналогично вводятся параметры остальных воздушных щелей.

а) б)

Рис. 2.63. Окна ввода параметров самой левой щели фильтра

Рис. 2.64. Окно Shape Intersection (пересечение фигур)

Рис. 2.65. Вид рабочей области (фрагмент) после ввода первой воздушной щели

9. Задаём диапазон частот для анализа. Для этого выполним щелчок ЛКМ по иконке (Frequency range – частотный диапазон) и в открывшееся окно, показанное на рис. 2.66, введём соответствующие значения и щёлкнем ЛКМ по кнопке OK. Те же действия можно выполнить через меню, выбрав Solve (решать) Frequency…. или активизировав ЛКМ пункт Set frequency в окне QuickStart Guide….

Рис. 2.66. Ввод граничных частот для анализа

10. 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. 2.67 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 пункт Boundary Conditions… или щёлкнув ЛКМ по пункту Set boundary conditions в окне QuickStart Guide…. При этом в рабочей области САПР появляется изображение, поясняющее процесс выбора граничных условий.

Фильтр покрыт металлизацией со всех сторон за исключением поверхностей воздушных щелей и верхней (см. рис. 2.51) поверхности. Но, выбранные граничные условия и заданные параметры фона (см. рис. 2.55), позволяют в данном случае её не задавать.

Рис. 2.67. Окно Boundary Conditions

11. Подключаем дискретные порты и ёмкости связи. Для этого щёлкнем ЛКМ по иконке (Discrete ports), положение которой видно из рис. 2.62,б. Другие пути состоят в щелчке ЛКМ по пункту меню Solve и выборе подпункта 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. 2.68,а. Параметры левого порта задаем, как показано на рис. 2.68,б. Аналогично определим параметры правого порта. При вводе координат дискретного порта следует знать, что точки его подключения должны находиться внутри печатного проводника.

а) б)

Рис. 2.68. Окна ввода параметров порта

Для ввода параметров ёмкости связи щелчком ЛКМ по иконке (Lamped networks elements − сосредоточенные элементы схемы − её положение можно уточнить из рис. 2.62,б) открываем окно ввода параметров сосредоточенного элемента, показанное на рис. 2.69,а, и вносим необходимые изменения − как показано на рис. 2.69,б. Итоговый вид фильтра показан на рис. 2.69,в.

а) б)

в)

Рис. 2.69. Окна ввода параметров сосредоточенного элемента − а, б

и итоговый внешний вид фильтра

12. Теперь 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 активизировать подпункт Frequency Domain Solver…. В результате в рабочей области САПР откроется окно, показанное на рис. 2.70. Процесс вычислений запускается щелчком ЛКМ по кнопке OK.

Рис. 2.70. Окно Frequency Domain Solver Parameters

13. 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. 2.71).

Для изменения вида представляемых результатов можно, с одной стороны, щелчком ПКМ по полю графиков открыть ниспадающее меню, показанное на рис. 2.72, и там выбрать подходящие опции. С другой стороны, для увеличения части интересующего фрагмента изображения, можно, удерживая нажатой ЛКМ, выбелить его стандартным образом, − так как это принято делать в графических редакторах.

Рис. 2.71. Окно вывода результатов моделирования

Рис. 2.72. Ниспадающее контекстное меню графического редактора