2.2. Моделирование микрополоскового режекторного фильтра второго порядка

Рассмотрим порядок анализа в диапазоне часто 1 ÷ 2 ГГц простейшего перестраиваемого режекторного фильтра [4 и др.], электрическая схема которого показана на рис. 2.1. Сопротивления внешних цепей − 50 Ом; толщина подложки 2 мм при диэлектрической проницаемости = 2 и = 0.0003. Ширина всех печатных проводников 1.3 мм, толщина 20 мкм, длина резонаторов 22.5 мм при расстоянии между ними 2 мм; габаритные размеры подложки 10*34 мм. Контактные площадки для диодов должны отстоять друг от друга на 1 мм. Входной и выходной микрополоски должны отстоять от краёв подложки на 1 мм. Назначение варикапов − перестройка фильтра в диапазоне частот.

Рис. 2.1. Электрическая схема режекторного фильтра

Перестраиваемые режекторные фильтры на микрополосковых линиях передачи применяются в диапазонных радиоэлектронных устройствах. Они характеризуются относительно невысокими электрическими характеристиками и низким уровнем входной мощности, но имеют малые габариты и стоимость.

Моделирование состоит из следующих этапов.

1. В начале цикла проектирования рекомендуется в меню Help ЛКМ активизировать ЛКМ пункт QuickStart Guide… (руководство для быстрого старта), что вызовет появление на экране монитора небольшого окна-подсказки. Оно показано на рис. 2.2 и может послужить хорошим подспорьем при выполнении работы.

Рис. 2.2. 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. 2.3,а, выбираем ЛКМ пункт Planar Filter (планарный фильтр в качестве шаблона), как показано на рис. 2.3,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 (перечень приводится в правой части окна внизу − см. рис. 2.3,б), которые всегда можно изменить на любом этапе проектирования.

а) б)

Рис. 2.3. Окна создания нового проекта (Create a New Project)

2. Щелчком ЛКМ по крайней слава иконке (Set units – установка единиц измерения) в пятой сверху строке открываем окно (Specify Units), показанное на рис. 2.4, и выбираем удобные для нашего случая размерности. Те же действия можно произвести, выбрав ЛКМ в строке меню Solve Units….

Рис. 2.4. Выбор размерности для единиц измерения

2. Задаём диэлектрическую подложку фильтра. 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. 2.5,а, в котором вводим информацию о подложке, как показано на рис. 2.5,б. 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. 2.6,а. Вносим, при желании, имя материала (в рассматриваемом случае FAF) 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. 2.6,б. Значение Epsilon устанавливаем равным 2 и переходим на вкладку Conductivity, где завершаем ввод параметров материала нашей подложки – как показано на рис. 2.7. Процесс ввода параметров подложки завершается щелчками ЛКМ по кнопкам OK.

а) б)

Рис. 2.5. Окно задания параметров подложки (Brick)

а) б)

Рис. 2.6. Окна задания параметров материала подложки

(New Material Parameters:)

Рис. 2.7. Определение параметров материала подложки

2. Определяем свойства части пространства (среды), в котором будет находиться наш фильтр (параллелепипед с размерами 10*34*12 мм, ε = 1, μ = 1). Щелчком ЛКМ по иконке (Background material properties – свойства фонового материала) открываем окно Background Properties, показанное на рис. 2.8,а. В нём в соответствующих местах (см. рис. 2.8,б) вводим размер по Z и задаём тип материала, а также значения для диэлектрической и магнитной проницаемостей. Манипуляции завершаем щелчком ЛКМ 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. 2.8. Окна Background Properties

2. Введём первый слева элемент (резонатор). Для этого щелчком ЛКМ по иконке (Extrude) и последующим нажатием на клавишу Esc переходим к окну Extrude Profile, показанному на рис. 2.9,а. Перечисленные действия можно выполнить также и через меню Objects Extrude…. Далее последовательно попарно (X, Y − их следует предварительно вычислить) вводим координаты шести углов элемента связи – как показано на рис. 2.9,б (при этом надо указать Zmin = 2 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. 2.10,а. Для оперативного, качественного контроля правильности процесса ввода рекомендуется щёлкнуть ЛКМ по кнопке Preview. Аналогично вводятся параметры и второго резонатора фильтра.

а) б)

Рис. 2.9. Окна ввода левого элемента фильтра

На 1 мм ниже от нижнего края печатных проводников (см. рис. 2.10,а) расположим прямоугольную площадку, которую впоследствии соединим с обратной стороной подложки (“землёй”) цилиндрическими (диаметром 1 мм) проводниками − к ней будем подпаивать диоды. В итоге изображение приобретёт вид, показанный на рис. 2.10,б.

а) б)

Рис. 2.10. Вид рабочего стола (фрагмент) после ввода

левого − а и обоих − б элементов

7. Установим две цилиндрические перемычки − ниже и напротив резонаторов. Для этого щелчком ЛКМ по иконке (Create cylinder – создать цилиндр) и последующим нажатием на клавишу Esc переходим к окну Cylinder, показанному на рис. 2.11,а. Перечисленные действия можно выполнить также и через меню Objects Basic Shapes Cylinder…. Далее вводим внешний и внутренний диаметры цилиндра, его координаты по осям X, Y и Z, а также присваиваем ему имя С1 − как показано на рис. 2.11,б. В качестве материала перемычки следует выбрать PEC. После щелчка ЛКМ по кнопке OK, появится следующее окно, показанное на рис. 2.11,в. В нём следует выбрать пункт Insert highlighted shape (вставить в предыдущую фигуру). Аналогично вводим параметры и второй перемычки.

а) б)

в)

Рис. 2.11. Окна ввода параметров цилиндра

8. Подключим диоды. Для этого щелчком ПКМ по иконке, расположенной в навигационном дереве, Lumped Elements New Lumped Element… (сосредоточенные элементы новый сосредоточенный элемент…) откроем окно, представленное на рис. 2.12,а. Перечисленные действия можно выполнить также и через пункт меню Solve Lumped Elements…. Из рис. 2.12,а следует, что предлагаемый САПР “CST Microwave Studio” набор моделей для сосредоточенных элементов достаточно беден. Для использования выберем последовательное соединение RLC, поскольку предлагаемая здесь же модель диода неудобна для нашего случая. Вводим, как показано на рис. 2.12,б, параметры диодов. Аналогично выполняется и подключение межрезонаторной ёмкости связи.

а) б)

Рис. 2.12. Окна ввода параметров дискретного элемента

9. Задаём диапазон частот для анализа. Для этого выполним щелчок ЛКМ по иконке (Frequency range – частотный диапазон) и в открывшееся окно, показанное на рис. 2.13, введём соответствующие значения частот и щёлкнем ЛКМ по кнопке OK. Те же действия можно выполнить через меню Solve Frequency…., а также активизировав ЛКМ пункт Set frequency в окне QuickStart Guide….

10. Задаём граничные условия – в нашем случае это металлическая коробка с указанными ранее размерами. Для этого щелчком ЛКМ по иконке (Specify boundary conditions – определить граничные условия) открываем окно Boundary Conditions, показанное на рис. 2.14 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…. При этом в рабочей области САПР появляется изображение, поясняющее процесс выбора граничных условий.

Рис. 2.13 Окно ввода частотного диапазона

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. 2.14, в данном случае её можно не задавать. В общем же случае, металлизацию следует задавать для обеих поверхностей подложки.

Рис. 2.14. Окно Boundary Conditions

11. Подключаем порты. Подключим так называемые дискретные порты (Discrete ports). Для этого щёлкнем ЛКМ по иконке (Discrete ports). Другие пути состоят в щелчке ЛКМ по 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. 2.15,а. Параметры левого порта задаем, как показано на рис. 2.15,б. Аналогично определим параметры и правого порта. При вводе координат дискретного порта следует знать, что точки его подключения должны находиться внутри печатного проводника (см. на рис. 2.15,б координаты по оси Z).

а) б)

Рис. 2.15. Окна ввода параметров дискретного порта

12. Завершив процедуру подключения портов, можно приступать к процессу вычислений. Для этого используем 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. 2.16. Процесс вычислений запускается щелчком ЛКМ по кнопке OK.

Рис. 2.16. 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. 2.17).

Рис. 2.17. Окно вывода результатов моделирования