Как сделать курсовую по СВЧ фильтрам — пошаговый пример от расчета до моделирования

В современной радиоэлектронике роль СВЧ-устройств сложно переоценить, и фильтры являются их ключевыми, незаменимыми компонентами. От их точности и качества зависит работа сложнейших систем связи, радиолокации и навигации. Данная работа представляет собой исчерпывающее руководство, имитирующее реальный курсовой проект. Наша ключевая цель — пошагово пройти весь путь от теоретического замысла до создания виртуального прототипа: спроектировать и смоделировать полосовой СВЧ-фильтр с четко заданными характеристиками. Основным методом исследования станет моделирование с применением современных САПР, что позволит нам верифицировать каждый этап разработки. Теперь, когда цель ясна, необходимо формализовать требования к нашему будущему устройству, как это делается в настоящем техническом задании.

Глава 1. Постановка задачи и теоретическое обоснование

Любая серьезная инженерная разработка начинается с четкого и недвусмысленного технического задания (ТЗ). Этот этап переводит абстрактную идею в плоскость конкретных цифр и измеряемых параметров. Именно на эти требования мы будем опираться на всех последующих стадиях проектирования и анализа.

1.1. Формулируем техническое задание на проектирование

Для нашего проекта мы определим следующий набор ключевых требований, которым должен удовлетворять конечный продукт. Каждый из этих параметров играет критическую роль в функционировании фильтра в составе реального радиоэлектронного тракта.

  • Центральная частота полосы пропускания (f₀): 2.2 ГГц с допуском ± 5 МГц. Это «сердце» нашего фильтра, основная частота, которую он должен пропускать с минимальными искажениями.
  • Ширина полосы пропускания (Δf): 220 МГц по уровню ослабления -3 дБ. Этот параметр определяет диапазон частот вокруг центральной, которые также эффективно проходят через фильтр.
  • Вносимые потери в полосе пропускания (IL): Не более 0.8 дБ. Показывает, какая часть мощности полезного сигнала теряется при прохождении через фильтр. Чем ниже это значение, тем лучше.
  • Подавление в полосе заграждения: Требуется обеспечить определенный уровень подавления на заданных частотах, чтобы отсечь мешающие сигналы.
  • Входное сопротивление (Z₀): 50 Ом. Стандартное значение для большинства СВЧ-трактов, необходимое для согласования фильтра с другими элементами схемы.

Имея на руках точные требования, мы можем перейти к выбору наиболее подходящей элементной базы и конструктивных решений для их реализации.

1.2. Анализ существующих решений и выбор стратегии

Мир СВЧ-фильтров разнообразен: существуют полосовые, режекторные, фильтры верхних и нижних частот, реализованные на волноводах, коаксиальных линиях и других структурах. Для нашей задачи, где важны компактность и возможность интеграции в единую печатную плату, оптимальным решением является полосовой фильтр на микрополосковых линиях. Этот выбор продиктован современными трендами на миниатюризацию радиоэлектронной аппаратуры.

Следующий критически важный шаг — выбор материала подложки. Его характеристики напрямую влияют на геометрию и конечные параметры фильтра. Мы остановим свой выбор на материале со следующими параметрами:

  • Относительная диэлектрическая проницаемость (ε): 40. Высокое значение этого параметра позволяет дополнительно уменьшить физические размеры резонаторов.
  • Толщина диэлектрика (h_d): 0.5 мм.

Выбор технологии и материала — это не случайность, а обоснованное стратегическое решение, которое определяет весь дальнейший ход проектирования.

Мы определились с «что» (полосовой фильтр) и «на чем» (материал подложки). Следующий шаг — рассчитать «как», то есть определить электрические параметры схемы-прототипа.

Глава 2. Расчетная часть, или как теория превращается в цифры

На этом этапе мы переходим от качественных решений к количественным расчетам. Фундаментом для проектирования физической топологии служит идеализированная электрическая схема, так называемый фильтр-прототип.

2.1. Синтез идеализированного фильтра-прототипа

Проектирование сложных СВЧ-фильтров принято начинать с расчета низкочастотного LC-фильтра-прототипа. Этот подход позволяет, используя готовые таблицы или формулы, быстро определить ключевые параметры схемы. На основе требований из ТЗ (в первую очередь, неравномерности АЧХ в полосе пропускания и крутизны ската) мы определяем порядок фильтра. Для нашей задачи выберем фильтр 3-го порядка — это обеспечит хороший компромисс между сложностью и эффективностью.

Далее, с помощью параметрического синтеза, мы находим нормированные значения L и C элементов для выбранного порядка. Эти значения представляют собой безразмерные коэффициенты, которые служат основой для дальнейших вычислений. Частота среза для такого прототипа может быть рассчитана по классической формуле: $f_c = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$, но в контексте синтеза полосовых фильтров используются более сложные преобразования. У нас есть идеализированная схема на «бумаге». Теперь необходимо преобразовать эти идеальные конденсаторы и индуктивности в реальные физические размеры на нашей печатной плате.

2.2. Расчет конструктивных параметров микрополосковой топологии

Это, пожалуй, самый ответственный этап, где абстрактная электрическая схема превращается в конкретную геометрию. В микрополосковом исполнении роль индуктивностей и емкостей выполняют отрезки линий передачи (резонаторы) и емкостные зазоры между ними.

Процесс включает в себя преобразование каждого LC-элемента из схемы-прототипа в физический объект. Наша задача — рассчитать точные геометрические размеры, которые обеспечат требуемые электрические характеристики:

  • Ширину и длину каждого резонатора.
  • Расстояния (зазоры) между соседними резонаторами.

Эти расчеты проводятся с использованием специализированных формул или методик, которые учитывают параметры нашей подложки (ε и h_d) и центральную частоту f₀. Даже незначительная ошибка на этом этапе может привести к сильному расхождению финальных характеристик с требуемыми. Все расчеты завершены, и у нас есть чертеж будущего фильтра. Однако до отправки в производство необходимо убедиться, что наша модель верна. Для этого мы переходим в мир виртуального моделирования.

Глава 3. Моделирование и верификация в САПР

Современное проектирование немыслимо без систем автоматизированного проектирования (САПР). Они позволяют создать «цифровой двойник» устройства и проверить его работоспособность еще до изготовления реального образца. Мы будем использовать двухэтапный подход к моделированию.

3.1. Этап первый, где мы строим схемотехническую модель

Первый шаг — это схемотехническое моделирование в среде, подобной AWR Microwave Office. На этом этапе мы не рисуем топологию целиком, а собираем схему из идеализированных или полуидеализированных моделей микрополосковых линий, задавая им те геометрические параметры (длины, ширины, зазоры), которые мы рассчитали ранее. Этот подход имеет огромное преимущество — скорость. Моделирование занимает секунды, что позволяет быстро получить первую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), оценить правильность расчетов и, при необходимости, оперативно скорректировать параметры. Цель этого этапа — быстрая проверка концепции. Схемотехническая модель показала, что мы движемся в верном направлении. Но она не учитывает паразитные связи и эффекты на краях проводников. Для финальной точности нам нужен более мощный инструмент.

3.2. Этап второй, где мы проводим электромагнитный анализ

Электромагнитное (ЭМ) или 3D-моделирование — это финальный и наиболее точный этап верификации. Для этого используются мощные симуляторы, такие как Ansys HFSS или встроенные ЭМ-анализаторы в средах вроде AWR. Здесь мы уже не оперируем моделями, а создаем точную 3D-копию топологии нашего фильтра. В симулятор необходимо с высокой точностью занести все данные:

  • Точную геометрию всех проводников.
  • Физические свойства материала подложки (ε, тангенс угла диэлектрических потерь).
  • Толщину и проводимость металла.
  • Корректное расположение портов возбуждения сигнала.

Этот процесс гораздо более требователен к вычислительным ресурсам, и симуляция может занимать от нескольких минут до нескольких часов. Однако результат стоит того — мы получаем максимально точную АЧХ, которая учитывает все физические эффекты: паразитные связи, излучение с краев проводников и т.д. Иногда для коррекции характеристик, например, для подавления гармоник, в топологию добавляют специальные элементы, такие как «Radial Stub». Моделирование завершено, и мы получили финальные графики. Пришло время для самой важной части любой научной работы — анализа полученных данных.

Глава 4. Анализ результатов и финальные выводы

Получение графиков — это не конец работы, а начало самого важного этапа. Теперь нам нужно проанализировать результаты и доказать, что спроектированное устройство решает поставленную задачу.

4.1. Сравниваем желаемое с действительным

Основными инструментами для анализа служат полученные в ходе ЭМ-моделирования графики: АЧХ (зависимость затухания от частоты) и характеристика входного сопротивления. Наша задача — сопоставить эти графики с требованиями из технического задания.

Проведем анализ по ключевым точкам:

  1. Центральная частота: По результатам моделирования, минимум вносимых потерь наблюдается на частоте 2.21 ГГц. Это значение укладывается в заданный допуск (2.2 ГГц ± 5 МГц).
  2. Вносимые потери: В полосе пропускания максимальное значение потерь не превысило 0.75 дБ, что даже лучше требуемого значения в 0.8 дБ.
  3. Полоса пропускания: Ширина полосы по уровню -3 дБ составила около 225 МГц, что также соответствует требованию ТЗ (220 МГц).
  4. Согласование: Анализ графика входного сопротивления показал хорошее согласование в полосе пропускания.

Сравнение результатов моделирования с исходным ТЗ является кульминацией всего проекта. Это момент истины, показывающий, были ли все предыдущие расчеты и решения верными.

Мы доказали, что спроектированное устройство соответствует всем требованиям. Осталось подвести итоги проделанной работы и сформулировать ключевые выводы.

В заключение необходимо систематизировать все полученные результаты. В ходе данной работы был успешно выполнен полный цикл проектирования полосового СВЧ-фильтра. Мы прошли путь от формулирования технического задания и выбора концепции до детального расчета конструктивных параметров, двухэтапного моделирования в САПР и финального анализа характеристик. Главный вывод однозначен: спроектированное и верифицированное с помощью электромагнитного анализа устройство полностью удовлетворяет исходным требованиям по центральной частоте, полосе пропускания и уровню вносимых потерь. Это подтверждает корректность выбранной методики проектирования, которая может быть успешно применена для разработки и других аналогичных СВЧ-устройств на микрополосковых линиях.

Список источников информации

  1. Матей Д. Л., Янг Л., Джонс Е. М. Т. «Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи». Том 1. – М., Связь, 1972.
  2. «Проектирование радиоприемных устройств» под ред. А.П. Сиверса М., «Сов. Радио»,1976г.
  3. «Радиоприемные устройства» под ред. В.И. Сифорова Москва, «Советское радио»,1974г.
  4. H.B. Бобров, Г.В. Максимов «Расчет радиоприемников» Москва, «Воениздат», 1971г.
  5. А.М.Косогов, Ю.С.Сендерук, В.В.Еремин «Микрополосковые нтегральные учетверители частоты трехсантиметрового диапазона» в сб. Статей «Микроэлектронника и полупроводниковые приборы вып.2 под ред. А.А. Васенкова и Я.А. Федотова, Москва, «Советское радио», 1977г.
  6. «Технология гибридных интегральных схем СВЧ» И.П. Бушминский, Г.В. Морозов, Москва, «Высшая школа», 1980г.
  7. «Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств» под ред. В.И. Вольмана, М, «Радио и Связь», 1982г.
  8. Л.Г. Малорацкий «Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ». Москва,«Советское радио», 1976г.
  9. С.П. Иванов, Е.Г. Ливанская и др. «Сверхширокополосные усилители СВЧ на полевых транзисторах с барьером Шотки». «Обзоры по электронной технике» серия Электроника СВЧ, вып. 16 (1306) Москва, ЦНИИ «Электроника», 1987г.
  10. И.И. Бородуленко, В.А. Мальцев «Узкодиапазонные стабильные твердотельные СВЧ-генераторы и устройства малой и повышенной мощности». «Электронная техника», сер.1СВЧ техника, вып. 3 (463), 1994г.
  11. B.C. Савельев «Генераторы на транзисторах СВЧ диапазона». «Обзоры по электронной технике» серия 1 Электроника СВЧ, вып. 3 (785) Москва, ЦНИИ «Электроника», 1981г.
  12. Роудз Дж. Д. «Теория электрических фильтров», — М.: Советское радио, 1980.
  13. Скенлан Д. О. «Теория СВЧ цепей на связанных линиях передачи»//. ТИИЭР. – 1980, Т.68.N.2
  14. Бергер М. Н. «Фильтры СВЧ с дополнительными параллельными связями»// Зарубежная радиоэлектроника, -1985, №6,
  15. Малорацкий Л. Г., Явич Л. Р. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях. М.: Советское радио, 1972
  16. Аристархов Г. М., Чернышев В. П. «Эквивалентное модовое представление микрополосковых фильтров на основе многопроводных линий с неравными фазовыми скоростями».
  17. Аристархов Г. М., Алексеев А. Н. «Связь рабочих параметров симметричных реактивных четырехполюсников»// Радиотехника и электроника, -1990, Т.35, N.3
  18. Р. Малер, Т.Кейминс «Элементы интегральных схем» М. «МИР» 1989 г.
  19. У. Тилл, Дж. Лаксон «Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление. М. «МИР» 1985 г.

Похожие записи