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:
- 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).
- Вносимые потери: В полосе пропускания максимальное значение потерь не превысило 0.75 дБ, что даже лучше требуемого значения в 0.8 дБ.
- Полоса пропускания: Ширина полосы по уровню -3 дБ составила около 225 МГц, что также соответствует требованию ТЗ (220 МГц).
- 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
- Матей Д. Л., Янг Л., Джонс Е. М. Т. «Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи». Том 1. – М., Связь, 1972.
- «Проектирование радиоприемных устройств» под ред. А.П. Сиверса М., «Сов. Радио»,1976г.
- «Радиоприемные устройства» под ред. В.И. Сифорова Москва, «Советское радио»,1974г.
- H.B. Бобров, Г.В. Максимов «Расчет радиоприемников» Москва, «Воениздат», 1971г.
- 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.
- «Технология гибридных интегральных схем СВЧ» И.П. Бушминский, Г.В. Морозов, Москва, «Высшая школа», 1980г.
- «Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств» под ред. В.И. Вольмана, М, «Радио и Связь», 1982г.
- Л.Г. Малорацкий «Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ». Москва,«Советское радио», 1976г.
- 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.
- 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.
- B.C. Савельев «Генераторы на транзисторах СВЧ диапазона». «Обзоры по электронной технике» серия 1 Электроника СВЧ, вып. 3 (785) Москва, ЦНИИ «Электроника», 1981г.
- Роудз Дж. Д. «Теория электрических фильтров», — М.: Советское радио, 1980.
- Скенлан Д. О. «Теория СВЧ цепей на связанных линиях передачи»//. ТИИЭР. – 1980, Т.68.N.2
- Бергер М. Н. «Фильтры СВЧ с дополнительными параллельными связями»// Зарубежная радиоэлектроника, -1985, №6,
- Малорацкий Л. Г., Явич Л. Р. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях. М.: Советское радио, 1972
- Аристархов Г. М., Чернышев В. П. «Эквивалентное модовое представление микрополосковых фильтров на основе многопроводных линий с неравными фазовыми скоростями».
- Аристархов Г. М., Алексеев А. Н. «Связь рабочих параметров симметричных реактивных четырехполюсников»// Радиотехника и электроника, -1990, Т.35, N.3
- Р. Малер, Т.Кейминс «Элементы интегральных схем» М. «МИР» 1989 г.
- У. Тилл, Дж. Лаксон «Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление. М. «МИР» 1985 г.