Katedra elektromagnetického pole K kurs AWR MO. samostatná úloha č.3

Transkript

1 Katedra elektromagnetického pole K7 kurs AR MO samostatná úloha č. Návrh mikropáskových filtrů typu PP a DP. Navrhněte mikropáskový filtr typu pásmová propust (PP) se strukturou dle níže uvedeného obrázku. Jako substrát použijte materiál CuCLAD s parametry:ε r =., H=0.508, T=0.0mm, rho=0.7, tgδ=0.00. Popis substrátu přidejte k vytvářenému SCHEMATICu. Jako střední frekvenci si zvolte hodnotu z tabulky úplně dole. Při zadávání SCHEMATICu je nutné místo přímého přiřazení hodnot zadat parametry pomocí proměnných (VARIABLES). Důvodem je to, že filtr musí být z obou stran symetrický a to, že bude navrhován pomocí optimalizace. Jakoukoliv proměnnou zadáte pomocí DRA ADD EQUATION o Objeví se prázdné políčko, které umístěte do SCHEMATICu o Do políčka pak napište název a výchozí hodnotu proměnné například a=, viz. následující obrázek o K prvku, např. pak zadejte šířku pásku =a o To samé je u daného prvku provedeno i pro šířku štěrbiny S a délku vedení L, přiřazené jsou jim proměnné Sa a La. Základem filtru jsou rezonátory délky λ v / navzájem vázané štěrbinami na úsecích dlouhých přibližně λ v /. Model dvojice štěrbinou vázaných vedení označený najdete v MICROSTRIP COUPLED LINES a je uveden i na následujícím obrázku.

2 ID=TL =a mm S=Sa mm a= Sa=0.5 La=0 Základními parametry úseku vázaného vedení jsou: o Délka úseku vedení L, jako výchozí hodnotu pro optimalizaci nastavte přibližně La=λ v / o Tuto délku si pro daný substrát můžete vypočítat pomocí procedury TXLINE s tím, že zadáte Electrical Length = 90 deg. Výpočet proveďte pro střední frekvenci pásma a impedanci vedení Z=70Ω. o Šířka štěrbiny mezi vedeními S, jako výchozí hodnotu pro optimalizaci zadejte Sa=0.5 mm o Šířka pásku, jako výchozí hodnotu nastavte a= mm Celkový rezonátor délky λ v / (s kmitnami OPEN na obou stranách a s uzlem uprostřed) vázaný na obě strany vznikne zapojením dvou úseků za sebou s tím, že otevřené konce mikropáskových vedení jsou zakončeny modely a skok impedancí mezi vázanými úseky může být popsán diskontinuitou MSTEP, viz. následující obrázek. ID=TL =a mm S=Sa mm a= Sa=0.5 La=0 ID=TL =a mm ID=TL =b mm S=Sb mm ID=TL6 L=Lb mm =b mm ID=TL7 =a mm MSTEP ID=TL =a mm =b mm ID=TL5 =b mm b=0.8 Sb=0.7 Lb=0 Na otevřených koncích rezonátoru je elektromagnetické pole, které částečně zasahuje i za konec mikropásku. Tento rozptyl pole je možné v modelu popsat pomocí modelu (Microstrip-Other). Zadává se u něj šířka odpovídající šířce mikropásku, v daném případě tedy a nebo b. Zajímavý je i případ skoku různých impedancí a tedy i šířek na mikropásku.

3 Z <Z rozptylové pole el. délka o V případě širšího pásku nekončí elektromagnetické pole přesně na konci pásku, nýbrž ve formě rozptylového pole tento konec trochu přesahuje. Elektrická délka pásku je pak trochu větší, než délka fyzická. o To může při analýze způsobovat nezanedbatelné chyby. o Je to obdobný problém, jako výše uvedený otevřený konec mikropásku. o Proto je součástí AR i model skoku impedancí mikropáskového vedení MSTEP. Zadávají se šířky pásků z obou stran. o Model najdete v subadresáři Other, model MSTEP najdete v subadresáři Junctions. Sestavte filtr tvořený dvěma λ v / rezonátory vázanými λ v / vazbami na vnější vedení 50 ohmů. Celkové zapojení je uvedeno na následujícím obrázku: PORT P= Z=50 Ohm ID=TL =w50 mm L=L50 mm MSUB Er=. H=0.508 mm T=0.0 mm Rho=0.7 Tand=0.00 ErNom=. Name=SUB MSTEP ID=TL =wa mm =w50 mm ID=TL7 =wa mm ID=TL =wa mm S=sa mm ID=TL6 =wa mm ID=TL8 =wb mm ID=TL =wb mm S=sb mm L=Lb mm ID=TL9 =wb mm ID=TL0 =wa mm ID=TL =wa mm S=sa mm L50=0 wa=0.75 sa=0.77 La=6.78 ID=TL =wa mm MSTEP ID=TL =wa mm =w50 mm wb=0.796 sb=0.89 Lb=6. ID=TL5 =w50 mm L=L50 mm PORT P= Z=50 Ohm Při návrhu filtru použijte symetrii, parametry první a poslední vazby jsou a, Sa, La, parametry prostřední vazby jsou b, Sb, Lb. Na každou stranu filtru připojte propojovací úsek vedení 50Ω délky 0mm Hodnoty parametrů filtru a, Sa, La a b, Sb, Lb vypočtěte pomocí optimalizace. Optimalizační procedury patří mezi nejefektivnější moderní CAD návrhové nástroje. Jsou to numerické procedury, které mění v zadaných mezích hodnoty proměnných tak dlouho, až výsledný obvod co nejvíce splňuje zadefinované požadavky. Optimalizaci filtru můžete aktivovat v následujících krocích: Pomocí ADD EQUATION nadefinujte 6 výše popsaných proměnných. Ze submenu SIMULATE spusťte funkci OPTIMIZE, v tomto okně vlevo dole lze přepínat mezi vlastním optimalizátorem a nastavením proměnných. Ve složce VARIABLES je zadejte pro optimalizaci, označte je jako CONSTRAINED a zadejte jejich meze (LOER, UPPER):

4 o od 0.mm do mm pro a, b o od 0.mm do mm pro Sa, Sb o od 0,5 λ v / do,5 λ v / pro La, Lb CONSTRAINED znamená, že hodnoty proměnných bude optimalizátor volit v definovaných mezích. Meze nastavíte tak, že pravou myší kliknete na šedivé pole vedle nápisu CONSTRAINED a otevřete položky pro dolní mez LOER a horní mez UPPER. Pokud by při optimalizaci proměnné narážely na meze, tak tyto meze mírně rozšiřte (ale ne příliš, vede to potom často k nesmyslným řešením). Otevřete si GRAPH typu RECTANGULAR a nadefinujte si měření dbs a dbs. Ve složce OPTIMIZER GOALS zadejte požadavky optimalizace: o vaši střední frekvenci filtru f s najdete v přiložené tabulce o propustná šířka pásma filtru je 00 MHz, tedy f s ± 00 MHz o v propustném pásmu zadejte požadavek dbs<-5 o v propustném pásmu zadejte požadavek dbs>- o na frekvenci f s + 0% zadejte požadavek dbs<-0 o na frekvenci f s - 0% zadejte požadavek dbs<-0 o váhu druhého požadavku (na malý útlum v propustném pásmu) zadejte. Optimalizátor spustíte z SIMULATE - OPTIMIZE Použijte optimalizátor typu POINTER ROBUST OPTIMIZATION (podle zkušeností pro tuto úlohu dobře konverguje), nicméně můžete vyzkoušet i jiné optimalizátory. Parametry výsledného filtru by se měly shodovat (alespoň do značné míry) s požadavky optimalizace. Pokud optimalizace dosáhne COST=0, můžete zkusit požadavky ještě zpřísnit, nejlépe zvýšením útlumu v nepropustném pásmu, například na 5dB (místo zadaných 0dB). Příklad filtru navrženého na střední frekvenci 8.GHz je na následujícím obrázku: 0-0 Graph 8.96 GHz db DB( S(,) ) Schematic DB( S(,) ) Schematic GHz -0. db GHz -9.9 db Frequency (GHz) Do protokolu v DOC zaznamenejte: o Návrhovou frekvenci o SCHEMATIC o GRAPH typu RECTANGULAR s parametry dbs, dbs, a to ve frekvenčním pásmu typ. f s ± GHz, krok cca 0. GHz. o Layout filtru zobrazíte jej kliknutím pravou myší na SCHEMATIC a aktivací funkce VIE LAYOUT

5 U layoutu filtru může být problém s tím, že se vstupní vedení 50 ohmů mohou dotýkat rezonátorů, viz. následující obrázek. Tento problém se dá následně vyřešit tím, že se na přechodu 50Ω vedení a použije model MSTEPX, který umožňuje nastavit offset mezi osami vedení. Schod lze tak přesunout na hranu 50Ω vedení, viz. další obrázek. Řešení s MSTEP Řešení s MSTEPX. Navrhněte mikropáskový filtr typu dolní propust se strukturou dle přiložené fotografie.

6 Filtr navrhněte na substrátu FR: ε r =, H=0.65mm, T=0.05mm, rho=0.7, tanδ=0.0. Návrhovou (zlomovou) frekvenci DP si vyberte z dole připojené tabulky. V programu TXLINE vypočtěte pro impedanci 50 ohmů a λ v na vaší návrhové frekvenci. Filtr je tvořen sériově zapojenými úseky vysokoohmových vedení (tenké pásky) a paralelně zapojenými pahýly naprázdno (OPEN) s relativně nízkou impedancí (široké pásky), filtr musí být symetrický. Strukturu filtru sestavte pomocí modelů, MTEE a, na vstup a výstup připojte úseky vedení 50Ω dlouhé 0mm. MTEE je model popisující rozptylové pole při pravoúhlém napojení vedení Šířku vysokoohmových vedení zadejte a=b=0. mm Proměnnými budou: o délky vysokohmových vedení La a Lb o Šířky krajních pahýlů c a délky těchto pahýlů Lc o Šířky středních pahýlů d a délky těchto pahýlů Ld o Celkem tedy 6 proměnných Pro návrh filtru využijte symetrii: o délky vysokoohmových úseků na obou stranách budou La, délka středního úseku Lb o Délky a šířky pahýlů na obou stranách filtru budou stejné Lc, c o Délky a šířky obou středních pahýlů budou stejné, Ld, d Celkový model filtru je na následujícím obrázku

7 PORT P= Z=50 Ohm ID=TL =.5 mm L=0 mm MTEE ID=TL =.5 mm =0. mm =wc mm La= ID=TL =0. mm MTEE ID=TL5 =0. mm =0. mm =wd mm Lb= ID=TL =0. mm L=Lb mm MTEE ID=TL6 =0. mm =0. mm =wd mm ID=TL8 =0. mm MTEE ID=TL7 =0. mm =.5 mm =wc mm ID=TL9 =.5 mm L=0 mm PORT P= Z=50 Ohm ID=TL0 =wc mm L=Lc mm Lc= wc= ID=TL =wd mm L=Ld mm ID=TL =wd mm L=Ld mm Ld=9.856 wd=5 ID=TL =wc mm L=Lc mm ID=TL =wc mm ID=TL5 =wd mm ID=TL6 =wd mm ID=TL7 =wc mm Hodnoty parametrů filtru La, Lb, Lc, c, Ld, d vypočtěte pomocí optimalizace: Pomocí ADD EQUATION nadefinujte 6 výše popsaných proměnných. Ve složce VARIABLES je zadejte pro optimalizaci, označte je jako CONSTRAINED a zadejte jejich meze (LOER, UPPER): o od 0 do 0.λ v pro La, Lb, Lc, Ld o od do 5mm pro c, d Pokud by při optimalizaci proměnné narážely na meze, tak tyto meze mírně rozšiřte. Ale spíše NE u šířek pahýlů c a d, ty by neměly být širší než delší. Otevřete si GRAPH typu RECTANGULAR a nadefinujte si měření dbs a dbs. Ve složce OPTIMIZER GOALS zadejte požadavky optimalizace: o vaši zlomovou frekvenci filtru f z najdete v přiložené tabulce o do zlomové frekvence by měl být filtr typu DP přizpůsobený a měl mít malý průchozí útlum, nad ní by měl přenos co nejrychleji klesat o v propustném pásmu do f z zadejte požadavek dbs<-5 o v propustném pásmu zadejte požadavek dbs>-0.8 o na frekvenci f z + 0% zadejte požadavek dbs<-0 o váhu druhého požadavku (na malý útlum v propustném pásmu) zadejte. Použijte optimalizátor typu POINTER ROBUST OPTIMIZATION (podle zkušeností pro tuto úlohu dobře konverguje), nicméně můžete vyzkoušet i jiné optimalizátory. Příklad filtru optimalizovaného pro zlomovou frekvenci.ghz je na následujícím obrázku.

8 0 Graph DB( S(,) ) d Schematic DB( S(,) ) d Schematic Frequency (GHz) d: Graphs_Auto d: Graphs_Auto Parametry výsledného filtru by se měly shodovat (alespoň do značné míry) s požadavky optimalizace. Pokud optimalizace dosáhne COST=0, můžete zkusit požadavky ještě zpřísnit, nejlépe zvýšením útlumu v nepropustném pásmu, například na 5dB (místo zadaných 0dB). Do protokolu v DOC zaznamenejte: Návrhovou zlomovou frekvenci Výsledný SCHEMATIC včetně rozměrů pásků GRAPH typu RECTANGULAR s parametry dbs, dbs, a to ve frekvenčním pásmu typ. od 0. GHz do 0 GHz, krok cca 0. GHz Layout filtru Rozměry takto navrženého filtru jsou zbytečně velké a lze je zmenšit. Řešením může být meandrové ohnutí vysokoohmových vedení, viz. fotografie nahoře. To lze v AR MO zadat pomocí MICROSTRIP - BENDS nebo vedení typu MTRACE, které lze ohýbat v režimu LAYOUT. Layout ukázkového filtru navrženého pro zlomovou frekvenci GHz bez výše popsané úpravy je na následujícím obrázku. Návrhové frekvence: č. zadání střední frekvence PP [GHz] zlomová frekvence DP [GHz] 8,,7,6, 9,7,6,,9 5 8,9,9 6,7,5

9 7 0,5,6 8 5,, 9 8,7,0 0,5,7 0,,,5,5 9,,,8, 5 9,9,6 6,, 7 0,8,0 8 5,0,8 9,,0 0,,9 č. zadání střední frekvence PP [GHz] zlomová frekvence DP [GHz] 8,0,5,7,7,5,8,0,5 5 9,5,7 6,5,