Проектирование комбинированных фильтров с помощью бесплатного ПО
Пол Уэйд W1GHZ, w1ghz@arrl.net
Комбинированные фильтры [1] имеют больше переменных, чем большинство других типов фильтров, поэтому программное обеспечение для проектирования более сложное. Например, встречно-штыревые фильтры имеют резонаторы длиной 1/4 длины волны, а волноводные фильтры имеют резонансные полости длиной 1/2 длины волны, соединенные стойками или диафрагмами.Программное обеспечение для проектирования должно найти размеры для желаемых коэффициентов связи: либо расстояние между резонаторами, либо размер стойки или диафрагмы. Но гребенчатые фильтры имеют емкостно настроенные резонаторы любой длины, если она меньше четверти волны. Связь зависит от длины и формы резонатора, а также от расстояния между ними; типичными формами являются плоские полосковые линии, круглые или прямоугольные стержни. Таким образом, есть еще как минимум две переменные, с которыми приходится считаться.
Для разработки гребенчатых фильтров я использую бесплатное программное обеспечение Ansoft Designer SV (студенческая версия). Программное обеспечение больше не доступно поскольку Ansoft была приобретена Ansys, но несколько лет назад многие компакт-диски с программным обеспечением были розданы на различных конференциях VHF и MUD. Если вы этого не сделаете где-то есть копия, вероятно, есть у другого ближайшего "укависта".
Полезной функцией программного обеспечения Designer является Мастер проектирования фильтров. Чтобы открыть мастер, откройте вкладку «Проект» и нажмите «Вставить проект фильтра», как показано на рисунке 1.Мастер создания фильтра начинается с экрана «Свойства» (рис. 2), где мы выбираем тип фильтра, в данном случае «Полосовой фильтр», «Комбинированная линия — вход с отводом», «Максимально плоский», «Прямоугольный стержень».
Рисунок 1 – Запуск мастера создания фильтров в Ansoft Designer SVПлоская полосковая линия представляет собой очень тонкий прямоугольный стержень. На мой взгляд, это работает лучше, чем выбор полосковой линии. Вы могли бы выбрать аппроксимацию Чебышева, но для простых фильтров радиолюбителя размеры почти не отличаются от максимально плоских.
После того, как этот выбор сделан, нажмите «Далее», чтобы перейти к следующему экрану, показанному на рисунке 3.
Рисунок 2 – Выбор свойств комбинированного фильтра с отводом на входе/выходе
Здесь мы выбираем характеристики нашего фильтра: я выбрал Order = 3, для трех резонаторов, центральная частота fo = 0,144 ГГц для двух-метрового диапазона, BW = 0,01 ГГц. для полосы пропускания 10 МГц. Последние два параметра являются началом догадок: длина резонатора составляет около 6 дюймов в коробке шириной 7 дюймов, поэтому выбрать. Lng (град) = 28, а Tline имп. Z1 = 70 Ом, удобное пусковое сопротивление.График анализа справа представляет собой оценку производительности с выбором узкополосного или широкополосного представления. Кривая будет меняться по мере изменения выбранных параметров резонаторов.
После выбора спецификации нажмите «Далее», чтобы перейти на следующий экран, показанный на рисунке 4.
Рисунок 3 – Выбор характеристик комбинированного фильтра с отводом на входе/выходеЭтот экран, называемый «Свойства среды», показывает физические размеры.
Первый шаг — заполнить размеры, которые мы контролируем, вверху.Наконец, я ставлю галку на поле «Рассчитать с одинаковой шириной линий» — обычный фильтр имеет более широкую центральную полосу, но это только усложняет процесс установки фильтра в рамку.
- Substrate diel, константа Er = 1 для воздуха.
- Высота подложки h (мм) — это высота коробки, как показано на рисунке слева, в данном примере 50 мм.
- Толщина проводника t (мм) — это толщина полосковых линий, в данном примере 1 мм.
- Расстояние по сторонам, ss (мм) — расстояние от края полосковых линий до боковой стенки коробки.
Мастер создания фильтров теперь ниже отображает набор ПЕРЕМЕННЫХ, размерности которых он вычислил:
Рисунок 4 – Исходное предположение физических размеров комбинированного фильтраОбратите внимание на предупреждение внизу «Error Found» (Обнаружены ошибки); на данный момент это не имеет значения, поскольку мы должны изменить характеристики, чтобы фильтр соответствовал размеру коробки.
- P1 – длина центральной полосковой линии.
- W1 – ширина полосковых линий
- S1 – расстояние между полосковыми линиями от края до края.
- C1 – необходимая подстроечная емкость на конце полосковых линий.
- C2 – необходимая емкость настройки на центральной полосковой линии.
- P2 – расстояние от земли до точки ввода – это неправильно!
- P3 – длина концевых полосковых линий над точкой отвода.
Чтобы фильтр поместился в коробку, ширина W1 трех полосковых линий плюс расстояния S1 между ними плюс боковые расстояния ss должны в сумме составлять длину коробки:
Длина коробки = 3*W1+2*S1+2*ss
Нажмите «Назад», чтобы вернуться на экран «Технические характеристики». Спецификации, которые мы можем изменить, — это Tlineimp. Z1, определяющий ширину полосковой линии W1 и полосу пропускания BW, влияющую на расстояние между полосковыми линиями S1. Более широкая полоса пропускания требует более близкого расстояния между полосковыми линиями, поэтому мы можем внести небольшие изменения в спецификацию полосы пропускания, чтобы точно настроить расстояние.
Боковые расстояния ss могут быть любыми, необходимыми для доступа к коаксиальному разъему без слишком большой индуктивности.
Наконец, если длина полосковой линии P1 не соответствует доступному физическому пространству, необходимо отрегулировать Elect.Lng для изменения длины .
На рис. 5 показан экран «Спецификации» после настройки характеристик.
Затем мы нажимаем «Далее», чтобы перейти к следующему экрану (рис. 6), где можно увидеть результаты наших изменений. Так как мы увеличили Tlineimp. Z1, ширина полосковой линии W1 стала уже. Расстояние S1 также немного увеличилось. Теперь мы снова выполняем вычисления, переходя между спецификациями и размерами, пока не получим результаты, которые нам нравятся. Отслеживание изменений и результатов поможет в расчете.
Рисунок 5 – Скорректированные характеристики комбинированного фильтраСделайте скриншот окончательных размеров, чтобы иметь запись вашего фильтра.
Как было отмечено ранее, мастер проектирования фильтров неправильно определяет входную точку P2.
Рисунок 6 – Физические размеры комбинированного фильтра после настройки точки отвода входного сигналаОднако, если мы воспользуемся программой INTFIL (www.w1ghz.org/filter/INTFIL.EXE) для расчета точки отвода встречно-штыревого фильтра с той же центральной частотой, полосой пропускания и импедансом Tline, она будет довольно близкой. Добавление пары дополнительных отверстий на расстоянии нескольких мм друг от друга в концевых полосках, позволяющих перемещать точку отвода, может оказаться полезным для точной настройки — маленькие отверстия не повлияют на производительность. Все три полосковые линии должны иметь одинаковую общую длину P1.
Другие формы резонатора
Прямоугольные или квадратные стержни можно использовать, просто изменив толщину проводника t (мм). Круглые стержни выбираются путем выбора Slabline на экране «Свойства», как показано на рисунке 7.
В результате на экране «Свойства среды» (рис. 8) отображается размер диаметра d1. Расстояние S1 все еще остается одинаковым от края до края, а точка питания P2 все еще неверна. Диаметр можно отрегулировать, изменив Tlineimp. Z1 на экране «Технические характеристики».
Рисунок 7 – Выбор свойств комбинированного фильтра с использованием круглых стержневых резонаторовРезюме
Рисунок 8 – Физические размеры комбинированного фильтра с круглым стержневым резонаторомЭта процедура проектирования может показаться немного запутанной и потребовать некоторые усилия, но в результате она приведет к созданию хороших и удобных фильтров. Альтернатива — заплатить много денег за настоящее программное обеспечение для проектирования фильтров.
Источник: VHF, UHF, and Microwave Filter articles by W1GHZ
Ccылки:
2. Линейное моделирование радиочастотных и микроволновых цепей с использованием Ansoft Designer SV
3. Cкачать файл DesignerSV050610.exe (внимание: 113МБ..)
Шпаргалка для расчета фильтров (кликабельна):
Материал перевел и подготовил - RA3TOX
Май 2024
[ На главную ] [ Фильтры ]
