Моделирование фильтра нижних частот Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

Моделирование фильтра нижних частот

1 12 1 А.В.Андрианов , Д.Е.Губарев , А.Н.Зикий , А.С. Кочубей

1 Таганрогский научно-исследовательский институт связи, Таганрог 2 Южный Федеральный Университет, Таганрог

Аннотация: Приведены результаты моделирования и экспериментального исследования фильтра нижних частот с частотой среза 4 ГГц. Моделирование фильтра проводилось в пакете прикладных программ Microwave Office (MWO). Эксперимент проводился на векторном анализаторе цепей типа РХА. Результаты моделирования и эксперимента соответствуют предъявленным требованиям, а именно:

- частота среза 4 ГГц;

- потери в полосе пропускания не более 3 дБ;

- заграждение на второй гармонике частоты среза не менее 60 дБ;

- волновое сопротивление входа и выхода 50 Ом.

Ключевые слова: фильтр нижних частот; частота среза; потери в полосе пропускания; потери в полосе заграждения; моделирование; эксперимент.

Введение

Моделирование фильтров можно проводить в пакетах прикладных программ Serenade, MicrowaveOffice, HFSS, FEKO, CST. Авторы выбрали пакет Microwave Office благодаря его доступности и наличию методической литературы.

Фильтры нижних частот (ФНЧ) широко используются в выходных каскадах передатчиков для подавления гармоник основной частоты, поэтому их часто называют фильтрами гармоник. Имеется большое многообразие ФНЧ по диапазону рабочих частот, типу применяемой линии передачи, технологии изготовления. Объектом исследования в данной работе является ФНЧ коаксиального типа. К фильтру предъявляются следующие требования:

- частота среза 4 ГГц;

- потери в полосе пропускания не более 3 дБ;

- потери на частоте второй гармоники частоты среза не менее 60 дБ;

- волновое сопротивление входа и выхода 50 Ом.

Схема и конструкция

Схема фильтра нижних частот приведена на рисунке 1. Из этого рисунка видно, что фильтр состоит из 21 отрезка коаксиальной линии. Волновое сопротивление отрезков коаксиальной линии меняется ступенчато, а именно, за отрезком с низким волновым сопротивлением следует отрезок с высоким волновым сопротивлением. Геометрические размеры фильтра приведены в таблице 1. Они были рассчитаны по методике из книги [1]. Волновое сопротивление коаксиальной линии рассчитано по формуле:

где Б- диаметр наружного проводника коаксиала;

d- диаметр внутреннего проводника коаксиала; е- относительная диэлектрическая постоянная пластмассовых колец на низкоомных отрезках линии.

На рисунке 2 можно видеть фото фильтра в разобранном виде. Корпус фильтра состоит из двух симметричных половинок, в каждой из которых профрезерована канавка цилиндрической формы. Внутри корпуса размещается центральный проводник фильтра со ступенчато изменяемым волновым сопротивлением. Изоляция центрального проводника от корпуса производится с помощью пластмассовых колец, одетых на низкоомные отрезки линии передачи. Вход и выход ФНЧ оформлены в виде соединителей по типу IX ГОСТ13317-89, вариант 3. К этому ряду принадлежит розетка

138 В

БМА-Б [2].

XI W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 WE W9 W10 W11

(МЖЖЖЖШШШ

Х2 W21 W20 W19 WIS W17 WL6 W15 W14 WL3 W12

> IQIQIQIQIQIQIQIQIQIQ

Рис. 1 - Принципиальная схема фильтра

Рис. 2 - Фото фильтра в разобранном виде

Геометрические размеры ФНЧ

Таблица №1

Позиц. D, d,

sr l, мм W0 Наименование

обозн. мм мм

1 2 3 4 5 6 7

W1 7 3 3 5,6 + Трансформатор

W2 7 3 1 4,6 + Трансформатор

W3 7 1 1 6,3 + Резонатор

W4 7 6 3 0,8 Резонатор

W5 7 1 1 12,4 + Резонатор

W6 7 6 3 0,8 Резонатор

W7 7 1 1 13,7 + Резонатор

W8 7 6 3 0,8 Резонатор

W9 7 1 1 15,2 + Резонатор

1 2 3 4 5 6 7

W10 7 6 2 0,8 Резонатор

W11 7 1 1 14,0 Резонатор

W12 7 6 3 0,8 Резонатор

W13 7 1 1 15,2 Резонатор

W14 7 6 3 0,8 Резонатор

W15 7 1 1 13,7 Резонатор

W16 7 6 2 0,8 Резонатор

W17 7 1 1 12,4 Резонатор

W18 7 6 3 0,8 Резонатор

W19 7 1 1 6,3 Резонатор

W20 7 3 1 4,6 Трансформатор

W21 7 3 3 5,6 Трансформатор

Х1 Вилка БМЛ-М

Х2 Гнездо БМЛ-Б

Моделирование

Моделирование фильтра проводилось в пакете прикладных программ MLcrowaveOffice [3,4]. Исходные данные для моделирования взяты из таблицы 1. Модель фильтра из MWOможно видеть на рисунке 3.

1

Рис. 3 - Модель фильтра в MWO

Результаты моделирования представлены на рисунках 4 и 5. На рисунке 4 показана амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) фильтра в полосе от 0 до 5 ГГц. На рисунке 5 изображена АЧХ фильтра в полосе от 0 до 12 ГГц.

3 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100

Сг;ф|1 2

—А----—

^ ОВ(|8(2,1)|)

ПКг 400500

1000 2000 3000

Ргедиепсу (МНг)

4000

5000

Рис. 4 - АЧХ фильтра в полосе 5 ГГц из MWO

1

Рис. 5 - АЧХ фильтра в полосе до 12 ГГц из MWO Из рисунков 4 и 5 следует, что требования к фильтру выполняются.

Эксперимент

Эксперимент проводился на установке, содержащей векторный анализатор цепей типа РХА, набор кабелей и переходов. На рисунке 6 изображена АЧХ фильтра в полосе от 10 МГц до 5 ГГц. На рисунке 7 можно видеть АЧХ фильтра в полосе от 10 МГц до 12 ГГц. Из этих графиков видно, что требования к АЧХ фильтра выполняются. Кроме того, из рисунка 7 видно, что фильтр имеет ложные полосы пропускания на частотах около 10,8 ГГц и выше.

Рис. 6 - АЧХ ФНЧ в полосе от 10 МГц до 5ГГц

Рис. 7 - АЧХ ФНЧ в полосе от 10 МГц до 12 ГГц

Выводы

Основные параметры фильтра нижних частот, полученные в процессе моделирования, представлены в таблице 2.

Таблица №2

Результаты моделирования

Наименование параметра, размерность Задано Моделирование Эксперимент

1 2 3 4

Частота среза на уровне минус 3дБ от максимума, МГц 4000 4000 4000

Потери в полосе пропускания, не более, дБ 3 3 3

1 2 3 4

Потери в полосе заграждения от 5 ГГц до 10 ГГц, не менее, дБ 60 62 64

Волновое сопротивление входа и выхода, Ом 50 50 50

Из этой таблицы видно, что все требования к фильтру выполнены. При проведении данного исследования использован предыдущий опыт авторов [5-8], а также работы других авторов [9,10].

Литература

1. Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т., Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Том 1. М.: Связь, 1971. 440 с.

2. Джуринский К.Б., Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ. М.: Техносфера, 2006. 216 с.

3. Бахвалова С. А., Романюк В. А. Основы моделирования и проектирования радиотехнических устройств в Microwave Office. Учебное пособие. М.: Солон-Пресс, 2016. 152 с.

4. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А. Проектирование СВЧ -устройств с помощью Microwave Office. -М: Солон-Пресс, 2003, - 496 с.

5. Доновская Т.В., Ковалева А.В., Матузко С. Д. Фильтр нижних частот для квадратурного демодулятора. // Современные тенденции в науке и образовании. М.: Олимп, 2017. с.46-48.

6. Гончарова Т.О., Зикий А.Н., Андрианов А.В. Моделирование и экспериментальное исследование микрополоскового ФНЧ. // Сборник материалов 9 международной научно-практической конференции "Научные исследования и разработка 2016". М.:Олимп, 2016. с.73-76.

7. Андрианов А.В., Зикий А.Н., Пустовалов А.Н. Моделирование и экспериментальное исследование трактового фильтра сантиметрового диапазона // Инженерный вестник Дона. 2017. №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/4042/.

8. Андрианов А.В., Быков С.А., Зикий А.Н., Пустовалов А.Н. Моделирование и экспериментальное исследование трактового фильтра на встречных стержнях // Инженерный вестник Дона, 2016, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3778/.

9. Zverev A.I., 1967. Handbook of Filter Synthesis. N.Y., London, Sydney: John Wiley and Sons, Inc. p. 592.

10. Levi R. and I.E. Rozzi, 1968. Precise design of coaxial low-pass filters. №3 (MTT-16), IEEE Trans: pp. 142-147.

References

1. Mattey D.L., Yang L., Jones E.M.T., Fil'try SVCH, soglasuyushchiye tsepi i tsepi svyazi [Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures], Tom 1. M.: Svyaz', 1971. 440 p.

2. Dzhurinskiy K.B., Miniatyurnyye koaksial'nyye radiokomponenty dlya mikroelektroniki SVCH [Miniature coaxial radio components for microwave microelectronics]. M.: Tekhnosfera, 2006. 216 p.

3. Bakhvalova S.A., Romanyuk V.A. Osnovy modelirovaniya I proyektirovaniya radiotekhnicheskikh ustroystv v Microwave Office. Uchebnoye posobiye [Fundamentals of modeling and design of radio engineering devices in Microwave Office]. M.: Solon-Press, 2016. 152 p.

4. Razevig V.D., Potapov YU.V., Kurushin A.A. Proyektirovaniye SVCH -ustroystv s pomoshch'yu Microwave Office [Design of microwave devices using Microwave Office]. M: Solon-Press, 2003, -496 p.

5. Donovskaya T.V., Kovaleva A.V., Matuzko S.D. Fil'tr nizhnikh chastot dlya kvadraturnogo demodulyatora. Sovremennyye tendentsii v nauke i obrazovanii. M.: Olimp, 2017. pp.46-48.

6. Goncharova T.O., Zikiy A.N., Andrianov A.V. Sbornik materialov 9 mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Nauchnyye issledovaniya i razrabotka 2016". M.: Olimp, 2016. pp.73-76.

7. Andrianov A.V., Zikiy A.N., Pustovalov A.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/4042/.

8. Andrianov A.V., Bykov S.A., Zikiy A.N., Pustovalov A.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3778/.

9. Zverev A.I., 1967. Handbook of Filter Synthesis. N.Y., London, Sydney: John WileyandSons, Inc. p. 592.

10. Levi R. and I.E. Rozzi, 1968. Precise design of coaxial low-pass filters. №3(MTT-16), IEEE Trans: pp. 142-147.