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 бороться.

Для разработки гребенчатых фильтров я использую бесплатное программное обеспечение Ansoft Designer SV (студенческая версия). Программное обеспечение больше не доступно, и 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 VHFer.
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.

Designing Combline Filters
Рисунок 1 – Запуск мастера создания фильтров в Ansoft Designer SV

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». Плоская 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.

Designing Combline Filters
Рисунок 2 – Выбор свойств комбинированного фильтра с отводным входом

После того, как этот выбор сделан, нажмите «Далее», чтобы перейти к следующему экрану, показанному на рисунке 3. Здесь мы выбираем характеристики нашего фильтра: я выбрал Order = 3, для трех резонаторов, центральная частота fo = 0,144 ГГц для двух метров, BW = 0,01 ГГц. для полосы пропускания 10 МГц. Последние два предмета 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 спецификаций.

Designing Combline Filters
Рисунок 3 – Выбор характеристик комбинированного фильтра с отводным входом

После выбора спецификации нажмите «Далее», чтобы перейти на следующий экран, показанный на рисунке 4.

Этот экран, называемый «Свойства среды», показывает физические размеры. Первый шаг — заполнить размеры, которые мы контролируем, вверху. Субстрат диель. 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. Наконец, я проверяю «Рассчитать с одинаковой шириной линий» — обычный фильтр имеет более широкую центральную полосу, но это только усложняет процесс установки фильтра в рамку.

Designing Combline Filters
Рисунок 4 – Исходное предположение физических размеров комбинированного фильтра

Мастер создания фильтров теперь отображает набор ПЕРЕМЕННЫХ, размерности которых он вычислил:
  • 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.
Обратите внимание на предупреждение «Обнаружены ошибки» внизу; на данный момент это не имеет значения, поскольку мы должны изменить характеристики, чтобы фильтр соответствовал размеру коробки.

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, Elect. Для изменения длины необходимо отрегулировать Lng (градусы).

На рис. 5 показан экран «Спецификации» после настройки характеристик.

Designing Combline Filters
Рисунок 5 – Скорректированные характеристики комбинированного фильтра

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, уже. Расстояние S1 также немного увеличилось. Теперь мы снова выполняем арифметику, переходя между спецификациями и размерами, пока не получим результаты, которые нам нравятся. Отслеживание изменений и результатов поможет.

Сделайте скриншот окончательных размеров, чтобы иметь запись.

Designing Combline Filters
Рисунок 6 – Физические размеры комбинированного фильтра после настройки точки отвода входного сигнала

Как было отмечено ранее, мастер проектирования фильтров неправильно определяет входную точку P2.

Однако, если мы воспользуемся программой INTFIL (www.w1ghz.org/filter/INTFIL.EXE) для расчета точки отвода встречно-цифрового 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.

Designing Combline Filters
Рисунок 7 – Выбор свойств комбинированного фильтра с использованием круглых стержневых резонаторов

В результате на экране «Свойства среды» (рис. 8) отображается размер диаметра d1. Расстояние S1 все еще остается одинаковым от края до края, а точка касания P2 все еще неверна. Диаметр можно отрегулировать, изменив Tlineimp. Z1 на экране «Технические характеристики».

Designing Combline Filters
Рисунок 8 – Физические размеры комбинированного фильтра с круглым стержневым резонатором

Резюме

Эта процедура проектирования может показаться немного запутанной и потребовать много усилий, 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:

1. Комбинированные фильтры

2. Линейное моделирование радиочастотных и микроволновых цепей с использованием Ansoft Designer SV

3. Cкачать файл DesignerSV050610.exe (внимание: 113МБ..)


Материал перевел и подготовил - RA3TOX
Май 2024

[ На главную ] [ Фильтры ]