Микрополосковые СВЧ фильтры
Опишу процесс создания микрополосковых СВЧ фильтров на примере нескольких ФНЧ и одного полосового. Создавал я их практически впервые, предварительно прочитав несколько книг и статей на эту тему.
У меня есть синтезатор частот, который предполагалось использовать в установке измерения продукции предприятия. Но у этого синтезатора есть паразитные гармоники довольно высокого уровня, поэтому требовалось их подавить. Частота невысокая — 1 ГГЦ, соответственно, нужно подавить 2,3,… ГГц.
Всё проектирование я делал в AWR, поэтому буду далее представлять скриншоты из этой программы.
Вначале создаю фильтр на сосредоточенных элементах и подбираю номиналы индуктивностей и ёмкостей (нГн и пФ).
Фильтр НЧ на сосредоточенных элементах
Его передаточная характеристика выглядит следующим образом. Основная подавляемая гармоника должна быть — 2ГГц, но неплохо было бы подавить следующие.
S-параметры ФНЧ на сосредоточенных элементах
После этого нужно переходить непосредственно к микрополосковой топологии. Для этого я преобразую индуктивности в отрезки линии передачи и вручную подбираю длину и ширину полоска до того момента, пока S-параметры сосредоточенной индуктивности не совпадут с S-параметрами полоска. Я использую в AWR ЕМ-решатель AXIEM.
Подбор полоска соответствующего индуктивности
Подбирать ёмкость я не знаю каким образом (какого размера делать площадку), поэтому пришлось произвести несколько итераций моделирования уже готового фильтра с разными ёмкостными площадками. В итоге получился такой фильтр и его передаточная характеристика.
Топология и передаточная характеристика EM-модели ФНЧ
Меня почти всё устроило за исключением недостаточно сильного подавления на частотах выше 2.5 ГГц. В книгах и статьях я читал, что для решения этой проблемы в фильтр добавляют «Radial Stub» (не совсем знаю, как корректно перевести на русский). В итоге добавил такой топологический элемент в фильтр.
2ая часть фильтра — Radial stub
В итоге получилась такая топология ФНЧ, с боков разъемы под SMA. Общий размер — 50×25 мм. Материал — FR4, 0.8 мм, Eps = 4.3.
Итоговая топология фильтра
Это был предварительный эксперимент, поэтому и материал и покрытие были выбраны самые дешёвые.
Готовая плата ФНЧ
Пунктиром на графиках ниже будут отображаться результаты моделирования, а сплошной линией — S-параметры, измеренные на анализаторе цепей. Результаты получились схожие.
Результаты фильтра
Может быть кому-то будет интересно, ниже приведу топологии и результаты двух других фильтров НЧ, которые проектировал для сравнения параллельно.
ФНЧ-2. Размеры — 67×30 мм. Материал тот же. Также добавил Radial Stub
Готовая плата ФНЧ-2
Графики этого фильтра несколько разнятся с результатами моделирования, затрудняюсь это объяснить.
Результаты ФНЧ-2.
Третий фильтр я спроектировал при помощи встроенного в AWR помощника iFilter. Подробнее о нём напишу чуть позже, сейчас просто приведу топологию и результаты измерения.
Топология ФНЧ-3, размер платы — 30×34 мм
Готовая плата ФНЧ-3
Измерения схожи с результатами моделирования. Так как сюда не добавил Stub, подавление на частотах выше 2 ГГц несколько ниже, чем у предыдущих фильтров.
Результаты ФНЧ-3
Через некоторое время потребовалось сделать полосовой фильтр на 1ГГц, уже окончательную версию, подавление требовалось только 2ой гармоники, да и она не сильно влияла, но фильтр всё-таки был нужен.
На этот раз выбрал материал получше — Rogers RO4350B (пока он еще был в наличии, сейчас, кстати его нет в Резоните — предлагают только китайский Wangling, что не здорово). Толщина 0.762 мм, EPS для моделирования лучше брать = 3.66.
Для проектирования фильтра воспользовался утилитой iFilter, которая есть в AWR (внизу дерева проекта, внутри Wizardz). Выбрал Design — Bandpass — Microstrip — Interdigital (захотел такой тип). Интерфейс утилиты выглядит следующим образом.
Интерфейс утилиты iFilter
Подобрав центральную частоту, полосу, степень фильтра и выбрав характеристики подложки, можно посмотреть параметры сгенерированной топологии, нажав на кнопку «View Physical Dimensions».
Размеры сгенерированной топологии BPF
К сожалению, нет возможности сгенерировать из iFilter сразу EM-модель (почему???). Генерируется она только в Schematic, где вместо реальных физических размеров заданы электрические длины и волновое сопротивление отрезков фильтра. Пришлось «перерисовывать» фильтр руками.
Топология фильтра, размер платы — 45×64 мм
Сразу ниже приведу саму изготовленную плату и результаты измерения и моделирования.
Готовая плата BPF
, Результаты измерения и моделирования BPF
Меня в целом всё устроило, модель и реальные значения практически совпали. На рисунке ниже покажу моделирование в расширенном частотном диапазоне — видны реакции фильтра на нечетных гармониках, что естественно для микрополосковых фильтров.
Реакция на нечётных гармониках
Спасибо тем, кто прочитал :-)
