Проектирование малогабаритного развязывающего фильтра - Дипломная работа

Покорение новых, более высоких частот заставляет искать новые решения для реализации устройств, так как старые материалы и топологии перестают отвечать требуемым значениям характеристик. Так, широко используемые в настоящее время в радиотехнике микрополосковые линии передачи уже вплотную подошли к своему порогу миниатюризации, изза чего при разработке приборов требуется искать новые методы их создания. Метаматериалами называются искусственно созданные композитные структуры, обладающие свойствами, почти не встречающимися в природе и сложно достижимыми технологически. Особенностью метаматериалов, помимо самих необычных свойств, которыми они обладают, является тот факт, что эти необычные свойства обусловлены не химическим составом метаматериалов, а их внутренним строением и спецификой структуры. Эти особые структуры функционируют так, как в обычном материале атомы и молекулы, но путем взаимодействия с электромагнитными волнами они способны проявлять такие свойства, которые не могут проявиться в природных или химически синтезированных материалах.В рамках данной работы была поставлена задача исследования малогабаритного развязывающего фильтра на метаматериале.Веселаго, который в 1968 году теоретически обосновал возможность существования материалов, имеющих одновременно отрицательные показатели диэлектрической и магнитной проницаемостей и, как следствие, отрицательный коэффициент преломления. Смит впервые получил метаматериал, состоящий из комбинации структур с отрицательной диэлектрической и отрицательной магнитной проницаемостями. С помощью свойств метаматериалов возможно контролировать направление электромагнитного излучения с целью сбора исходящей энергии в узкий угловой сектор вокруг нормали к поверхности материала. По сравнению с классическими полосковыми антеннами, антенны на метаматериалах имеют большую достижимую ширину полосы. Антенны на метаматериалах имеют более узкую диаграмму направленности и очень малые боковые лепестки, благодаря чему увеличивается направленность антенны и снижаются потери на отражении.Фильтрами СВЧ зовутся пассивные четырехполюсники, осуществляющие передачу СВЧ колебаний в соответствии с некоторой частотной характеристикой. В зависимости от нее через фильтр свободно проходят колебания, имеющие частоту, входящую в полосу пропускания и очень сильно ослабляются колебания, чьи частоты входят в полосу запирания. Всего по виду частотной характеристики СВЧ фильтры можно разделить на четыре группы: а) фильтры нижних частот (ФНЧ), б) фильтры верхних частот (ФВЧ), в) полосно-пропускающие фильтры (ППФ), г) полосно-запирающие фильтры (ПЗФ). Поскольку существуют механизмы преобразования, позволяющие получить одну з этих матриц в другую, остановимся на наиболее распространенной матрице - матрице рассеяния. Определение может быть также записано как матрица: и матрица, содержащая S-параметры, зовется S-матрицей или матрицей рассеяния, и записывается как [S].Расчет подобного каскадного соединения сложен, поэтому при проектировании СВЧ фильтров прибегают к использованию так называемых прототипов. Прототип представляет собой упрощенную схему замещения, чьи пассивные сосредоточенные элементы приближенно соответствуют предполагаемой конструкции СВЧ фильтра [12].3(а)), и на практике невозможно создать фильтр, для которого частотная характеристика будет иметь бесконечно большую крутизну в области частоты среза. Предложенная Баттервортом аппроксимация АЧХ передаточной функции описывает зависимость коэффициента передачи от частоты и имеет вид: где n = 1,2,3,… Фильтры, имеющие частотную характеристику (рис. На частотах значительно ниже частоты среза коэффициент передачи таких фильтров практически не зависит от частоты. Существуют фильтры с чебышевской характеристикой (рис. Фильтр Чебышева I рода используется чаще ввиду более крутого характера частотной характеристики.Рассмотренные выше прототипы ФНЧ можно использовать и для синтеза ФВЧ. Ее математическое представление имеет вид: где - частота характеристики ФНЧ, - частота характеристики ФВЧ.Рассмотрим преобразования, с помощью которых из ФНЧ-прототипа можно перейти к полосовому фильтру. 3(а)) идеализированную АЧХ полосового фильтра (рис. Такое преобразование математически описывается следующим выражением: где - частота характеристики ФНЧ, - частота характеристики полосового фильтра. Центральная частота полосового фильтра находится как среднее геометрическое величин : В схеме следует выполнить следующие преобразования: последовательные индуктивности в ФНЧ заменяются на последовательные резонансные LC-контура, а параллельные емкости - параллельными резонансными контурами LC.С помощью подбора корректных геометрических размеров элементов с распределенными параметрами можно смоделировать поведение сосредоточенного элемента. Однако такой подход к синтезу фильтра не учитывает влияние стыков, неоднородностей, дисперсии и прочих факторов, так что подобный подход является лишь грубым приближением при проектировании фильтров. При дальнейших преобразованиях примем, ч

Оглавление

Введение

Глава 1. Обзорная

1.1 Цели работы

1.2 Текущее состояние вопроса и актуальность

1.3 Краткий обзор литературы

1.4 Фильтры и их типы

Глава 2. Микрополосковые фильтры

2.1 Проектирование фильтров на сосредоточенных элементах

2.2 Проектирование ФНЧ на сосредоточенных элементах

2.3 Проектирование ФВЧ на сосредоточенных элементах

2.4 Проектирование полосового фильтра на сосредоточенных элементах

2.5 ФНЧ на элементах с распределенными параметрами

2.6 Полосовой фильтр на элементах с распределенными параметрами

Глава 3. Фильтр на метаматериале

3.1 Метаматериалы и их использование в электронике

3.2 Типы элементов частотно-селективных поверхностей

Глава 4. Моделирование

4.1 Расчет модели в программе CST MICROWAVE STUDIO

4.2 Описание модели

4.2.1 Малогабаритный развязывающий фильтр на метаматериале 9х 8

4.2.2 Малогабаритный развязывающий фильтр на метаматериале 9х 8 (уменьшенные элементы)

4.2.3 Малогабаритный развязывающий фильтр на метаматериале с дополнительным слоем пластин

Глава 5. Результаты моделирования

5.1 Результаты моделирования фильтра топологии 9х 8

5.2 Результаты моделирования фильтра топологии 9х 8 (уменьшенные элементы)

5.3 Настройка резонансной частоты путем добавления промежуточного слоя пластин

5.4 Выводы по результатам моделирования

Выводы по работе

Список литературы

Прогресс радиотехники постоянно ставит новые цели и задачи перед конструкторами. Покорение новых, более высоких частот заставляет искать новые решения для реализации устройств, так как старые материалы и топологии перестают отвечать требуемым значениям характеристик. Так, широко используемые в настоящее время в радиотехнике микрополосковые линии передачи уже вплотную подошли к своему порогу миниатюризации, изза чего при разработке приборов требуется искать новые методы их создания. Одним из перспективных решений этой задачи является использование метаматериалов.

Метаматериалами называются искусственно созданные композитные структуры, обладающие свойствами, почти не встречающимися в природе и сложно достижимыми технологически. Особенностью метаматериалов, помимо самих необычных свойств, которыми они обладают, является тот факт, что эти необычные свойства обусловлены не химическим составом метаматериалов, а их внутренним строением и спецификой структуры. Эти особые структуры функционируют так, как в обычном материале атомы и молекулы, но путем взаимодействия с электромагнитными волнами они способны проявлять такие свойства, которые не могут проявиться в природных или химически синтезированных материалах. Отсюда и появился сам термин "метаматериалы": приставка "мета" переводится с греческого как "вне". То есть метаматериалы это структуры, чьи эффективные электромагнитные свойства выходят за пределы свойств образующих их компонентов.

Одним из важнейших свойств метаматериалов является возможность получить в них отрицательные значения диэлектрической и магнитной проницаемостей. Эти два параметра являются фундаментальными для вопросов, связанных с электромагнетизмом и электромагнитными свойствами вещества в частности. По сути эти параметры описывают как электромагнитное поле влияет на вещество и как само вещество влияет на поле. В зависимости от соотношения значений этих параметров, можно разделить все вещества на четыре типа (рис. 1) [1].

Рисунок 1. Типы веществ по критерию значений диэлектрической и магнитной проницаемости.

Первая четверть содержит материалы с положительными значениями обеих характеристик, в эту группу входят почти все диэлектрики. Вторая четверть содержит металлы, ферроэлектрические материалы и легированные полупроводники. Вещества этой группы имеют положительную магнитную и отрицательную электрическую проницаемости. Четвертая четверть охватывает некоторые материалы-ферриты, у которых положительная электрическая проницаемость, но отрицательная магнитная, так что магнитная реакция таких материалов быстро затухает при частотах СВЧ и выше. Метаматериалы находятся в третьей четверти на рисунке 1. У них отрицательны значения обеих характеристик. Таких веществ в природе нет [1]. Однако существование таких материалов было теоретически обосновано в шестидесятых годах двадцатого века В.Г. Веселаго, который в своей работе [2] указал на возможность существования материала с отрицательным коэффициентом преломления. Такой материал был назван "левосторонним" [3]. Однако в природе не было найдено материала, демонстрирующего свойства, о которых писал Веселаго. Поэтому дальнейшее развитие в этом направлении наука получила, когда Д. Пендри предложил использовать для получения таких необычных свойств не природные, а искусственные материалы.