Фильтр по тематике

3D-моделирование микрополоскового фильтра высоких частот в пакете HFSS

В статье рассмотрены вопросы конструирования фильтра высоких частот, предназначенного для снижения уровня помех промышленного или иного происхождения в сигнальном тракте РЭА.

01.04.2015 822 0
3D-моделирование микрополоскового фильтра высоких частот в пакете HFSS

Введение

Современный уровень промышленного развития, широкое внедрение радиотехнических и телекоммуникационных систем неизбежно приводят к ухудшению электромагнитной обстановки. Повышенный уровень внеполосного излучения радиопередающих устройств различного назначения, промышленных помех, сигналов радиоэлектронного противодействия, а также помех, вызванных различными природными явлениями, вызывает сбои действующей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).

Для защиты РЭА от помех и для решения задачи электромагнитной совместимости необходимо использовать фильтры с большим (не менее 60 дБ) затуханием в полосе заграждения. Устройства такого типа должны не только эффективно подавлять помеху в требуемом диапазоне частот, но и обладать хорошей экранировкой от проникновения в РЭА наводимых помех.

В настоящей статье рассмотрены вопросы конструирования фильтра высоких частот (ФВЧ) в сигнальном тракте РЭА с целью снижения уровня помех промышленного или иного происхождения. При этом за счёт подавления шумов на частотах ниже границы спектра частот полезного сигнала значительно улучшается соотношение сигнал/шум всего устройства. Для расчёта конструкции фильтра, помещённого в защитный корпус, использовалась САПР HFSS.

Моделирование фильтра высоких частот

Было выполнено моделирование ФВЧ с частотой среза 90 МГц, у которого затухание в рабочей полосе составляло не более 0,8 дБ, а подавление вне полосы пропускания – не менее 90 дБ. Столь глубокое затухание в полосе режекции фильтра гарантирует эффективное подавление сильных помех, например, от мощных радиопередатчиков, находящихся в непосредственной близости от приёмного устройства.

На этапе схемотехнического моделирования [1, 2] фильтр реализован как ФВЧ двадцатого порядка, и представляет собой параллельно соединённые последовательные колебательные контуры (см. рис. 1). Порядок фильтра определяется граничными частотами среза и задержания, а также минимальным затуханием в полосе пропускания amin и максимальным затуханием в полосе режекции amax [1, 2]:

Каждый из контуров проектируемого многозвенного фильтра имеет ёмкостную связь с соседним контуром и работает как заграждающий фильтр, настроенный на одну из частот подавления. Перекрытие полос каждым из фильтров реализует всю полосу заграждения ФВЧ, заданную в диапазоне 0…90 МГц.

В результате схемотехнического моделирования рассчитаны ёмкости и индуктивности схемы фильтра, АЧХ которого показана на рисунке 2. Видно, что минимальное подавление в заграждаемой полосе частот от 0 до 70 МГц получилось на уровне 90 дБ, а затухание в рабочей полосе частот оказалось не более 0,2 дБ.

После расчёта номиналов элементов разрабатываемого фильтра на этапе схемотехнического моделирования переходим ко второму этапу разработки конструкции ФВЧ в пакете программ СВЧ HFSS. Отметим, что схемотехническое моделирование основывается на уравнениях теории электрических цепей, а полное 3D-электромагнитное моделирование в пакете HFSS производится с помощью уравнений теории электромагнитного поля. По сути, на первом этапе устанавливаются предельно достижимые характеристики фильтра, к которым посредством моделирования на этапе расчёта конструкции возможно только приблизиться. При выполнении полного 3D-электромагнитного моделирования появляется возможность нахождения параметров фильтра с учётом металлического корпуса и возможного влияния между каскадами за счёт поверхностных волн, возникающих на диэлектрической подложке фильтра.

При моделировании с использованием пакета HFSS в качестве исходных данных использовались параметры сосредоточенных пассивных элементов фильтра, полученные на первом этапе схемотехнического моделирования. Фильтр спроектирован по планарной технологии на основе микрополосковой линии передачи (МПЛ) с применением диэлектрической подложки из стеклотекстолита FR4 толщиною 1 мм, диэлектрической проницаемостью e = 4,6 и тангенсом угла диэлектрических потерь d = 0,015. На рисунке 3 изображена модель проектируемого ФВЧ в пакете HFSS, а на рисунке 4 – зависимости АЧХ для S-параметров, расчёт которых был выполнен без экранирования друг от друга всех каскадов фильтра.

Согласно рисунку 4, в области режекции ФВЧ от 0 до 70 МГц наблюдался неравномерный характер АЧХ. При этом уровень подавления изменялся в значительных пределах: от –60 дБ до –105 дБ. Минимальный уровень подавления оказался на 20 дБ меньше аналогичного параметра, достигнутого на первом этапе моделирования (см. рис. 2). В результате взаимное влияние каскадов ФВЧ друг на друга из-за возникновения поверхностных волн в диэлектрической подложке, которые на первом этапе схемотехнического моделирования никак не учитываются, в действительности на 20 дБ (или в 10 раз) ухудшило ослаб­ляющие свойства фильтра в полосе частот заграждения.

Для уменьшения электромагнитной связи между каскадами, которая из-за возникновения поверхностных волн влияет на характеристики ФВЧ (особенно в полосе заграждения), были использованы стальные экраны в виде пластин, отделяющих друг от друга все каскады фильтра. Модели описанного фильтра без корпуса и в корпусе, а также АЧХ для S-параметров фильтра показаны на рисунках 5 и 6, соответственно.

Сравнение АЧХ, представленных на рисунке 6, показало, что применение экранирующих пластин существенно улучшило подавление сигналов в полосе режекции проектируемого фильтра. При этом наименьший уровень ослабления сигнала составил не менее –90 дБ. Наличие корпуса практически не оказывает влияния на характеристики фильтра и в полосе пропускания, и в области заграждения. АЧХ фильтра с экранированием (см. рис. 6) практически совпала с предельно достижимой частотной характеристикой, полученной на первом этапе схемотехнического моделирования (см. рис. 2).

Таким образом, использование экранов существенно влияет на поверхностную и пространственную волны и значительно уменьшает их уровень внутри объёма фильтра.

Заключение

Использование САПР HFSS при решении задачи проектирования фильтра позволяет разрабатывать конструкцию фильтра с учётом влияния на характеристики фильтра корпуса и связей между звеньями фильтра. При проектировании фильтров с большим уровнем подавления необходимо применять схемы высокого порядка и выполнять трёхмерный электромагнитный анализ всего устройства с помощью специализированных сред электронного моделирования. Пакет HFSS обеспечивает анализ параметров электромагнитного поля в объёме проектируемого фильт­ра и осуществляет строгий расчёт его технических характеристик.

Литература

  1. Херреро Д., Уиллонер Г. Синтез фильтров. Советское радио. 1971.
  2. Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров. Советское радио. 1974.
  3. Банков С.Е., Курушин А.А. Расчёт антенн и СВЧ-структур с помощью HFSS Ansoft. ЗАО «НПП «РОДНИК». 2009.

Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!

01.04.2015 822 0
Комментарии
Рекомендуем
Космическая версия зарождения жизни.  Часть 1. Новая интерпретация феномена атмосферных плазменных образований, зафиксированных во время полёта шаттла «Columbia» в 1996 году

Космическая версия зарождения жизни. Часть 1. Новая интерпретация феномена атмосферных плазменных образований, зафиксированных во время полёта шаттла «Columbia» в 1996 году

В феврале 2026 года исполняется 30 лет со дня космического полёта STS-75, выполненного в 1996 году на корабле «Columbia» в рамках американской программы космических шаттлов Space Transportation System. В рамках этого космического полёта были проведены уникальные эксперименты по изучению электродинамики металлического троса длиной около 20 км в ионосфере Земли. Эти работы позволили решить ряд проблем, связанных с естественными и искусственными источниками помех для систем спутниковой связи. В последнее время набирает всё бóльшую популярность видеоролик Джея Андерсона, в котором он разбирает статью хорошо известного уфолога – астроботаника Роуна Джозефа, недавно опубликованную в журнале Journal of Modern Physics (2024). Авторы этой статьи предлагают интерпретировать атмосферные плазменные образования, зафиксированные на видеозаписи, полученной во время полета STS-75, как самоорганизующиеся субстанции, которые миллиарды лет назад могли инициировать зарождение биологической жизни на Земле. В задачу нашей статьи не входила оценка достоверности выводов, приведённых в новой статье. Во-первых, пользуясь 30-летним юбилеем полёта, хотелось бы напомнить о действительно уникальном эксперименте, проведённом в полёте STS-75. Во-вторых, ниже показано, что из себя представляют и как были получены «новые доказательства внеземного зарождения жизни», предложенные Джозефом.
19.02.2026 СЭ №2/2026 235 0

ООО «ИнСАТ» ИНН 7734682230 erid = 2SDnjcDfuvh
ООО «ИнСАТ» ИНН 7734682230 erid = 2SDnjeALyLu
  Подписывайтесь на наш канал в Telegram и читайте новости раньше всех! Подписаться