PROGRAMUL DE STUDII: REȚELE SOFTWARE ȘI TELECOMUNICAȚII [308015]

[anonimizat], CALCULATOARE ȘI INGINERIE ELECTRICĂ

PROGRAMUL DE STUDII: REȚELE SOFTWARE ȘI TELECOMUNICAȚII

PROIECT DE DIPLOMĂ

Absolvent: [anonimizat] 2018

[anonimizat], CALCULATOARE ȘI INGINERIE ELECTRICĂ

PROGRAMUL DE STUDII: [anonimizat]: [anonimizat] 2018

LISTĂ DE FIGURI

Fig. 1.1 – [anonimizat] –––––––––––––––––––––––––––Pag. 11

Fig. 1.2 – Filtru trece bandă –––––––––––––––––––––––––-Pag. 11

Fig. 1.3 – [anonimizat] –––––––––––––––––––––––––––Pag. 11

Fig. 1.4 – Filtru oprește bandă –––––––––––––––––––––––––Pag. 11

Fig. 1.5 – Sisteme de poziționare globală ––––––––––––––––––––-Pag. 12

Fig.1.6 – Rețea de comunicații –––––––––––––––––––––––––Pag. 12

Fig. 1.7 – Comunicații spațiale de mare distanță ––––––––––––––––––Pag. 13

Fig. 2.1 – FilterQuick ––––––––––––––––––––––––––––-Pag. 15

Fig. 2.2 – Advanced –––––––––––––––––––––––––––––Pag. 15

Fig. 2.3 – Optiuni Filter Type –––––––––––––––––––––––––Pag. 16

Fig. 2.4 – Forma raspunsului la impuls al unui filtru tipic Gauss –––––––––––-Pag. 16

Fig. 2.5 – Opțiuni filtre ––––––––––––––––––––––––––––Pag. 16

Fig. 2.6 – Filtru FTJ de ordin doi cu elemente cu parametrii concentrați ––––––––-Pag. 17

Fig. 2.7 – Filtru FTJ de ordin doi cu elemente cu parametrii distribuiți (linii de transmisie) –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––Pag. 18

Fig. 2.8 – Captură de ecran cu mediile de transmisie ale programului –––––––––-Pag. 18

Fig. 2.9 – Selecția tipului de material dorit ––––––––––––––––––––Pag. 19

Fig. 2.10 – Selecția metalelor –––––––––––––––––––––––––Pag. 19

Fig. 2.11 – Calculul lățimii liniei –––––––––––––––––––––––-Pag. 20

Fig. 3.1 – [anonimizat] a măsura influența grosimii dielectricului asupra impedanței caracteristice a liniei ––––––––––––––––––––––––Pag. 21

Fig. 3.2 – Influența grosimii dielectricului asupra impedanței caracteristice a liniei ––––Pag. 22

Fig. 3.3 – Influența grosimii conductorilor asupra impedanței caracteristice a liniei ––––Pag. 22

Fig. 3.4 – Influența grosimii conductorilor asupra impedanței caracteristice a liniei ––––Pag. 22

Fig. 3.5 – Influența permitivității dielectrice asupra impedanței caracteristice a liniei –––-Pag. 23

Fig. 3.6 – Influența permitivității dielectrice asupra impedanței caracteristice a liniei –––-Pag. 23

Fig. 3.7 – Influența lățimii conductorului asupra impedanței caracteristice a liniei ––––-Pag. 24

Fig. 3.8 – Influența lățimii conductorului asupra impedanței caracteristice a liniei ––––-Pag. 24

Fig. 3.9 – Influența diametrelor celor doi conductori asupra impedanței caracteristice –––Pag. 25

Fig. 3.10 – Influența diametrelor celor doi conductori asupra impedanței caracteristice ––-Pag. 25

Fig. 3.11 – Influența permitivității dielectrice asupra impedanței caracteristice ––––––Pag. 26

Fig. 3.12 – Influența permitivității dielectrice asupra impedanței caracteristice ––––––Pag. 26

Fig. 3.13 – Influența impedanței caracteristice asupra lungimii filtrului –––––––––Pag. 27

Fig. 3.14 – Influența frecventei de lucru și a factorului de calitate asupra lungimii filtrului și asupra impedanței caracteristice –––––––––––––––––––––––––––Pag. 28

Fig. 3.15 – Influența frecventei de lucru și a factorului de calitate asupra lungimii filtrului și asupra impedanței caracteristice –––––––––––––––––––––––––––Pag. 28

Fig. 3.16 – Influența frecvenței de lucru și a factorului de calitate asupra lungimii filtrului și asupra impedanței caracteristice –––––––––––––––––––––––––––Pag. 28

Fig. 4.1 – Captură de ecran din timpul folosirii FilterFree pentru proiectarea unui filtru trece-bandă de ordin 3 –––––––––––––––––––––––––––––––––Pag. 29

Fig. 4.2 – Graficul caracteristicii de transfer idealizate pentru filtrul trece-bandă de ordinul 3 ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––Pag. 29

Fig. 4.3 – Comparație din punct de vedere al calității caracteristicii de transfer între un filtru trece-bandă de ordin 1 (stânga) și 2 (dreapta) –––––––––––––––––––––Pag. 30

Fig. 4.4 – Cele patru configurații de filtru trece-jos proiectate folosind programul FilterFree folosind componente cu parametri concentrati: a. configurația paralel-serie, b. configurația serie-paralel, c. configurația paralel-serie cu inductanța mare, d. configurația serie-paralel cu inductanța mare ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––Pag. 30

Fig. 4.5 – Schema bloc a filtrului trece-bandă de ordin 3 ––––––––––––––-Pag. 31

Fig. 4.6 – Valorile în programul SmithChart –––––––––––––––––––Pag. 32

Fig. 4.7 – Aflarea impedanței în programul SmithChart –––––––––––––––Pag. 32

Fig. 4.8 – Valorile în SmithChart ––––––––––––––––––––––––Pag. 33

Fig. 4.9 – Aflarea impedanței de transmisie în SmithChart ––––––––––––––Pag. 34

Fig. 4.10 – Grafic analiză PSpice ––––––––––––––––––––––––Pag. 34

Fig. 4.11 – Analiza PSpice pentru banda de frecvență de 0-10GHz ––––––––––-Pag. 35

Fig. 4.12 – Schematicul realizării cablajului –––––––––––––––––––-Pag. 35

Fig. 4.13 – Realizarea cablajului ––––––––––––––––––––––––Pag. 36

Fig. 4.14 – Captură de ecran din timpul folosirii FilterFree pentru proiectarea unui filtru trece-bandă de ordin 1 –––––––––––––––––––––––––––––––––Pag. 37

Fig.4.15 – Graficul caracteristicii de transfer idealizate pentru filtrul trece-bandă de ordinul 1 ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––Pag. 37

Fig. 4.16 – Comparație din punct de vedere al calității caracteristicii de transfer între un filtru trece-bandă de ordin 2 (stânga) și 3 (dreapta) –––––––––––––––––––––Pag. 38

Fig. 4.17 – Schema filtrului Butterworth –––––––––––––––––––––Pag. 38

Fig. 4.18 – Schema filtrului de ordin 1––––––––––––––––––––––Pag. 39

Fig. 4.19 – Proiectarea liniei centrale în programul TX-Line –––––––––––––Pag. 39

Fig. 4.20 – Proiectarea circuitului în scurt cu ajutorul programului TX-Line –––––––Pag. 40

Fig. 4.21 – Proiectarea circuitului în gol cu ajutorul programului TX-Line –––––––-Pag. 40

Fig. 4.22 – Schema bloc a filtrului trece-bandă de Ordin 1 ––––––––––––––Pag. 41

Fig. 4.23 – Cablajul final al unui filtru trece-bandă de ordin 1 ––––––––––––-Pag. 41

Fig. 4.24 – Proiectarea filtrului trece-bandă de ordin 2 în programul FiltreFree –––––-Pag. 42

Fig. 4.25 – Graficul caracteristicii de transfer a filtrului de ordin 2–––––––––––Pag. 42

Fig. 4.26 – Sinteza unui filtru trece bandă Gaussian de ordin 2 folosind elemente distribuite: a. primul element serie, b. primul element paralel ––––––––––––––––––Pag. 43

Fig. 4.27 – Folosirea TX-Line pentru a calcula parametrii liniilor de transmisie –––––-Pag. 43

Fig. 4.28 – Desenarea circuitelor proiectate anterior ––––––––––––––––-Pag. 43

Fig. 4.29 – Captură de ecran din timpul folosirii FilterFree pentru proiectarea unui filtru trece sus de ordin 2 ––––––––––––––––––––––––––––––––––Pag. 44

Fig. 4.30 – Graficul caracteristicii de transfer idealizate pentru filtrul trece sus de ordinul 2 –Pag. 44

Fig. 4.31 – Comparație din punct de vedere al calității caracteristicii de transfer între un filtru trece sus de ordin 1 (stânga) și 3 (dreapta) ––––––––––––––––––––––-Pag. 45

Fig. 4.32 – Cele două configurații de filtru trece-sus proiectate folosind programul FilterFree în două tehnologii diferite: a. configurația serie-paralel cu elemente mixte, b. configurația paralel-serie cu elemente mixte, c. configurația serie-paralel cu elemente concentrate, d. configurația paralel-serie cu elemente concentrate –––––––––––––––––––––––––Pag. 45

Fig. 4.33 – Proiectarea în SmithChart ––––––––––––––––––––––Pag. 46

Fig. 4.34 – Selectarea liniei în SmithChart ––––––––––––––––––––Pag. 46

Fig. 4.35 – Schema circuitului în OrCad –––––––––––––––––––––Pag. 47

Fig. 4.36 – Datele folosite pentru simulare în OrCad ––––––––––––––––Pag. 47

Fig. 4.37 – Graficul simulat corect în OrCad –––––––––––––––––––Pag. 48

Fig. 4.38 – Graficul simulat greșit în OrCad –––––––––––––––––––-Pag. 48

Fig. 4.39 – Captură de ecran din timpul folosirii FilterFree pentru proiectarea unui filtru trece-jos de ordin 2 ––––––––––––––––––––––––––––––––––Pag. 49

Fig. 4.40 – Graficul caracteristicii de transfer idealizate pentru filtrul trece-jos de ordinul 2 –Pag. 49

Fig. 4.41 – Comparație din punct de vedere al calității caracteristicii de transfer între un filtru trece-sus de ordin 1 (stânga) și 3 (dreapta) ––––––––––––––––––––––-Pag. 49

Fig. 4.42 – Cele patru configurații de filtru trece-jos proiectate folosind programul FilterFree folosind componente cu parametri concentrati: a. configurația paralel-serie, b. configurația serie-paralel, c. configurația paralel-serie cu inductanța mare, d. configurația serie-paralel cu inductanța mare –––––––––––––––––––––––––––––––––––Pag. 50

Fig. 4.43 – Cele două configurații de filtru trece-jos proiectate folosind programul FilterFree folosind componente cu parametri distribuiți: a. configurația serie-paralel, b. configurația paralel-serie –––––––––––––––––––––––––––––––––––Pag. 50

Fig. 4.44 – Simularea în Tx-Line ––––––––––––––––––––––––Pag. 51

Fig. 4.45 – Exemplu de filtru FTJ cu parametrii geometrici exemplificați ––––––––Pag. 51

Fig. 4.46 – Măsurarea permitivității dielectrice ––––––––––––––––––Pag. 52

Fig. 4.47 – Măsurarea grosimii plăcuței PCB cu un șubler electric –––––––––––Pag. 52

Fig. 4.48 – Comparație Tx-Line ––––––––––––––––––––––––Pag. 53

Fig. 4.49 – Simulare pentru rezistența serie a generatorului egală cu rezistența de sarcină egală cu 50Ω, condițiile folosite la proiectare ––––––––––––––––––––––-Pag. 54

Fig. 4.50 – Simularea la 80MHz ––––––––––––––––––––––––Pag. 54

Fig. 4.51 – Simularea circuitului ținând cont de capacitatea clasică ––––––––––-Pag. 55

Fig. 4.52 – Montaj pentru realizarea de filtre FTJ și FTS de ordinul 1-3 ––––––––-Pag. 55

Fig. 4.53 – Montaj pentru realizarea unui filtru FTJ de ordinul 1 – vedere din lateral –––-Pag. 56

Fig. 4.54 – TxLine –––––––––––––––––––––––––––––-Pag. 56

Fig. 4.55 – Schema circuitului în OrCad –––––––––––––––––––––Pag. 57

Fig. 4.56 – Simularea circuitului ––––––––––––––––––––––––Pag. 57

Fig. 4.57 – Simulare pentru rezistența serie a generatorului egală cu rezistența de sarcină egală cu 50Ω, condițiile folosite la proiectare ––––––––––––––––––––––-Pag. 58

Fig. 4.58 – Simulare în condițiile folosite la proiectare –––––––––––––––Pag. 58

Fig. 4.59 – Schema circuitului la frecvențe mici în condiții de test –––––––––––Pag. 59

Fig. 4.60 – Simularea circuitului la frecvențe mici –––––––––––––––––Pag. 59

Fig. 4.61 – Schema circuitului la frecvențe mari în condiții de test –––––––––––Pag. 60

Fig. 4.62 – Simularea circuitului la frecvențe mari –––––––––––––––––Pag. 60

Fig. 4.63 – Captură cu programul FilterDesigner în timpul proiectării unui filtru trece-jos de ordin 3–––––––––––––––––––––––––––––––––––––-Pag. 61

Fig. 4.64 – Folosirea tabelului de calcul al lungimilor cablurilor –––––––––––-Pag. 61

Fig. 4.65 – Schema circuitului proiectat în OrCAD –––––––––––––––––Pag. 62

Fig. 4.66 – Simularea circuitului de la figura anterioară ––––––––––––Pag. 62

Fig. 4.67 – Schema circuitului în conditii de test –––––––––––––––Pag. 62

Fig. 4.68 – Simularea circuitului de la figura anterioară ––––––––––––Pag. 63

Fig. 5.1 – Corodarea plăcuței ––––––––––––––––––––––-Pag. 64

Fig. 5.2 – Curățarea plăcuței după corodare –––––––––––––––––Pag. 64

Fig. 5.3 – Măsurarea cablului coaxial –––––––––––––––––––Pag. 65

Fig. 5.4 – Mufarea cablului –––––––––––––––––––––––Pag. 65

Fig. 5.5 – Realizarea scurtcircuitului –––––––––––––––––––-Pag. 65

Fig. 5.6 – Testarea filtrului la frecvențe joase – pasul 1 ––––––––––––Pag. 66

Fig. 5.7 – Testarea filtrului la frecvențe joase – pasul 2 ––––––––––––Pag. 66

Fig. 5.8 – Comparație între măsurătorile Fig. 5.6, respectiv fig. 5.7, la frecvența de 5MHz (fotografie a osciloscupului desaturată și inversată, date osciloscop : 5mV/div, 0.1μs/div)–-Pag. 67

Fig. 5.9 – Comparație intre masuratorile Fig. 5.6, respectiv fig. 5.7 la frecvența de 100MHz (fotografie a osciloscupului desaturată și inversată; date osciloscop : vertical 5mV/div, orizontal 0.01μs/div) ––––––––––––––––––––––––––––––––-Pag. 67

Fig. 5.10 – Schema în OrCad ––––––––––––––––––––––Pag. 67

Fig. 5.11 – Caracteristica de frecvență – simulare pentru frecvente mici 0-10MHz––Pag. 68

Fig. 5.12 – Caracteristica de frecvență – simulare pentru frecvențe mari 0-150MHz–Pag. 68

Fig. 5.13 – Rezistența serie a generatorului este aleasă de 80Ω, deoarece folosim oscilatorul Collpits pentru frecvențe mari, iar acesta are o rezistență serie măsurată de 80Ω pentru aceste frecvențe –––––––––––––––––––––––––––––––––Pag. 69

5.14 – Se observă o scădere a amplitudinii de aproximativ -13dB, apropiată de valoarea obținută prin măsurători, marcată cu roșu pe figura de mai sus ––––––––––––Pag. 69

Fig. 5.15 – Atenuare(80MHz)= -1,43dB fata de -3d –––––––––––––-Pag. 70

Fig. 5.16 – Testarea filtrului – pasul 1 –––––––––––––––––––Pag. 70

Fig. 5.17 – Montaj pentru testarea unui filtru FTJ de ordinul 1 – vedere de sus –––Pag. 71

Fig. 5.18 – Schema circuitului la frecvențe mici în condiții de test ––––––––Pag. 71

Fig. 5.19 – Simularea la frecvențe mici ––––––––––––––––––-Pag. 72

Fig. 5.20 – Schema circuitului la frecvențe mari în condiții de test ––––––––Pag. 72

Fig. 5.21 – Simularea la frecvențe mari ––––––––––––––––––-Pag. 73

Fig. 5.22 – Fotografiile cu osciloscopul în timpul măsurătorilor pentru caracteristica filtrului –––––––––––––––––––––––––––––––––––––Pag. 74

Fig. 5.23 – Comparație între măsurătorile pe filtrul de ordinul 3 realizat din cabluri coaxiale și simulările pe filtrul proiectat ––––––––––––––––––––––––-Pag. 74

Fig. 5.24 – Montajul final fără filtrul –––––––––––––––––––-Pag. 74

Fig. 5.25 – Montajul final cu filtrul cu cabluri TV ––––––––––––––Pag. 75

LISTĂ TABELE

Tabel 3.1 – Rezultatele simulărilor pentru verificarea influenței grosimii dielectricului asupra impedanței liniei ––––––––––––––––––––––––––––––Pag. 22

Tabel 3.2 – Rezultatele simulărilor grosimii conductorilor asupra impedanței caracteristica a liniei ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––Pag. 23

Tabel 3.3 – Rezultatele simulărilor pentru verificarea permitivității dielectrice asupra impedanței caracteristice a liniei –––––––––––––––––––––––––––––Pag. 24

Tabel 3.4 – Rezultatele simulărilor pentru verificarea influenței lățimii conductorului asupra impedanței caracteristice a liniei ––––––––––––––––––––––––Pag. 25

Tabel 3.5 – Rezultatele simulărilor pentru verificarea influenței diametrelor celor doi conductori asupra impedanței caracteristice ––––––––––––––––––––––––Pag. 26

Tabel 3.6 – Rezultatele simulărilor pentru verificarea influenței permitivității dielectrice asupra impedanței caracteristice –––––––––––––––––––––––––––Pag. 26

Tabel 3.7 – Rezultatele simulărilor pentru verificarea influenței impedanței caracteristice asupra lungimii filtrului ––––––––––––––––––––––––––––––-Pag. 27

Tabel 3.8 – Rezultatele simulărilor pentru verificarea influenței frecvenței de lucru și a factorului de calitate asupra lungimii filtrului și asupra impedanței caracteristice ––––––––––Pag. 28

Tabel. 5.1 – Valorile măsurătorilor pentru caracteristica filtrului –––––––––––-Pag. 74

CAPITOLUL I

GENERALITĂȚI

Scopul lucrării

Acest proiect de diploma tratează tematica proiectării filtrelor de microunde care sunt realizate să funcționeze în interval de frecvență medie până la frecvențe înalte. Aceste filter sunt necesare dotării laboratorului de microunde, fiind des întâlnite și în practica industrial. Tehnologia pe care am ales să fac atât proiectarea cât și implementarea filtrelor este tehnologia microstrip cât și cea coaxială.

În prezentul capitol al lucrării, începând cu secțiunea următoare, voi face prezentarea filtrelor de microunde, tipul acestora, utilizarea lor practică, precum și a tehnologiilor de fabricație.

Capitolul 2 va face prezentarea instrumentelor informatice folosite în proiectarea acestor filtre, instrumente freeware care pot fi folosite gratuit de către facultate în cadrul laboratorului de circuite de microunde: Filtre Free, SmithChart, Tx-Line și OrCad. Folosindu-mă de aceste softuri voi încerca simularea în capitolul 3 a unui studio despre influența parametrilor de fabricație asupra impedanței caracteristice a liniei de transmisie, care va fi folosită la realizarea filtrelor. Acest studiu este necesar înainte de a trece la proiectarea efectivă a filtrelor, deoarece tehnologia microstrip care multe limitări și constrângeri asupra impedanței caracteristice pe care o putem obține.

Cel mai important lucru din această lucrare îl găsim în capitolul 4, proiectarea filtrelor de microunde, care sunt împărțite în: filtru trece-bandă, filtru trece-sus, filtru trece-jos pe tehnologie microstrip și pe bază de cablu coaxial. Alegerea filtrelor pe care le-am realizat, s-au făcut ținând cont de valorile din capitolul anterior.

În capitolul 5, avem etapele realizării, folosind placate PCB, corodate după dimensiunea și forma dorită.

Tot în acest capitol avem și testarea acestor filtre de microunde pe bază de tehnologie microstrip și pe cablu coaxial. Chiar dacă facultatea, în prezent, nu dispune de mijloacele material necesare testării unor astfel de filtre, am explicat etapele din punct de vedere conceptual care trebuie parcurse pentru astfel de testări.

Ultimul capitol, va trasa câteva concluzii și posibile îmbunătățiri pe care viitorii student le pot face unui astfel de proiect de diplomă.

Spectrul electromagnetic. Microundele

Vorbim despre ceva ce ne înconjoară în fiecare zi, iar în fiecare minut, noi nu putem să trăim fără el, dar nu poate fi atins sau văzut, cu toate astea fără el, lumea nu ar mai putea exista.

Radiațiile electromagnetice se întind pe parcursul spectrului și au plecat de la cele mai scurte raze gamma, urmate de razele X, radiația inflaroșie cu undele sale puțin mai lungi, lumina vizibilă, radiația ultravioletă, microundele și undele radio care pot avea o lungime imensă, toate acestea construiesc împreună așa-numitul spectru electromagnetic.

Undele electromagnetice, la fel ca și undele de suprafață au și maxime și minime, distanța dintre doua maxime reprezintă lungimea de undă. Anuminte unde electromagnetice au lungimea de undă foarte mare pe care o putem măsura chiar și în metri, iar pentru multe alte unde, lungimile sunt foarte mici, măsurate chiar în nanometri. Frecvența undei reprezintă numărul de maxime care trec printr-un punct într-o secundă. Ciclul unei unde pe secundă, poartă numele de Hertz. Undele radio, numite unde electromagnetice lungi, transportă energie mai puțină și au cea mai mică frecvență. Dacă adăugăm energie frecvența undei crește, iar lungimea de undă devine mai mică. Din undele cu cele mai scurte lungimi de undă face parte doar radiația gama, așadar are cea mai mare energie din cadrul spectrului electromagnetic. În jurul nostru, totul emite, reflectă și absoarbe radiația electromagnetică în mod diferit, în funcție de propria compoziție chimică.

Microundele sunt unde Hertziene, unde lungimea de undă este cuprinsă între 1mm(300GHz) și 1m(0,3GHz). Prima utilizare a microundelor a fost în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, in cadrul aparatelor radar. Ele mai sunt folosite și la încălzirea instalațiilor de prelucrare a cauciucului, dar și în cele de prelucrare a hârtiei și a cartonului.

Radiația inflaroșie se folosește pentru emiterea datelor fără fir, pe distanțe foarte mici. Undele radio sunt folosite pentru transmisia semnalelor de televiziune și comunicațiile prin satelit. Ultravioletele sunt undele care produc schimbarea de culoare a pielii (bronzarea), ele sunt nocive.

După toate cele de mai sus, ne dăm seama că microundele nu fac parte din domeniul vizibil, ochiul uman nepercepându-le. Ele mai pot fi percepute ca și undele radio, de instalații electronice.

Ce sunt filtrele de microunde?

Filtrele de microunde reprezintă o clasă de filtre electronice, proiectate să funcționeze pe semnale în intervalele de frecvență megahertz-gigahertz (frecvență medie până la frecvență extrem de ridicată). Această gamă de frecvențe este cea utilizată de majoritatea radioului, televiziunii, comunicațiilor fără fir (telefoane mobile, Wi-Fi), astfel încât cele mai multe dispozitive de microunde vor include un fel de filtrare a semnalelor transmise sau recepționate. Astfel de filtre sunt utilizate în mod obișnuit ca blocuri de construcție pentru duplexeri și duplexoare pentru combinarea sau separarea benzilor de frecvență multiple. Dezvoltarea teoriei și practicii filtrelor a început în anii care au precedat cel de-al doilea război mondial, pionierii precum Mason, Sykes, Darlington, Fano, Lawson și Richards. Parametrul imaginii, metoda de proiectare a filtrelor a fost dezvoltată la sfârșitul anilor 1930 și a fost utilă pentru frecvența redusă a filtrelor în radio și telefonie.

Începem discuția despre teoria și designul filtrului cu caracteristicile de frecvență ale lui, structuri periodice, care constau dintr-o linie de transmisie sau un ghid de undă încărcat periodic cu elemente reactive. Aceste structuri sunt de interes în sine din cauza aplicării lor la componentele de undă lentă și la proiectarea unui amplificator de undă de călătorie și, de asemenea, pentru că acestea prezintă ieșirile de bază ale benzii de Pas-Stop care conduc la metoda parametrilor imaginii de proiectare a filtrelor. O procedură mai modernă, numită metoda pierderii inserției, utilizează tehnici de sinteză a rețelei pentru a proiecta filtrele cu un răspuns de frecvență specificat complet.

Designul este simplificat începând cu prototipurile cu filtru Low-Pass care sunt normalizate în termeni de impedanță și frecvență. Transformările sunt apoi aplicate pentru a transforma modelele prototipului în intervalul de frecvență dorit și nivelul de impedanță dorit. Pentru aplicațiile cu microunde, astfel de desene sau modele ar trebui, de obicei, modificate pentru a utiliza elemente distribuite constând din secțiuni de linie de transmisie. Transformarea Richards și identitățile Kuroda oferă acest pas. Vom discuta, de asemenea despre transmisia filtrelor de linie utilizând impedanțe în trepte și linii cuplate, filtrele utilizând rezonatoare cuplate, va fi de asemenea descris pe scurt. Subiectul filtrelor cu microunde este destul de extins datorită importanței acestor componente în sistemele practice și varietatea de posibile implementări. Aici putem trata doar principiile de bază și unele dintre cele mai comune modele de filtre.

Tipuri de filtre

Există patru tipuri de filtre:

Filtru trece jos (FTJ) permite trecerea unui semnal cu frecvența foarte joasă, dar oprește trecerea unui semnal de frecvență înaltă.

Fig. 1.1 – Filtru trece-jos

Filtru trece bandă (FTB). Pentru a îndeplini filtrarea circuitelor avem nevoie de ajutorul unui filtru trece-sus și un filtru trece-jos, conectate împreună. Rezultatul fiind un filtru trece-bandă.

Fig. 1.2 – Filtru trece bandă

Filtru trece sus (FTS) este inversul filtrului trece jos, adică lasă semnalele de frecvență înaltă să treacă și pe cele de frecvență joasă le blochează.

Fig. 1.3 – Filtru trece-sus

Filtru oprește bandă (FOB) lasă să treacă toate frecvențele și conectarea lui se face în paralel cu un filtru trece-sus și un filtru trece-jos.

Fig. 1.4 – Filtru oprește bandă

Aplicații ale filtrelor

Domeniul de aplicabilitate al microundelor s-a extins foarte mult în ultimi ani, acestea fiind utilizate în prezent într-o gamă variată de domenii precum:

Sistemul de pozitionare globală (GPS)

GPS-ul este un dispozitiv care folosește ca și punct de referință sateliții,cu ajutorul acestora calculeaza pozițiile cu o acuratețe de domeniul metrilor. Cu variante de GPS mai performante se pot face masurători cu o acuratețe mai mică de un centimetru.

Fig. 1.5 – Sisteme de poziționare globală

Rețele de comunicații

Aplicațiile includ comunicațiile de bandă largă necesare pe mijloace de transport terestre, iahturi, bărci. ("Internet on the Move").

Microundele permit recepția programelor de televiziune și radiodifuziune DVB-S/S2 “Satellite TV on the Move”. DVB-S2(Transmisie video digitală – satelit – a doua generație) asigură servicii interactive și televiziune de înaltă definiție.

Fig.1.6 – Rețea de comunicații

Comunicații spațiale de mare distanța (Deep Space Network)

Programul DSN (Deep Space Network) realizat de NASA asigură comunicațiile prin microunde între sondele spațiale îndepărtate cum sunt Voyager 1, Voyager 2 și stațiile de emisie – recepție aflate pe Pământ.

Amplasamentele decalate la 120 de grade longitudine permit comunicații continue cu o navă sau sondă spațială.

Fig. 1.7 – Comunicații spațiale de mare distanță

Tehnologii de fabricatie ale filtrelor de microunde

Microstrip: Linia microstrip este una dintre cele mai populare tipuri de linii de transmisie plane, deoarece poate fi fabricat prin procese fotolitografice și este miniaturizat și ușor integrat atât cu dispozitive cu microunde pasive, cat și cu microunde active. Ele sunt liniile de transmisie care pot face rezonatoare și filtre bune oferind un compromis mai bun în ceea ce privește dimensiunea și performanța decât filtrele cu element lumped. Procesele utilizate pentru fabricarea circuitelor microstrip sunt foarte asemănătoare cu procesele utilizate pentru fabricarea plăcilor cu circuite imprimate și aceste filtre au avantajul că sunt în mare parte plane. Filtrele plane de precizie sunt fabricate folosind un proces subțire. Factorii Q sunt mai înalți și pot fi obținuți prin utilizarea materialelor dielectrice tangente cu pierderi reduse pentru substrat, cum ar fi cuarțul sau safirul și metalele de rezistență inferioară, cum ar fi aurul. În realitate, câmpurile exacte ale unei linii microstrip constituie un val hibrid TM-TE și necesită tehnici mai avansate de analiză decât suntem pregătiți să facem față. Substratul dielectric este foarte subțire din punct de vedere electric, cu alte cuvinte câmpurile sunt în esență aceleași ca și cele din cazul static (DC). Astfel, aproximări bune pentru viteza de fază, constanta de propagare și impedanța caracteristică poate fi obținută din soluții statice sau cvasistatice. Apoi viteza de fază și constanta de propagare pot fi exprimate ca:

Vp= , (1.1)

0, (1.2)

unde, este constantă dielectrică efectivă a liniei microstrip. Pentru că unele dintre campuri sunt în regiunea dielectrică, iar unele sunt în aer.

Coaxial: Filtrele coaxiale sunt conductoare de transmisie coaxială și oferă un factor de calitate mai ridicat decât liniile de transmisie plane și sunt astfel utilizate atunci când este necesară o performanță mai mare. Rezonanții coaxiali pot utiliza materiale constante cu dielectricul ridicat pentru a reduce dimensiunile lor totale.

Linia coaxială, ca și ghidul de undă cu placă paralelă, poate de asemenea să susțină ghidul de undă TE și TM în plus față de modul TEM. În practică, aceste moduri sunt, de obicei întrerupte și astfel au doar un efect reactiv în apropierea discontinuităților sau a surselor. Reacțiile adverse pot apărea dacă se propagă două sau mai multe moduri cu constante de propagare diferite în același timp. Evitarea propagării modurilor de ordine superioară stabilește o limită superioară de dimensiunea unui cablu coaxial sau, în mod echivalent, o limită superioară a frecvenței de funcționare pentru un cablu dat. Acest lucru afectează, de asemenea, capacitatea de manipulare a puterii unei linii coaxiale. Cele mai multe cabluri și conectori coaxiale în uz comun au o impedanță caracteristică de 50Ω, cu excepția cablului de 75Ω utilizat în sistemele de televiziune. Alegerile sunt ca o linie coaxială umplută cu aer și care are o atenuare minimă pentru o impedanță caracteristică de aproximativ 77Ω, în timp ce capacitatea maximă de putere are loc pentru o impedanță caracteristică de circa 30Ω. Se vor prezenta mai multe tipuri de conectori și adaptoare coaxiale utilizate în mod obișnuit din stânga sus avem: Tip-N, TNC, SMA, APC-7 și 2,4mm.

Tip-N este un conector care a fost dezvoltat în 1942 și diametrul exterior al capătului mamă este de aproximativ 0,625inch, iar frecvența variază de la 11 la 18GHz, în funcție de dimensiunea cablului. Conectorul este adesea găsit pe echipamente mai vechi.

TNC este o verisune filetată a conectorului BNC care de altfel este foarte comun. Utilizarea sa este limitată la frecvențe sub 1GHz.

SMA a fost o necesitate a unor conectori mai mici și mai ușori care a dus la dezvoltarea acestui conector în anii ’60. Diametrul exterior al capătului mamă este de aproximativ 0,25inch. Poate fi folosit până la frecvențe în intervalul 18-25GHz și este probabil cel mai frecvent utilizat conector cu microunde, astăzi.

APC-7 este un conector de precizie ( Amphenol Precision Connector) care poate fi repetat atingând SWR mai mic de 1,04 la frecvențe de până la 18GHz. Acest conector este cel mai frecvent utilizat pentru aplicații de măsurare și instrumentație.

2,4mm datorită necesității unor conectori la frecvențe de undă de milimetru a condus la dezvoltarea mai multor variante ale conectorului SMA. Una dintre cele mai comune este conectorul de 2,4mm, care este util la aproximativ 50GHz. Dimensiunea acestui conector este similară cu cea a conectorului SMA.

Stripline: Este un tip de linie de transmisie plană care i se potrivește circuitului integrat cu microunde. O bandă subțire conductoare cu lățimea W este centrată între două suprafețe plane, separate prin b, iar regiunea dintre suprafețele plane este umplută cu un material dielectric. În practică, linia de bandă, este de obicei construită prin gravarea conductorului central pe un substrat dielectric împământat cu grosimea b/2 și apoi acoperirea cu un alt substrat împământat. Dielectricul de aer este folosit doar atunci când este necesar pentru a minimiza pierderea. Deoarece stripline-ul are doi conductori și un dielectric omogen, acesta suportă o undă TEM și acesta este modul obișnuit de operare, la fel ca și ghidul plăcii paralele și linia coaxială, totuși linia stripline poate susține, de asemenea, modurile de comandă a undelor de ordin superior. Intuitiv, se poate gândi la o linie stripline ca un fel de coaxial aplatizat, ambele au un conductor central complet închis de un conductor exterior și care este umplut uniform cu un mediu dielectric. Geometria liniei stripline nu se supune analizelor simple care au fost utilizate pentru liniile de transmisie și ghidurile de undă spuse anterior. În primul rand, cu modul TEM al liniei stripline, o analiză electrostatică este suficientă pentru a da constanta de propagare și impedanța caracteristică.

CAPITOLOUL II

INSTRUMENTE INFORMATICE

În lucrare ne propunem să folosim programe de specialitate precum:

– Filter Free;

– TxLine;

– OrCAD.

Filter Free

Software-ul de proiectare a filtrelor cu ajutorul FilterFree oferă soluții rapide, ușor de utilizat și de mare putere pentru provocările de inginerie electrică în sintetizarea filtrelor. Inițial lansat în 1999, programul pilot, a continuat să integreze și să introducă noi caracteristici.

Filter Free este o aplicație de tip freeware ce ne ajută la proiectarea filtrelor care lucreaza în domeniul microundelor. Aplicația cuprinde 2 moduri de lucru și acestea sunt:

Modul rapid (FilterQuick) se folosește pentru simplificarea proiectării unui filtru. În acest mod se face apel la tipologiile folosite de filtre. De asemenea, apelează și parametrii care nu necesită reglări avansate.

Fig. 2.1 – FilterQuick

Modul avansat (Advanced)

Fig. 2.2 – Advanced

Tranziția de la modul rapid la modul avansat cu comandă dedicată din meniu, aflată lângă butonul Help.

Vom lucra în modul Advanced, iar pentru selecția tipului de filtrului vom folosi Filter Type.

Opțiunile posibile sunt prezentate în figura de mai jos:

Fig. 2.3 – Optiuni Filter Type

În lucrarea de față vom utiliza filtrul Gaussian.

Filtrul Gaussian reprezintă filtrul care aproximează curba lui Gauss la un impuls de tip Dirac.

Din punct de vedere matematic, un filtru de acest tip modifică semnalul de intrare prin convoluție cu funcția lui Gauss. Această transformare poartă denumirea și de transformare Weierstrass

Fig. 2.4 – Forma raspunsului la impuls al unui filtru tipic Gauss

Pentru alegerea clasei filtrului avem disponibile opțiunile din figura de mai jos:

Fig. 2.5 – Opțiuni filtre

Low Pass = FTJ (filtru trece jos) lasă să treacă toate frecvențele sub frecvența de tăiere ft;

High Pass = FTS (filtru trece sus) lasă să treacă toate frecvențele peste frecvență de tăiere ft;

Band Stop = FOB (filtru oprește bandă) lasă să treacă toate frecvențele mai mici decât frecvența ft1 și mai mari decât frecvența ft2, cu ft1<ft2;

Band Pass = FTB (filtru trece bandă) lasă să treacă toate frecvențele cuprinse între ft1 și ft2, cu ft1<ft.

Atributele filtrului care pot fi fixate:

Ordinul filtrului (Order);

Frecvența de tăiere (Pass Band Freq) pentru FTJ și FTS;

Frecvența centrală a benzii de trecere/blocate (Center Freq) pentru FTB și FOB;

Lațimea benzii de frecvență (Pass Band Width) pentru FTB și FOB;

Descrierea benzii de frecvență (Pass Band Def);

Diferența dintre amplitudinea corespunzătoare frecvenței centrale și amplitudinea frecvenței de tăiere (Pass Band Atten).

Modul de implementare al filtrului se alege din caseta de dialog ce fixează parametrii. Opțiunile de bază sunt:

Implementarea filtrului pe baza componentelor discrete (Lumped);

Realizarea filtrului pe baza liniilor de transmisie pentru filtrele de microunde (Distrib);

Implementarea filtrelor pe baza amplificatoarelor operaționale (Activ).

Principalii parametrii ai filtrelor ce pot fi setați în aplicație sunt:

Afișarea și sintetizarea filtrului proiectat (Synthesize Filter);

Afișarea soluției în cazul în care generatorul este o linie de adaptare (First Ele Series);

Valoarea rezistenței sursei (Source Res);

Valoarea rezistenței folosită pe post de sarcină (Load Res);

Valoarea frecvențelor pentru segmentele terminate în gol (1/4 Len Freq);

Metoda de sinteză (Select…Topology);

Definirea ghidului prin parametrii sau sub forma unei linii microstrip (Substrate Type);

Definirea permitivității relative (Er).

Pentru a putea afișa sub formă de segmente de linii filtrele, ca în exemplul de mai jos, trebuie acționat butonul Synthesize Filters.

În urma afișării vor fi puse la dispoziție date despre impedanța caracteristică și lungimea filtrului.

Să luam ca exemplu cazul unui filtru trece jos (FTJ) de ordinul doi, cu frecvența de tăiere de 500MHz.

Fig. 2.6 – Filtru FTJ de ordin doi cu elemente cu parametrii concentrați

Aplicația oferă posibilitatea de a genera filtre în tehnologia microstrip.

Fig. 2.7 – Filtru FTJ de ordin doi cu elemente cu parametrii distribuiți (linii de transmisie)

Tx-Line

Programul este ușor de utilizat, pentru analiza și sinteza structurilor liniei de transmisie. Software-ul TX-LINE permite utilizatorilor să introducă caracteristici fizice sau electrice pentru medii de transmisie obișnuite: microstrip, stripline, ghid de undă coplanară, amplasamentul coplanar, slotline.

Utilizare Tx-Line

Tx-Line poate fi utilizat pentru proiectarea liniei de transmisie accesibile, de asemenea prin mediul de proiectare în conformitate cu instrumentele din meniul vertical.

Pentru a începe Tx-Line putem merge la meniul de instrumente vertical, vom începe ca o aplicație de sine stătătoare și după cum puteți vedea, aici există mai multe opțiuni diferite, care sunt disponibile pentru diferite tipuri de structuri de ghiduri de undă sau conductoare. (fig.2.8)

Fig. 2.8 – Captură de ecran cu mediile de transmisie ale programului

Vom lua ca exemplu o linie microstrip, pentru a obține, selectăm tipul de material, indiferent de valorile pe care le dorim pentru o constantă dielectrică (fig.2.9)

Fig. 2.9 – Selecția tipului de material dorit

De asemenea selectăm din unele setări diferite tipuri de metale (fig.2.10)

Fig. 2.10 – Selecția metalelor

Vom face un exemplu cu constantă dielectrică de 4 și vom pune la tangenta de pierderi: 0.012 și apoi vom merge la dimensiunile fizice și vom selecta o grosime de substrat de 10mil și lungime de 1.4 mil de cupru care va corespunde aproximativ un cm de cupru, astfel încât lungimea se va potrivi fizic și vom selecta impedanța de 50ohm și să spunem că vrem ca acest lucru să funcționeze la 4 GHz și vrem să fie la 90°C de lungimea liniei, iar apoi trebuie doar să apăsam săgeata pentru a indica dimensiunile fizice și ne va spune că lățimea liniei este aproximativ 19.2955mil și acum putem merge separat în Diagrama Smith și să vedem cât de bine merge la 50ohm, pentru că vrem să ne reducă la minimum linia. (fig. 2.11)

Fig. 2.11 – Calculul lățimii liniei

OrCAD

OrCAD permite inginerilor electroniști să-și aducă la viață ideile de creare a produselor. Pentru a îndeplini cu succes obiectivele proiectului, designerii de PCB și inginerii electronici au nevoie de tehnologii puternice, intuitive și integrate care funcționează perfect în întregul flux de proiectare PCB.

OrCAD este cel mai complet pachet de tip software ce permite simularea tuturor tipurilor de circuite, datorită librăriei complete de modele.

Pentru realizarea simulărilor vom folosi Capture CIS și PSpice AD.

În prezenta lucrare vom realiza simularea unei scheme în domeniul temporal și în domeniul frecvenței.

Schema va fi realizată prin plasarea tuturor componentelor pe planșa de lucru, pe care le găsim în librăria programului.

CAPITOLUL III

SIMULĂRI PARAMETRICE

Tehnologia microstrip

Influența grosimii dielectricului asupra impedanței caracteristice a liniei

În acest capitol va predomina utilizarea programului ”Tx-Line„ ca să aflăm influența grosimii dielectricului asupra impedanței caracteristice a liniei, iar rezultatele obținute le vom enumera într-un tabel.

Înainte de a trece la introducerea valorilor, mai avem de efectuat câteva setări: microstrip, duroid, cupru, 1Ghz.

Impedanța caracteristică fiind de 50Ohm, aflăm lungimea liniei L=30cm, iar lățimea W=3mm și grosimea dielectricului H=1mm, apoi le enumerăm într-un tabel.

Fig. 3.1 – Utilizarea programului Tx-Line pentru a măsura influența grosimii dielectricului asupra impedanței caracteristice a liniei

Tabel 3.1 – Rezultatele simulărilor pentru verificarea influenței grosimii dielectricului asupra impedanței liniei

Fig. 3.2 – Influența grosimii dielectricului asupra impedanței caracteristice a liniei

Influența grosimii conductorilor asupra impedanței caracteristice a liniei

Utilizăm programul TXLine pentru a afla influența asupra impedanței și le vom enumera într-un tabel.

Avem aceleași setări ca mai sus: microstrip, duroid, cupru, 1Ghz.

Impedanță caracteristică=50Ohm, L=30cm, W=5mm, H=2mm, T=1mm.

Fig. 3.3 – Influența grosimii conductorilor asupra impedanței caracteristice a liniei

Tabel 3.2 – Rezultatele simulărilor grosimii conductorilor asupra impedanței caracteristica a liniei

Fig. 3.4 – Influența grosimii conductorilor asupra impedanței caracteristice a liniei

Influența permitivității dielectrice asupra impedanței caracteristice a liniei

Alegem următoarele setări: microstrip, duroid, cupru, 1Ghz.

Impedanță caracteristică=50Ohm, L=30cm, W=3mm, H=1mm, T=0.002mm.

Fig. 3.5 – Influența permitivității dielectrice asupra impedanței caracteristice a liniei

Trecem rezultatele obținute într-un tabel:

Tabel 3.3 – Rezultatele simulărilor pentru verificarea permitivității dielectrice asupra impedanței caracteristice a liniei

Fig. 3.6 – Influența permitivității dielectrice asupra impedanței caracteristice a liniei

Influența lățimii conductorului asupra impedanței caracteristice a liniei

Alegem următoarele setări: microstrip, duroid, cupru, 1Ghz.

Impedanță caracteristică=50 Ohm

cazul 1: L=30cm, W=3mm, H=1mm, T=0.002mm

cazul 2: L=30cm, W=3mm, H=5mm

cazul 3: L=30cm, W=3mm H=0.5mm

Fig. 3.7 – Influența lățimii conductorului asupra impedanței caracteristice a liniei

Trecem rezultatele obținute într-un tabel:

Tabel 3.4 – Rezultatele simulărilor pentru verificarea influenței lățimii conductorului asupra impedanței caracteristice a liniei

Fig. 3.8 – Influența lățimii conductorului asupra impedanței caracteristice a liniei

Tehnologia coaxială

Influența diametrelor celor doi conductori asupra impedanței caracteristice

Și în tehnologia coaxilă vom folosi programul TX-Line. Aici, vom alege: duroid, cupru, 1Ghz.

Păstrăm diametrul interior și materialul dielectricului constante, iar diametrul exterior cu un pas de 0,5 variază de la 1,5mm la 10mm. Vom avea următoarele rezultate:

Tabel 3.5 – Rezultatele simulărilor pentru verificarea influenței diametrelor celor doi conductori asupra impedanței caracteristice

Fig. 3.9 – Influența diametrelor celor doi conductori asupra impedanței caracteristice

Fig. 3.10 – Influența diametrelor celor doi conductori asupra impedanței caracteristice

Influența permitivității dielectrice asupra impedanței caracteristice

Alegem următoarele setări: round coaxial, duroid, cupru, 1Ghz.

Păstrăm D=3,7mm, d=1mm, în așa fel încât pentru duroid să avem impedanța de Z0=50ohm.

Schimbăm permitivitatea dielectricului, începând de la 1 până la 20, folosind pasul de 1. Vom avea urmatoarele rezultate:

Tabel 3.6 – Rezultatele simulărilor pentru verificarea influenței permitivității dielectrice asupra impedanței caracteristice

Fig. 3.11 – Influența permitivității dielectrice asupra impedanței caracteristice

Fig. 3.12 – Influența permitivității dielectrice asupra impedanței caracteristice

Influența impedanței caracteristice asupra lungimii filtrului

Aici, vom folosi programul SmithChart.

Avem referința la o frecvență de 1Ghz și realizăm inductanța de 4nH, pe care o folosim la filtrul nostru.

Cu ajutorul programului, SmithChart vom face un circuit de microunde, cu o impedanță de sarcină de 0 ohmi, și o linie de transmisie.

O să schimbăm impedanța caracteristică a liniei și măsurăm lungimea necesară a acesteia pentru a obține inductanța de 4nH.

Considerăm εr=2,2 și vom avea următoarele rezultate:

Tabel 3.7 – Rezultatele simulărilor pentru verificarea influenței impedanței caracteristice asupra lungimii filtrului

Fig. 3.13 – Influența impedanței caracteristice asupra lungimii filtrului

Influența frecventei de lucru și a factorului de calitate asupra lungimii filtrului și asupra impedanței caracteristice

În programul FilterFree, vom folosi următoarele setări: tipul Gaussian, ordinul 1, duroid.

Și după cum urmează, avem următoarele rezultate:

Tabel 3.8 – Rezultatele simulărilor pentru verificarea influenței frecvenței de lucru și a factorului de calitate asupra lungimii filtrului și asupra impedanței caracteristice

Fig. 3.14 – Influența frecventei de lucru și a factorului de calitate asupra lungimii filtrului și asupra impedanței caracteristice

Fig. 3.15 – Influența frecventei de lucru și a factorului de calitate asupra lungimii filtrului și asupra impedanței caracteristice

Fig. 3.16 – Influența frecvenței de lucru și a factorului de calitate asupra lungimii filtrului și asupra impedanței caracteristice

CAPITOLUL IV

PROIECTAREA ȘI SIMULAREA UNUI FILTRU DE MICROUNDE

Proiectarea unui filtru trece-bandă

Folosind componente discrete

Se deschide programul FilterFree și fixăm parametrii conform Fig. 4.1 pentru a proiecta un filtru trece-bandă de ordin 3 de tip Gaussian. Alegerea ordinului 3 este făcută pentru a realiza un compromis între complexitatea filtrului și calitatea sa. Cu cat ordinul filtrului este mai mare, cu atât calitatea caracteristicii de transfer este mai bună (conform Fig. 4.3), dar filtrul va fi mai complicat de realizat practic, necesitând mai multe elemente de circuit.

Fig. 4.1 – Captură de ecran din timpul folosirii FilterFree pentru proiectarea unui filtru trece-bandă de ordin 3

Fig. 4.2 – Graficul caracteristicii de transfer idealizate pentru filtrul trece-bandă de ordinul 3

Fig. 4.3 – Comparație din punct de vedere al calității caracteristicii de transfer între un filtru trece-bandă de ordin 1 (stânga) și 2 (dreapta)

Simularea în OrCad:

Fig. 4.5 – Schema bloc a filtrului trece-bandă de ordin 3

În schemă avem:

– pentru componentele a caror variație minimă are mare influență asupra variației filtrului s-au folosit combinații serie sau paralel, astfel încât variația unei componente din cadrul combinației serie sau paralel să influențeze mai puțin.

– bobina L2 și consensatorul C3 (cu cele mai mari valori) se modelează cu componente THT, deoarece modelarea acestora numai cu cablu coaxial produc distorsiuni puternice.

Există pe TME bobine mai mari de 100nH și condensatoare mai mari de 10pF.

Pentru ajustarea valorilor componentelor THT (datorate toleranței) se adaugă cablu coaxial, în serie la bobina L2 și în paralel la condensatorul C3.

Pentru modelarea bobinelor și condensatoarelor s-a folosit cablu coaxial cu următorii parametrii:

εr = 1.37

Z0 = 75 Ohm

C0 = 50 pF / m

L0 =  280 nH / m

Astfel, la “Edit Properties”, pentru fiecare cablu coaxial se trece:

G = 0;

R = 0;

C = 50pF;

L = 280nH

LEN (lungimea cablului) = este determinată folosind programul “SmithChart”

Determinarea lungimii unei componente folosind programul “SmithChart”:

De exemplu pentru bobina L1 = 14.67 nH:

Modelăm bobina L1 folosind două bobine înseriate L1A și L1B.

L1A = 11.2 nH;

L1B = 3.47nH;

Rezultă L1 = L1A + L1B = 11.2 + 3.47 = 14.67 nH;

Determinăm lungimea bobinei L1A:

La “SmithChart SetUp” punem bobina în scurt, “Load Impedance” = 0 și stabilim impedanța liniei de transmisie

Z0 = 75 Ohm.

Fig. 4.6 – Valorile în programul SmithChart

Fig. 4.7 – Aflarea impedanței în programul SmithChart

Aplicăm “Series/TLine” și pentru valoarea de 11.2 nH rezultă unghiul θ = 40o .

θ = 360∙( ) => L= θ∙

λ = ∙f0= 3∙108 / ∙0.9∙109 = 3 / (∙9 ) = 0.28478 m = 28.478 cm

Rezultă λ = 28.478 cm

L = θ∙λ /360 = 40∙28.478/360 = 3.16 cm = 31.6 mm se ajustează la 33 mm (în urma reglajului PSpice).

Se calculeză similar pentru L1B.

Un alt exemplu este pentru condensatorul C1 = 2.131 pF;

La “Smith Chart Set Up” punem condensatorul în gol “Load Impedance” = 10000 și stabilim impedanța liniei de transmisie

Z0 = 75 Ohm.

Fig. 4.8 – Valorile în SmithChart

Fig. 4.9 – Aflarea impedanței de transmisie în SmithChart

Aplicăm “Series/TLine” și pentru valoarea de 2.131 pF rezultă unghiul θ = 42o .

L = = 42 ∙ = 3.32 cm = 33.2mm se ajustează la 35 mm (în urma reglajului PSpice).

Cum s-a efectuat reglajul PSpice:

S-a folosit linie de transmisie (cablu coaxial) pentru componenta în test, restul componentelor din schemă fiind reprezentate prin bobine și condensatoare (normal).

S-a ajustat lungimea liniei până când filtrul s-a încadrat în parametrii săi (f0=900MHz, B=200 MHz).

Fig. 4.10 – Grafic analiză PSpice

Se observă valoarea amplitudinii maximă Amax = 1.5V la 900 MHz.

La 800Mhz avem A = 1.03V, iar la 1GHz avem A = 1.04 MHz

Valoarea amplitudinii la -3dB este:

A-3dB = Amax /= 1.5/1.414 = 1.06V

Rezultă că filtrul se încadrează în parametrii specificați.

Fig. 4.11 – Analiza PSpice pentru banda de frecvență de 0-10GHz

Fig. 4.12 – Schematicul realizării cablajului

Fig. 4.13 – Realizarea cablajului

Dimensiuni PCB: 4x4cm;

Dimensiuni circuit 3x3cm, grosime traseu 1 mm, diametru pad 1.6 mm.

În tehnologie microstrip

Date proiectare:

Filtru tip : Butterworth de Ordin 1

Frecvența centrală = 500MHz

Banda de trecere B = 200 MHz

Ɛ0 = 4.9

Z0 = 50 Ω

R0 = G0 = 0

Fig. 4.14 – Captură de ecran din timpul folosirii FilterFree pentru proiectarea unui filtru trece-bandă de ordin 1

Fig.4.15 – Graficul caracteristicii de transfer idealizate pentru filtrul trece-bandă de ordinul 1

Din această caracteristică se poate observa faptul că atenuarea

A -3dB = ≈ 350

ft1= 440 MHz si ft2= 640 MHz

=> B = 640 – 440 = 200 MHz (conform datelor de proiectare)

Fig. 4.16 – Comparație din punct de vedere al calității caracteristicii de transfer între un filtru trece-bandă de ordin 2 (stânga) și 3 (dreapta)

Fig. 4.17 – Schema filtrului Butterworth

Linia centrală a circuitului :

L0 = 369.2 nH/m

C0 = 147.7 pF/m

Length = ?

Z0 = 50 Ω , pentru care f = 538.4 MHz (frecvența dată de simulator).

Fig. 4.18 – Schema filtrului de ordin 1

Circuitul în scurt: Circuitul în gol :

L0 = 106.3 nH/m L0 = 135.4 nH/m

C0 = 512.6 pF/m C0 = 402.5 pF/m

Length = 33.86 mm Length = 33.86mm

Z0 = 14.40 Ω Z0 = 18.34 Ω

Proiectarea circuitului utilizând mediul de proiectare TXLINE 2003 – Microstrip

Pentru linia centrală:

Fig. 4.19 – Proiectarea liniei centrale în programul TX-Line

Avem urmatoarele dimensiuni fizice :

Lungimea circuitului = 40 mm

Lățimea circuitului = 2.6 mm

Grosime PCB = 1.5 mm

Grosimea stratului de cupru = 18 um

Pentru circuitul in scurt:

Fig. 4.20 – Proiectarea circuitului în scurt cu ajutorul programului TX-Line

Pentru circuitul în gol:

Fig. 4.21 – Proiectarea circuitului în gol cu ajutorul programului TX-Line

Simulare în OrCad:

Fig. 4.22 – Schema bloc a filtrului trece-bandă de Ordin 1

Forma și dimensiunile finale ale liniei Microstrip (cu parametrii distribuiti).

În vederea implementării acestui circuit, la cele două capete ale liniei centrale (linia a carei lungime are valoarea de 40 mm) se vor conecta câte o mufa tip BNC.

Fig. 4.23 – Cablajul final al unui filtru trece-bandă de ordin 1

Filtru trece-bandă de ordin 2

Fig. 4.24 – Proiectarea filtrului trece-bandă de ordin 2 în programul FiltreFree

Fig. 4.25 – Graficul caracteristicii de transfer a filtrului de ordin 2

b.

Fig. 4.26 – Sinteza unui filtru trece bandă Gaussian de ordin 2 folosind elemente distribuite a. primul element serie, b. primul element paralel

Fig. 4.27 – Folosirea TX-Line pentru a calcula parametrii liniilor de transmisie

Fig. 4.28 – Desenarea circuitelor proiectate anterior

Proiectarea unui filtru trece-sus

Se deschide programul FilterFree și fixăm parametrii conform Fig. 5.29 pentru a proiecta un filtru trece-sus de ordin 2 de tip Butterworth. Alegerea ordinului 2 este făcută pentru a realiza un compromis între complexitatea filtrului și calitatea sa. Cu cat ordinul filtrului este mai mare, cu atât calitatea caracteristicii de transfer este mai bună (conform Fig. 5.31), dar filtrul va fi mai complicat de realizat practic, necesitând mai multe elemente de circuit.

Fig. 4.29 – Captură de ecran din timpul folosirii FilterFree pentru proiectarea unui filtru trece sus de ordin 2

Răspunsul ideal în frecvență al filtrului proiectat în Fig. 5.29 este arătat în Fig. 5.30. Se observă că amplitudinea maximă normată este de 1 și se observă pentru frecvențe foarte mari (5GHz). La frecvența de 1GHz amplitudinea scade de la 1 la 0,7, adică cu 3 dB. Rezultă că frecvența de tăiere inferioară pentru acest filtru (frecvența la care amplitudinea scade cu 3dB) este de 1GHz.

Fig. 4.30 – Graficul caracteristicii de transfer idealizate pentru filtrul trece sus de ordinul 2

În urma acționării butonului « Synthesize filter » obținem cele două configurații de circuit din Fig. 5.32. Pentru că cele două configurații sunt identice (exceptând orientarea) rezultă că același circuit poate fi folosit fie în configurația serie-paralel, fie în cea paralel-serie, în funcție de partea unde plasăm generatorul și sarcină.

Simulări în OrCAD :

Fig. 4.33 – Proiectarea în SmithChart

Fig. 4.34 – Selectarea liniei în SmithChart

Citim valoarea unghiului pe diagrama = 24

Formula folosind lungimea de unda de 30cm (1GHz) => L=2cm

Fig. 4.35 – Schema circuitului în OrCad

Fig. 4.36 – Datele folosite pentru simulare în OrCad

Pt lungimea corecta LEN=2cm

Fig. 4.37 – Graficul simulat corect în OrCad

Comparatie lungime gresita LEN=1cm

Fig. 4.38 – Graficul simulat greșit în OrCad

Proiectarea unui filtru trece-jos

Se deschide programul FilterFree și fixăm parametrii conform Fig. x5 pentru a proiecta un filtru trece-jos de ordin 2 de tip Gaussian ce are o caracteristică de frecvență idealizată conform Fig. x6. Alegerea ordinului 2 este facută din aceleași considerente discutate anterior la secțiunea dedicată filtrului trece-sus. Cu cât ordinul filtrului este mai mare, cu atât calitatea caracteristicii de transfer este mai bună (conform Fig. x7), dar filtrul va fi mai complicat de realizat practic, necesitând mai multe elemente de circuit.

Fig. 4.39 – Captură de ecran din timpul folosirii FilterFree pentru proiectarea unui filtru trece-jos de ordin 2

Fig. 4.40 – Graficul caracteristicii de transfer idealizate pentru filtrul trece-jos de ordinul 2

Proiectarea unui filtru trece-jos de ordin 1 pe tehnologie microstrip

Deschidem Filter Design, software 100% gratuit downloadat de pe site-ul microwaves101.

Fig. 4.44 – Simularea în Tx-Line

Capacitatea introdusă de linia microstrip trebuie să fie de 80pF la frecvența de taiere de 80MHz

Fig. 4.45 – Exemplu de filtru FTJ cu parametrii geometrici exemplificați

Parametrii fixi ai plăcuței : h (grosimea plăcuței), ɛr (permitivitatea dielectrică relativă)

Parametrii reglabili ai filtrului : Len (lungimea tronsonului capacitiv) , w (lățimea tronsonului)

Rezultă că putem regla și impedanța caracteristică a tronsonului capacitiv, deoarece aceasta depinde de lățimea tronsonului, asupra căreia putem interveni în momentul proiectării și realizării filtrului.

Pentru a măsura permitivitatea dielectrică relativă (ɛr), considerăm plăcuța de cablaj imprimat drept un condensator cu aria ”S” și distanța dintre conductor ”d”.

Am obținut valorile :

R=75mm și L=100mm

C= =223pF

Fig. 4.46 – Măsurarea permitivității dielectrice

ɛr= = ∙ = 3,36 ∙ d[mm]

d[mm]=1,55mm

Fig. 4.47 – Măsurarea grosimii plăcuței PCB cu un șubler electric

Deschidem TX-Line. Setăm parametrii măsurați ai plăcii PCB : h=1,48mm și ɛr = 4,9.

Alegem ca lățimea liniei să fie w=20mm. Rezultă o linie de impedanță egală cu 10,81Ω la frecvența de 80MHz. Micsorarea lui w ar duce la creșterea lui Zc care ar conduce în schimb la micsorarea lungimii filtrului. O micsorare a lui w în schimb, ar necesita o precizie mai bună în realizarea plăcii pentru a păstra toleranța relativă a proiectării în limite rezonabile.

De exemplu, o toleranță de ±1mm în lățimea filtrului (w aparține între 19mm și 21mm) conduce la o variație a impedanței caracteristice între 11,31Ω și 10,36Ω.

Dacă în schimb avem aceeași toleranță în lățimea filtrului pentru w între 4mm și 6mm impedanța caracteristică ar varia între 38,3Ω și 28,8Ω, o variație mare care se propagă și în calculele ulterioare.

Fig. 4.48 – Comparație Tx-Line

Următorul pas este calcularea lungimii filtrului. Știm că la 80MHz capacitatea liniei-filtru trebuie să fie de aproximativ 80pF (Fig. 5.3). Aceasta semnifică o impedanță de intrare pur reactivă egală cu Zin = −j∙24,87Ω. Pe de altă parte, impedanța la intrarea unei linii de circuit terminată în gol poate fi calculată cu formula :  Zin=−jZ0 ctg(βL). Știind că impedanța caracteristică a linei este egală cu 10,81Ω, rezultă produsul βL = 0,41. Pentru calcularea lungimii de undă, respectiv a coeficientului de fază β trebuie să cunoaștem viteza de propagare a fazei prin mediul dielectric dintre fețele liniei microstrip.

Considerând w>>H, deci modul de propagare CVASI-TEM, putem considera viteza de fază ca fiind egală cu , unde c0 este viteza luminii în vid, iar ɛr este aceeasi permitivitate dielectrică relativă măsurată anterior. Rezultă așadar o lungime necesară pentru filtru de L=11cm.

SIMULARE

Pentru simularea circuitului, folosim OrCAD în care înlocuim linia de transmisie cu simbolul TLOSSY. Pentru fixarea parametrilor L și C ceruți de program (inductanța lineică L0 respectiv capacitatea lineică C0), trebuie să rezolvăm sistemul de ecuatii :

=

= Z0

În sistemul de mai sus, singurele necunoscute sunt L0 și C0. Rezolvând așadar sistemul cu valorile aflate anterior pentru impedanța caracteristică Z0 și pentru constanta dielectrică ɛr rezultă L0=80nH/m, iar C0=0.68nF/m.

Fig. 4.49 – Simulare pentru rezistența serie a generatorului egală cu rezistența de sarcină egală cu 50Ω, condițiile folosite la proiectare

Fig. 4.50 – Simularea la 80MHz

Rezultate simulare – se observă că la 80MHz (marcajul cercului) avem o cădere a amplitudinii undei în urma trecerii prin filtru egală cu 30%,adică cu 20log(354/500)=-2,99dB. Observăm că suntem foarte aproape de condițiile de proiectare (-3dB) pentru frecvența de referință de 80MHz.

Dacă am fi realizat proiectarea ținând cont de capacitatea clasică C= = 80pF => Len = 13,6cm. În acest caz, simularea circuitului arată așa:

Fig. 4.51 – Simularea circuitului ținând cont de capacitatea clasică

Abatarea față de condițiile de proiectare este de -4,2dB, față de -3dB, condiția țintă.

Proiectarea unui filtru trece-jos de ordin 1 pe bază de cablu coaxial

Modelul machetei pe care o putem folosi pentru testarea filtrelor FTJ sau FTS de ordinele 1, 2 sau 3 pe tehnologie coaxială.

Fig. 4.52 – Montaj pentru realizarea de filtre FTJ și FTS de ordinul 1-3

Vom realiza proiectarea unui filtru FTJ de ordinul 1:

Fig. 4.53 – Montaj pentru realizarea unui filtru FTJ de ordinul 1 – vedere din lateral

Singurul parametru reglabil este lungimea tronsonului capacitiv de cablu.

Parametrii fixi ai cablului : d și D (diametrele conductorilor interior și exterior), ɛr (permitivitatea dielectrică relativă)

Parametrii reglabili ai cablului : Len (lungimea tronsonului capacitiv)

Rezultă că NU putem regla și impedanța caracteristică a tronsonului capacitiv, deoarece aceasta depinde de diametrele conductorilor, asupra carora nu putem interveni în momentul proiectării și realizării filtrului.

Am ales să folosim cabluri RG6 de impedanța caracteristică egală cu 75Ω, cu dielectric de tip spuma PE de permitivitate relativă ɛr între 1,35 și 1,45.

Fig. 4.54 – TxLine

Reluăm pasul de calculare a lungimii filtrului, precum la filtrele microstrip. Știm că la 80MHz capacitatea liniei-filtru trebuie să fie de aproximativ 80pF. Aceasta semnifică o impedanța de intrare pur reactivă egală cu Zin = −j∙24,87Ω. Pe de altă parte, impedanța la intrarea unei linii de circuit terminată în gol poate fi calculată cu formula Zin=−jZ0 ctg(β∙Len). Știind că impedanța caracteristică a linei este egală cu 10,81Ω rezultă produsul β∙Len = 0,41. Pentru calcularea lungimii de undă, respectiv a coeficientului de fază β trebuie să cunoaștem viteza de propagare a fazei prin mediul dielectric dintre fețele liniei microstrip. Considerând modul de propagare CVASI-TEM și faptul că constanta dielectrică efectivă este egală cu constanta dielectrică relativă, putem considera viteza de fază ca fiind egală cu , unde c0 este viteza luminii în vid, iar ɛr este aceeași permitivitate dielectrică relativă anterioară. Rezultă așadar o lungime de undă λ egală cu 254cm și o lungime necesară pentru filtru de Len=63cm.

SIMULARE

Pentru simularea circuitului, folosim OrCAD în care înlocuim linia de transmisie cu simbolul TLOSSY. Pentru fixarea parametrilor L și C ceruți de program (inductanța lineică L0 respectiv capacitatea lineică C0) trebuie să rezolvăm sistemul de ecuații :

1/Sqrt(L0∙C0)=c0/sqrt(ɛr)

Sqrt(L0/C0)=Z0

În sistemul de mai sus, singurele necunoscute sunt L0 și C0. Rezolvând așadar sistemul cu valorile aflate anterior pentru impedanța caracteristică Z0 și pentru constanta dielectrică ɛr rezultă L0=296nH/m, iar C0=0.052nF/m. Pentru frecvențe joase, capacitatea cablului este de C0⸱Len=52pF/m∙0,63m=33pF. Din măsurători am obținut 36pF. Dacă teoria liniilor de transmisie nu ar fi corectă, atunci această capacitate nu s-ar modifica în funcție de frecvență. Rezultă că pentru cazul unei rezistente de sarcină de 50Ω, montajul nostru ar acționa ca un filtru trece jos de frecvență critică 160MHz, în loc de 80MHz, în condiții de proiectare, iar în condiții de test am obține  48% la 110MHz față de frecvențele joase:

Fig. 4.55 – Schema circuitului în OrCad

Fig. 4.56 – Simularea circuitului

Fig. 4.57 – Simulare pentru rezistența serie a generatorului egală cu rezistența de sarcină egală cu 50Ω, condițiile folosite la proiectare

Fig. 4.58 – Simulare în condițiile folosite la proiectare

Simularea circuitului în condiții de test:

Simularea la frecvențe mici (folosind pe post de sursă un generator cu rezistența internă egală cu cea a generatorului de semnal HAMEG și pe post de sarcină, un osciloscop).

Fig. 4.59 – Schema circuitului la frecvențe mici în condiții de test

Fig. 4.60 – Simularea circuitului la frecvențe mici

Simularea la frecvențe mari (folosind pe post de sursă un generator cu rezistența internă egală cu cea a oscilatorului Colpitts și pe post de sarcină un osciloscop).

Fig. 4.61 – Schema circuitului la frecvențe mari în condiții de test

Fig. 4.62 – Simularea circuitului la frecvențe mari

Proiectarea unui filtru trece-jos de ordin 3 pe cabluri coaxiale

Folosim programul FilterDesigner și selectam LPF (Low Pass Filter – filtru trece jos), tipul filtrului Butterworth (caracteristici ?), Pi-type (deoarece are nevoie de două condensatoare și o bobină) și de obicei lungimile necesare pentru a realiza capacitățile filtrului sunt mai mici decat pentru inductanțe. O să proiectăm filtrul în condițiile unei rezistențe de sarcină cât mai mare, deoarece vrem să îl putem testa pe osciloscop (care are impedanța de intrare foarte mare).

Fig. 4.63 – Captură cu programul FilterDesigner în timpul proiectării unui filtru trece-jos de ordin 3

Se observă din figură că avem nevoie de realizarea a două condensatoare de capacități 0,053nF și o bobină de inductanță egală cu 265nH. Folosim tabelul de calcul prezentat anterior și obținem o lungime egală cu 66cm pentru cablurile cu rol de condensatoare, și o lungime de 62cm pentru cablul cu rol de bobină.

Fig. 4.64 – Folosirea tabelului de calcul al lungimilor cablurilor

Verificăm circuitul proiectat în OrCAD :

Fig. 4.65 – Schema circuitului proiectat în OrCAD

Fig. 4.66 – Simularea circuitului de la figura anterioară

Simularea circuitului în condiții de test :

Fig. 4.67 – Schema circuitului în conditii de test

Fig. 4.68 – Simularea circuitului de la figura anterioară

Capitolul V

Realizarea și testarea unui filtru de microunde

Aici vom prezenta cum au fost realizate plăcuțele practice necesare acestei lucrări. Am folosit: o foarfecă, un fier de călcat, o bormașină, clorură ferică, o foaie de calendar, Tix, un burete de vase și un recipient pentru clorura ferică.

Am început să realizez plăcuța după dimensiunile date din proiectare și să o tai corespunzător, după ce dimensiunea este pregătită, am imprimat cablajul pe o foaie lucioasă de calendar și subțire.

Pasul următor este curățarea plăcuței de urme de murdărie cu un burete de vase și cu Tix. Se fixează foarte bine foaia de calendar cu cablajul pe placuță și se calcă cu fierul de calcat bine încins, aproximativ 8-12 minute.

Ultimul pas, necesită adăugarea clorurii ferice într-un recipient și plăcuța va sta la corodat aproximativ 15-20 minute. După ce se corodează placa, se curăță din nou cu Tix și cu apă pentru a rămane curată și fină, după cum puteți observa în pozele de mai jos:

Fig. 5.1 – Corodarea plăcuței

Fig. 5.2 – Curățarea plăcuței după corodare

Fig. 5.3 – Măsurarea cablului coaxial

Fig.5.4 – Mufarea cablului

Fig. 5.5 – Realizarea scurtcircuitului

Testarea unui filtru trece-jos de ordin 1 pe bază de tehnologie microstrip

Fig. 5.6 – Testarea filtrului la frecvențe joase – pasul 1

Fig. 5.7 – Testarea filtrului la frecvențe joase – pasul 2

Fig. 5.8 – Comparație între măsurătorile Fig. 5.6, respectiv fig. 5.7, la frecvența de 5MHz (fotografie a osciloscupului desaturată și inversată, date osciloscop : 5mV/div, 0.1μs/div)

Se observă că amplitudinile ambelor semnale sunt egale cu 13mV. Rezultă că atenuarea introdusă de filtru este de 0%.

Se înlocuiește generatorul de semnal din Fig. 5.6 și fig. 5.7 cu un oscilator Collpits de frecvență 110MHz.

Fig. 5.9 – Comparație intre masuratorile Fig. 5.6, respectiv fig. 5.7 la frecvența de 100MHz (fotografie a osciloscupului desaturată și inversată; date osciloscop : vertical 5mV/div, orizontal 0.01μs/div)

Se observă că amplitudinea semnalului din Fig. 5.9a este egală cu 8mV, iar a celui din Fig. 5.9b este egală cu 3mV. Rezultă că atenuarea introdusă de filtru pentru frecvența de 110MHz este egală cu aproximativ -8,5dB.

Simularea circuitului în condiții de test :

Notă – rezistențele interne ale generatorului Hameg și ale oscilatorului Colpitts (sursele noastre de semnal) au fost măsurate după un procedeu simplu :

Fig. 5.10 – Schema în OrCad

Am folosit pe rând două Rk diferite R1 și R2, și un semnal sinusoidal constant de amplitudine Vs. Am măsurat cele două semnale (pe cele două sarcini diferite) pe osciloscop și am calculat Rs folosind relația :

Rs

Am obținut folosind acest procedeu o rezistență serie de 45Ω pentru generatorul Hameg funcționând la 5MHz, și o rezistentă serie de 80Ω pentru oscilatorul Colpitts la 110MHz, rezultate pe care le-am folosit în simularile OrCAD.

Fig. 5.11 – Caracteristica de frecvență – simulare pentru frecvente mici 0-10MHz

Se observă o scădere a amplitudinii de aproximativ 1,25% la 5MHz, cf cu măsurătorile (fig. 5.14). Această scădere este cu atât mai mică cu cât rezistența serie a sursei de tensiune e mai mică. Pentru că am folosit o sursă de semnal cu rezistența generatorului de doar 45Ω, scăderea amplitudinii este în urma unei noi serii de simulari și mai mică, de aproximativ 0,4%, precum în figura de mai jos.

Pentru frecvențe mici, atenuarea este atât de mică încât nu putem practic distinge între rezultatele experimentale și cele simulate.

Fig. 5.12 – Caracteristica de frecvență – simulare pentru frecvențe mari 0-150MHz

Fig. 5.13 – Rezistența serie a generatorului este aleasă de 80Ω, deoarece folosim oscilatorul Collpits pentru frecvențe mari, iar acesta are o rezistență serie măsurată de 80Ω pentru aceste frecvențe

5.14 – Se observă o scădere a amplitudinii de aproximativ -13dB, apropiată de valoarea obținută prin măsurători, marcată cu roșu pe figura de mai sus

Toleranțe și surse de erori

Dacă ɛr=4 => Z0=12Ω. => L0=80nH/m, C0=0,55nH/m => u(110MHz)=260mV => A=-11,7dB

Dacă ɛr=6 => Z0=9,8Ω. => L0=80nH/m, C0=0,83nH/m => u(110MHz)=170mV => A=-15,4dB

Dacă h=1mm => Z0=7,6Ω. => L0=56nH/m, C0=0,97nH/m => u(110MHz)=150mV => A=-16,5dB

Dacă h=2mm => Z0=14Ω. => L0=103nH/m, C0=0,52nH/m => u(110MHz)=270mV => A=-11,4dB

Dacă ɛr=4 si h=2mm => Z0=15,5Ω. => L0=103nH/m, C0=0,43nH/m => u(110MHz)=330mV => A=-9,6dB

Dacă ɛr=4, h=2mm si f=100MHz => u(100MHz)=370mV => A=-8,6dB

În condițiile cele mai defavorabile, cele care ar justifica abaterea în condiții de test, dar simulate în condiții de proiectare:

Fig. 5.15 – Atenuare(80MHz)= -1,43dB fata de -3d

Testarea unui filtru trece-jos de ordin 1 pe cablu coaxial

Fig. 5.16 – Testarea filtrului – pasul 1

Fig. 5.17 – Montaj pentru testarea unui filtru FTJ de ordinul 1 – vedere de sus

Simulare în condiții de test :

Simularea la frecvențe mici (folosind pe post de sursă un generator cu rezistența internă egală cu cea a generatorului de semnal HAMEG și pe post de sarcină un osciloscop).

Fig. 5.18 – Schema circuitului la frecvențe mici în condiții de test

Fig. 5.19 – Simularea la frecvențe mici

Simularea la frecvente mari (folosind pe post de sursă un generator cu rezistența internă egală cu cea a oscilatorului Colpitts și pe post de sarcină un osciloscop).

Fig. 5.20 – Schema circuitului la frecvențe mari în condiții de test

Fig. 5.21 – Simularea la frecvențe mari

Testarea unui filtru trece-jos de ordin 3 pe cablu coaxial

Tabel. 5.1 – Valorile măsurătorilor pentru caracteristica filtrului

Fig. 5.22 – Fotografiile cu osciloscopul în timpul măsurătorilor pentru caracteristica filtrului

Fig. 5.23 – Comparație între măsurătorile pe filtrul de ordinul 3 realizat din cabluri coaxiale și simulările pe filtrul proiectat

Fig. 5.24 – Montajul final fără filtrul

Fig. 5.25 – Montajul final cu filtrul cu cabluri TV

Capitolul VI

CONCLUZII

Filtrele de microunde sunt blocuri esențiale în sistemele de comunicare. Aceste filtre pot reduce emisiile armonice și parazite pentru emițătoare și îmbunătățesc respingerea interferențelor pentru receptoare.

Filtrele microstrip, joacă roluri importante în multe aplicații cu microunde.

Cablurile coaxiale sunt neapărat necesare pentru a funcționa eficient, ca o linie de transmisie pentru semnale de bandă largă și sunt folosite pentru semnale de frecvență radio.

Principala funcție a unui filtru de microunde este de a limita lățimea de bandă a semnalului de ieșire a benzii alocate pentru transmisie.

Sunt foarte multe programe software care pot fi utilizate pentru realizarea și proiectarea unui filtru, dar cele mai folosite sunt: Filter Free (aplicație freeware pe care am folosit-o pentru proiectarea filtrelor ce lucrează în domeniul microundelor), diagrama Smith ( fiind cel mai utilizat instrument pentru descrierea liniilor de transmisie), programul Tx-Line ( l-am utilizat pentru a afla influența grosimii dielectricului asupra impedanței caracteristice a liniei).

După analiza simulărilor din capitolul 3, am observat cum este influențată impedanța caracteristică a unei linii de transmisie microstrip în funcție de paramentrii constructivi.

După măsurarea parametrilor plăcuței, am obținut două tipuri de filtre, în funcție de tipul de geometrie (serie și paralel).

Un avantaj important este faptul că macheta cu mufe de TV, permite o flexibilitate ridicată. Studenții pot crea pe baza ei, filtre de ordin 1,2 și 3 de tip FTJ și FTS.

Filtrele pe bază de cablul TV reprezintă o inovație în laboratoarele de microunde.

După toate laudele aduse acestor filtre avem și un mic dezavantaj, filtrele microstrip sunt ușor de realizat, fiind foarte mici ca și dimensiune, dar sunt rigide, asta înseamnă că studenții nu vor putea modifica frecvența de tăiere a acestora.

BIBLIOGRAFIE

Cărți:

[1] G. Matthaei, L. Young, and E. M. T. Jones, Microwave Filters,Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures. Boston, MA: Artech House, 1980

[2] Kai Chang, Lung-Hwa Hsieh, Microwave Ring Circuits and Related Structures, 2th Edition, Wiley, 2004

[3] David M. Pozar, Microwave Engineering, 4th Edition, Wiley, 2012

[4] Macliucov, M .I. Inzhenernyj sintez activnyxfil’trov RC nizkix chyastot. Izdatel. ENERGIYA, Moscova, 1998

Pagini web :

[5] http://www.scientia.ro/tehnologie/39-cum-functioneaza-lucrurile/1162-spectrul-electromagnetic-1-introducere.html

[6] http://www.scientia.ro/tehnologie/tehnologie/2546-microundele-utilizare-si-efecte.html

[7] http://www.creeaza.com/tehnologie/electronica-electricitate/Filtru-trecebanda793.php

[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Microwave

[9] https://ro.wikipedia.org/wiki/Radiație_electromagnetică

[10] http://home.sandiego.edu/~ekim/e194rfs01/filterek.pdf

[11] https://www.microwaves101.com/encyclopedias/filters

[12] https://en.wikipedia.org/wiki/RF_and_microwave_filter

[13] http://www.rfcafe.com/vendors/components/filters.htm

[14] https://www.microwaves101.com/downloads/MYJ%20part%201.pdf

[15] https://www.scribd.com/document/50795552/3-Bandpass-Microstrip-Filters

[16] http://www.tc.etc.upt.ro/docs/cercetare/carti/Filtre.pdf

[17]http://www.referatele.com/referate/fizica/online6/Proiect-MICROUNDE–dispozitive-cu-microunde-Generatoare-de-microunde-Proiectarea-ganeratorului-cu-m.php

[18] https://www.cablewholesale.com/support/technical_articles/coaxial_cables.php

Alte surse :

[19] Adrian Iordăchescu, Îndrumar laborator Circuite de microunde, Lucrarea nr. 3, http://upit.eu5.org/Laboratoare/CM3.pdf

[20] Adrian Iordăchescu, Îndrumar laborator Circuite de microunde, Lucrarea nr. 2, http://upit.eu5.org/Laboratoare/CM2.pdf