Расчёт усилителя мощности
Содержание
Введение
1 Анализ требований
задания на курсовой проект
1.1 Задание на курсовую работу1.2 Назначение
и основные характеристики
|
|
Введение
Введение
Фильтр – четырехполюсник, затухание которого мало в заданной полосе «полоса пропускания» и велика на всех других частотах вне этой полосы «полоса заграждения». Большое затухание в полосе заграждения создается за счет поглощения и отражения энергии подводимых сигналов.
При реализации СВЧ-фильтров в качестве элементов, соответствующих емкостям, индуктивностям и резонансным контурам используют диафрагмы, штыри, резонаторы, отрезки линии передачи различной длины. В данной курсовой работе СВЧ – фильтр будет реализовываться на резонаторах. В качестве фильтра–прототипа целесообразно использовать ступенчатый переход, что максимально упрощает процедуру расчета фильтра.
1 Анализ требований задания на курсовой проект
1.1 Задание на курсовую работу
Определить электрические и конструкционные параметры полоскового полосно-пропускающего фильтра с Чебышевской частотной характеристикой.
Таблица 1 – Данные для расчета
Название величины |
Значение |
Потери в полосе пропускания, дБ |
1 |
Потери на границе полосы заграждения, дБ |
15 |
Центральная рабочая длина волны, мм |
30 |
Относительная полоса пропускания, % |
15 |
Относительная полоса пропускания по заданному уровню заграждения, % |
40 |
Волновое сопротивление подводящих линий, Ом |
75 |
1.2 Назначение и основные
характеристики
Фильтр – это четырехполюсник, затухание которого мало в заданной полосе (полоса пропускания) и велико на всех других частотах вне этой полосы (полоса заграждения). Большое значение затухания в полосе заграждения создается за счет поглощения и отражения энергии подводимых сигналов.
К числу основных параметров фильтров относятся полоса пропускания, полоса заграждения, средняя частота, коэффициент затухания в полосе пропускания, коэффициент затухания в полосе заграждения, крутизна частотной характеристики, коэффициент отражения от входа к выходу, форма и размеры сечения линий передачи, в которую включается фильтр.
Полосно-пропускающий фильтр с Чебышевской характеристикой – это фильтр пропускающий сигнал в пределах заданной полосы (полоса пропускания) и подавляющий сигнал вне этой полосы, причем затухание в пределах этой полосы сложным образом зависят от частоты.
Чебышевская характеристика полосно-пропускающего фильтра изображена на рисунке 1:
- f-п, fп – граница полосы пропускания
- f-з, fз – граница полосы заграждения по заданному уровню заграждения
- ап, аз – потери в полосе пропускания и на границе полосы заграждения
- f0 – центральная рабочая частота (средняя частота рабочего диапазона частот)
f0 = с/l, |
(1.1) |
где с – скорость света, равная 3·108 м/с
l - рабочая длина волны, мм
f0 = 3·108 /30·10-3 = 10 (ГГц) |
Wп = fп–f-п/f0 = 0,15 – относительная полоса пропускания
Wз = fз–f-з/f0 = 0,40 – относительная полоса пропускания по заданному уровню заграждения.
Приведем пример Чебышевской частотной характеристики фильтра.
Рисунок 1 – Чебышевская характеристика полосно-пропускающего фильтра
2 Выбор конструкций
и электрический расчет
2.1 Методы
проектирования полосно-
Широкое распространение при синтезе СВЧ фильтров получил метод прототипных схем, в основе которого лежит реализация элементов СВЧ фильтров по табулированным параметрам элементов прототипной схемы. Различают низкочастотные прототипные схемы (на элементах со сосредоточенными параметрами) и СВЧ прототипные схемы (на элементах с распределенными параметрами).
Полосно-пропускающий фильтр с Чебышевской характеристикой соответствует прототипному фильтру нижних частот из n элементов с сосредоточенными параметрами. На основе схемы прототипного фильтра нижних частот можно рассчитать только приближенно, причем приближение полученных этим способов значений весьма близко к истинным. Более точный метод проектирования ППФ на связных линиях основан на использовании ступенчатых переходов в качестве прототипных схем.
Так как значение не требует высокой степени точности расчета, то можно использовать приближенный метод расчета.
Структурная схема фильтра показана на рисунке 2.
Рисунок 2 – Схема внутреннего проводника ППФ на связных линиях
Достоинством таких фильтров на параллельно связных резонаторах являются малые габаритные размеры, относительно большие расстояния между резонаторами, что обеспечивает их производство и повышает электрическую прочность частотной характеристики.
Полосовые фильтры на связных резонаторах весьма чувствительны к технологическим допускам. Так отклонение толщины подложки h от расчетной вызывает возрастание вносимых потерь и изменение полосы пропускания, а изменение диэлектрической проницаемости подложки приводит к изменению центральной частоты фильтра относительно расчетного значения. Указанная чувствительность к допускам повышается при уменьшении полосы пропускания фильтра.
Затухание фильтра в полосе пропускания тем меньше, чем выше собственная добротность и чем меньше число звеньев. Крутизна частотной характеристики фильтра тем выше, чем больше число звеньев и выше собственная добротность резонаторов. Длина каждого звена фильтра должна быть соответствующим образом скорректирована (укорочена) из-за влияния емкости разомкнутых концов.
2.2 Электрический расчет ППФ
Расчет электрических параметров фильтра начнем с нахождения числа элементов прототипного фильтра нижних частот. Число элементов фильтра определяется по формуле:
, |
(2.1) |
где Wп и Wз – относительные полосы пропускания прототипного ступенчатого перехода
, |
(2.1) |
Полученное значение округляем до ближайшего целого, получим n = 3.
Число каскадносоединенных звеньев фильтра на связных линиях равно n+1 = 4
Находим значение элементов qi для относительной полосы прототипа:
q1 = q4 = 13,670
q2 = q3 = 138,02
Определим величину переходных затуханий (Дб) связных звеньев согласно [1]:
, |
(2.2) |
С1 = С4 = 11,664 (Дб)
С2 = С3 = 21,430 (Дб)
По данным электрического расчета определяем конструктивные размеры элементов фильтра, графики рисунок. Результаты приведены в таблице 2.
Ширина оконечных 75-омных полосок находится:
b0/h = b5/h = 0,65
Тогда: b0 = b5 = 0,65·1 = 0,65 (мм)
Таблица 2 – Результаты расчетов
Сi |
С1 = С4 = 11,664, Дб |
С2 = С3 = 21,430, Дб |
bi/h |
0,862 |
0,987 |
si/h |
0,420 |
1,900 |
bi, мм |
0,862 |
0,987 |
si, мм |
0,420 |
1,900 |
Zi, Ом |
65 |
62 |
0,47 |
0,46 | |
li, мм |
4,23 |
4,23 |
3 Расчет потерь в фильтре
Величину активных потерь в фильтре на средней частоте полосы пропускания можно определить по формуле:
|
(3.1) |
В эту формулу входят значения элементов qi фильтра – прототипа нижних частот, которые берем из таблицы 3.1 [1] для ап = 1 дБ и n=3:
q1 = q3 = 1,49
q2 = 1,118
|
Величину Q0 – ненагруженную добротность центрального резонатора определим по формуле:
|
(3.2) |
Величину QR берем из графика рисунок, а множитель η находим по формуле для z = 75 Ом, εэфф = 4,73, h = 0,1 см, λ = 30 мм (f0 = 10 ГГц):
|
(3.3) |
Справедливо при условии:
Условие выполняется: 0,614 << 1,57
Тогда η = 0,99
QR = 0,1·2400· = 759
Получаем: Q0 = 759·0,99 = 751,41
Тогда, согласно (3.1) активные потери на средней частоте полосы пропускания равны:
дБ.
4 Расчет предельной
постоянной и предельной
Согласно, максимальная мощность, которую можно передать через поперечное сечение полоскового волновода определяется по формуле:
, |
(4.1) |
где Емакс – максимальная напряженность поля, Емакс = 1,5·106 В/м;
d – высота подложки;
Δ/d – отношение толщины проводника к высоте подложки;
rB – корень трансцендентного уравнения 1.13 [ 1 ].
|
Мощность пробоя определяется как:
, |
(4.2) |
где Епр – напряженность электрического поля для промежутка между плоскими электродами. При нормальном атмосферном давлении Епр = 3·106 В/м;
, |
5 Выбор материала подложки ППФ
Для изготовления полосковых схем часто используют, в качестве подложки, неорганические диэлектрики. К диэлектрическим материалам предъявляются требования малых диэлектрических потерь, высокой механической прочности, высокой допустимой рабочей температуры, формоустойчивости, хорошей обрабатываемости, пригодности для соединения с другими диэлектриками и металлами высокой теплопроводности [2].
Материалы металлизируются
Наилучшими характеристиками (повторяемость параметров серии, потери на СВЧ, теплопроводность и т.п.) обладают подложки из материалов содержащих 98-100% окиси алюминия, поликор 99.7%, сапфирит 98%, ГМ 99.6%, А-995 99.8%, керамические материалы. Для подложки нашего фильтра выбираем поликор [3].
Таблица 3 – Основные электрические параметры поликора
Наменование величины |
Значение |
Относительная диэлектрическая проницаемость |
9.6…9.8 |
Тангенс угла диэлектрических потерь tgd на частоте 10ГГц |
(0.2…0.5)10-4 |
|
Электрическая прочность, кВт/мм |
20…25 |
6 Выбор конструкционного материала
Лишь тонкий слой используемого в конструкции материала влияет на электрические параметры СВЧ – устройств, а основная масса материала обеспечивает механическую прочность и надежность.
К этой конструкции части материала предъявляют требования высокой механической прочности, формоустойчивости, малой плотности, немагнитности, возможности изготовления деталей сложной формы, низкой стоимости.
В качестве конструкционных материалов могут быть выбраны любые металлы (серебро, золото, платина, никель, алюминий, хром и др.), допускающие обработку поверхности по высокому классу точности и последующее покрытие металлами с высокой проводимостью. Предел прочности при отрыве проводника от основания – не менее 1…3МПа [2]. Мы выбираем в качестве конструкционного материала – хром металлической марки ЭРХ.
Таблица 4 – Основные характеристики хрома
Наименование величины |
Значение |
r (на постоянном токе при 20°С), Ом ×м 106 |
0.13 |
s×107, См/м |
0.77 |
ТКЛР, °С-1 |
6.2 |
Температура плавления, °С |
1900 |
7 Выбор проводникового материала
В конструкциях – СВЧ устройств токи протекают лишь по поверхности металла, обращенной к СВЧ – полю. Таким образом лишь тонкий слой используемого в конструкции материала влияет на электрические свойства устройств [2].
В качестве проводникового материала выбираем медь, медную рулонную фольгу ГОСТ 5638-75, изготовленную из меди марки М1 (содержание меди 99.9%) и имеющую толщину 0.015…0.05мм и ширину 20…150мм [3].
Медь отличается высокой электро- и тепло- проводностью, хорошей теплостойкостью, относительной дешевизной.
Таблица 5 – Основные характеристики меди
Наименование величины |
Значение |
r (на постоянном токе при 20°С), Ом ×м 106 |
0.0172 |
s×107, См/м |
5.9 |
ТКЛР, °С-1 |
16.6 |
Температура плавления, °С |
1083 |
ТКС, °С-1 |
0.0039 |
Выводы
В ходе выполнения курсовой работы были
определены электрические и конструкционны
Список используемой литературы
1. "Конструирование и расчет полосковых устройств", под. ред. проф. И.С. Ковалева. М., "Сов. радио", 1974 г.
2. "Конструирование экранов и СВЧ устройств" учебник для вузов под редакцией А.М. Чернушенко
3. "Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств" под редакцией В.И. Вольмана.
4. Малорацкий Л.Г., Явич Л.Р. «Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях», М.: «Советское радио», 1972г.
5. Белкин М.К., Белинский В.Т., Мазор Ю.А. «Справочник по учебному проектированию приемно-усилительных устройств», К.: Высшая школа, 1988г.
