Моделирование несимметричной микрополосковой линии передачи и коаксиального волновода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование несимметричной микрополосковой линии передачи и коаксиального волновода

Теоретическое описание анализируемой линии передачи

Микрополосковая линия - несимметричная полосковая линия передачи, для передачи электромагнитных волн в воздушной или, как правило, в диэлектрической среде, вдоль двух или нескольких проводников, имеющих форму тонких полосок и пластин.

Линии получили название микрополосковые, т.к. в результате высокой диэлектрической проницаемости подложки её толщина и поперечные размеры полосы много меньше длины волны в свободном пространстве.

Несимметричная полосковая линия передачи или микрополосковая линия (рис. 1) представляет собой полосковую линию, у которой проводник (1) отделен от общей металлизации (3) слоем диэлектрика (2). Такая линия легко изготавливается c использованием современных технологических процессов, имеет малые габариты, низкую стоимость при серийном производстве, высокую надежность. Распределение линий напряженности электрического и магнитного полей показано на рис. 1. Несмотря на очевидную простоту конструкции, точный анализ характеристик микрополосковой линии, имеющей неоднородную диэлектрическую среду, достаточно сложен. Характеристики линии рассчитываются, как правило, в предположении о распространении квази Т-волны. Строго говоря, в линии распространяется смешанная волна, обладающая заметной дисперсией, что обусловливает изменение ее параметров от частоты. Точное определение частотно-зависимых параметров возможно при решении краевой задачи численными методами на ЭВМ.

Основным достоинством микрополосковой линии и различных устройств на её основе считается возможность автоматизации производства с применением технологий изготовления печатных плат, гибридных и плёночных интегральных микросхем. Основной недостаток, ограничивающий применение, - возможность применения только при малых и средних уровнях мощности СВЧ колебаний.

Процесс построения модели

Исходные данные:

Материал диэлектрика - RO4003

Относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, е - 3.38

Толщина диэлектрика, мм - 0,203

Толщина металлизации, мм - 0,018

Частота, ГГц - 1

Определяем габаритные размеры линии с помощью программы AppCad:

При выборе габаритных размеров волновое сопротивление должно быть примерно равно 50 Ом.

Получив необходимые данные можем приступать к построению модели. Для этого воспользуемся программой CST MICROWAVE STUDIO.

1) Строим диэлектрическую подложку:

2) Строим нижнюю металлизацию:

3) Строим Верхний металлический проводник:

После построения самой модели можно приступать к установке портов.

Для их правильного позиционирования будем руководствоваться данной схемой:

Стоит учесть, что порт не должен затрагивать нижнюю металлизацию так-же, модель должна быть шире самого порта.

4) Устанавливаем первый порт:

5) Устанавливаем второй порт:

6) Убеждаемся, что поры направленны внутрь модели:

Порт 1:

Порт 2:

Наша модель полностью собрана, можно приступать к настройке процесса моделирования:

7) Устанавливаем значения частоты для сигнала с шириной полосы 1ГГц от заданного (задано 1 ГГЦ):

8) Выбираем материал окружения:

9) Устанавливаем граничные условия:

10) Устанавливаем мониторы электрического (E-filed) и магнитного (H-filed) полей:

Настройки завершены можно запускать сам процесс моделирования:

11) Запуск процесса моделирования:

12) Идёт процесс моделирования:

13) Моделирование завершено:

Результаты моделирования

Завершив построение модели можно приступать к анализу результатов моделирования:

1) Отображение во времени входящего (i1, красный) в модель и выходящего из модели (o2,1, синий) сигналов, а также отображение отражённого сигнала вернувшихся в первый порт (o1,1, зеленый):

На рисунке можно видеть, что входящий и выходящий сигналы практически совпадают по амплитуде и задержаны друг относительно друга на время распространения волны по модели, а амплитуда отраженного сигнала крайне мала.

2) Анализ S-параметров в выбранной полосе частот:

График показывает, что коэффициент отражения S11 (анализируется сигнал, поданный в модель из первого порта и вернувшийся обратно) меньше -40 dB, а коэффициент передачи S21 (анализируется сигнал, поданный в первый порт и дошедший до второго порта через модель) близок к нулю во всей полосе частот.

3) Визуализация силовых линий электрического и магнитного полей волны:

Электрические линии:

Магнитные линии:

4) Определяем тип волны и реальное волновое сопротивление:

Тип волны: квази Т-волна

Волновое сопротивление: 43.44 Ом

5) Производим оценку значений КСВ в заданной полосе частот:

Прежде всего удалим предыдущие результаты, и при повторном моделировании произведем полный расчёт S-параметров во временной области:

Далее запускаем расчёт зависимости КСВ от частоты получаем соответствующий график:

микрополосковый передача электромагнитный волна

Выводы по результатам моделирования

С помощью программы CST Studio SUITE удалось построить модель микрополосковой линии, а так-же смоделировать процессы происходящие в ней. Результаты моделирования совпадают с выше приведённой теорией. Программа определила тип волны и реальное волновое сопротивление модели.

Благодаря визуализации происходящих в модели процессов можно убедится в том, что траектория движения силовых линий электрического и магнитного полей волны, распространяющейся в модели, соответствует теоретическому описанию.

2. Моделирование коаксиального волновода

Теоретическое описание анализируемой линии передачи

Коаксиальная линия (Рис. 1) является направляющей системой закрытого типа, состоящей из двух соосных проводников, изолированных друг от друга. Применяются для передачи энергии очень высоких частот.

Главным преимуществом является то, что при правильном подсоединении генератора и нагрузки (при необходимости - через балансные трансформаторы) все поля заключены в области между двумя проводниками. Таким образом они полностью изолированы от электрических и магнитных полей или от напряжений и токов соседних линий. Поэтому несколько таких линий с токами одной и той же или разных высоких частот могут группироваться без заметного влияния друг на друга.

Коаксиальные кабели чрезвычайно широко используются для передачи телевизионных сигналов из одного места в другое. На рис. 2 показано распределение электрического и магнитного полей внутри коаксиального кабеля. Электрическое поле в нем радиальное, а магнитное поле концентрическое. По внутреннему и внешнему проводам текут равные, но противоположные по фазе токи. Вследствие так называемого поверхностного эффекта (скинэффекта), особенно заметного на высоких частотах, ток течет только в поверхностном слое проводника. В концентрическом кабеле он проходит по внешней поверхности внутреннего провода и внутренней поверхности внешнего провода, определяя соответствующую картину электрического и магнитного полей.

Процесс построения модели

Исходные данные:

Материал диэлектрика - Free Space, Vacuum

Относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, е -1

Внутренний диаметр оплётки, мм -1,63

Толщина оплётки, мм -0,3

Частота, ГГц -1

Определяем габаритные размеры линии с помощью программы AppCad:

Благодаря особенностям данной программы габариты модели можно определить сразу, задав сопротивление 50 Ом.

Получив необходимые данные можем приступать к построению модели. Построение будет так-же осуществляется в программе CST MICROWAVE STUDIO.

1) Строим внутренний проводник:

2) Строим внешнюю оплётку:

3) Строим диэлектрик:

4) Устанавливаем порты используя данный образец:

Не забываем, что порты должны смотреть внутрь модели.

Порт 1:

Порт 2:

Наша модель полностью собрана, можно приступать к настройке процесса моделирования:

5) Устанавливаем значения частоты для сигнала с шириной полосы 1ГГц от заданного (задано 1 ГГЦ):

6) Вбираем материал окружения

7) Устанавливаем граничные условия:

8) Устанавливаем мониторы электрического (E-filed) и магнитного (H-filed) полей:

Настройки завершены можно запускать сам процесс моделирования:

9) Запуск процесса моделирования:

10) Идёт процесс моделирования:

11) Моделирование завершено:

Результаты моделирования

Завершив построение модели можно приступать к анализу результатов моделирования:

1) Отображение во времени входящего (i1, красный) в модель и выходящего из модели (o2,1, синий) сигналов, а также отображение отражённого сигнала вернувшихся в первый порт (o1,1, зеленый):

На рисунке можно видеть, что входящий и выходящий сигналы практически совпадают по амплитуде и задержаны друг относительно друга на время распространения волны по модели, а амплитуда отраженного сигнала крайне мала.

2) Анализ S-параметров в выбранной полосе частот:

График показывает, что коэффициент отражения S11 (анализируется сигнал, поданный в модель из первого порта и вернувшийся обратно) меньше -45 dB, а коэффициент передачи S21 (анализируется сигнал, поданный в первый порт и дошедший до второго порта через модель) близок к нулю во всей полосе частот.

3) Визуализация силовых линий электрического и магнитного полей волны:

Электрические линии:

Магнитные линии:

4) Определяем тип волны и реальное волновое сопротивление:

Тип волны: ТЕМ волна

Волновое сопротивление: 50.3 Ом

5) Производим оценку значений КСВ в заданной полосе частот:

Прежде всего удалим предыдущие результаты, и при повторном моделировании произведем полный расчёт S-параметров во временной области:

Далее запускаем расчёт зависимости КСВ от частоты получаем соответствующий график:

Выводы по результатам моделирования

С помощью программы CST Studio SUITE удалось построить модель коаксиального волновода, а так-же смоделировать процессы происходящие в нём. Результаты моделирования совпадают с выше приведённой теорией. Программа определила тип волны и реальное волновое сопротивление модели.

Благодаря визуализации происходящих в модели процессов можно убедится в том, что траектория движения силовых линий электрического и магнитного полей волны, распространяющейся в модели, соответствует теоретическому описанию.

Размещено на Allbest.ru