RLC-Bandpassfilter

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Beschreibung

Eine RLC-Schaltung ist eine elektrische Schaltung, die aus einer Anzahl von Widerständen, Induktivitäten und Kondensatoren besteht. Es gibt mehrere Anwendungen für diese Art von Schaltungen. Einige der wichtigsten sind Oszillatoren, Tuner von Radioempfängern und Fernsehgeräten und natürlich Filter. Mit RLC-Schaltungen werden auch Bandpass- und Bandsperrfilter erzeugt.

Das RLC-Filter wird normalerweise als Schaltung zweiter Ordnung bezeichnet, was bedeutet, dass die Schaltungsparameter wie Spannung und Strom in durch eine Differentialgleichung zweiter Ordnung beschrieben werden können. Ein Problem, das beim Entwerfen solcher Filter auftritt, ist der vom Induktor gezeigte Widerstand. Da die Induktoren aus Drähten bestehen, weisen sie einen unerwünschten Widerstand auf, der sich erheblich auf die Leistung der Schaltung auswirken kann. Aus diesem Grund ist es immer eine gute Idee, solche Konfigurationen während des Entwurfs vor Ort zu analysieren. Mit HFWorks kann der Entwickler solche Schaltungen simulieren, indem er entweder die Werte der in den Schaltungen verwendeten konzentrierten Elemente angibt oder die tatsächliche Spule modelliert.

Dieses Tutorial konzentriert sich auf ein RLC-Filter, das aus konzentrierten Elementen zusammen mit Mikrostreifenleitungen besteht und von der Fähigkeit von HFWorks profitiert, beide Arten von Simulationen zu mischen: Schaltkreis- und 3D-Modelle in einer einzigen Studie. Das Bandpassfilter arbeitet bei 1 GHz mit einer Bandbreite von 10%.

Abbildung 1 - 3D-Ansicht eines RLC-Filters

Simulation

Um das Verhalten dieses Filters zu simulieren (Einfügung und Rückflussdämpfung im gewünschten Frequenzband, Eingangs- und Ausgangsanpassung), erstellen wir eine Studie mit Streuparametern und geben das relevante Frequenzband an, in dem der Filter arbeitet (in unserem Fall 21 Frequenzen einheitlich) verteilt von 1,8 GHz bis 3,8 GHz).

Die simulierte Studie bietet mehrere Auswahlmöglichkeiten und Darstellungsoptionen, um die ausgegebenen Ergebnisse an die Absicht des Benutzers anzupassen.

Körper und Materialien

Die Mikrostreifenleitungen (Leiter und Erdmetalle) sollen perfekte elektrische Leiter sein, die auf einem Mat1-Substrat aufgebaut sind. RLC-Komponenten sind an drei Abschirmungen modelliert und es wurden die folgenden Induktivitäts- und Kapazitätswerte gewählt: 127 nH bzw. 0,2 pF für die Abschirmungen in der Nähe der Ports. Die parallele Abschirmung hat folgende Werte: 0,726 nH und 34,9 pF werden als parallele RLC-Schaltung implementiert.

Eingabegrößen und Randbedingungen

Die Anschlüsse werden an den Seitenflächen des Substrats (den Seiten der horizontalen Mikrostreifenleitung mit den beiden RLC-Abschirmungen) und der Luftbox angebracht. Auf diese Weise berücksichtigt die Simulation die Verteilung des elektrischen Feldes in der Luft und die Strahlungsgrenzen würden die Ergebnisse der Quasi-TEM-Theorie der Wellenübertragung über eine Mikrostreifenleitung bequemer liefern.

Vernetzen

Da der Signalpfad den Port und die In-Signaloberflächen impliziert, muss sich das Mesh auf diese Teile konzentrieren. Durch das Vernetzen dieser Oberflächen kann der Solver die Präzision der Wirbelteile optimieren und die Form des Pfades berücksichtigen.

Abbildung 2 - Mesh der Dipolantenne

Ergebnisse

Abhängig von der Art der Aufgabe und dem Parameter, an dem der Benutzer interessiert ist, stehen verschiedene 3D- und 2D-Diagramme zur Verfügung. Da es sich um eine Filtersimulation handelt, klingt das Zeichnen der Einfüge- und Rücklaufverluste wie eine intuitive Aufgabe. Die folgende Abbildung zeigt sowohl die Einfügungs- als auch die Rückführungsverluste des betrachteten Filters:

Abbildung 3 - Einfügungs- und Rückflussdämpfung des Filters um 1 GHz

Die Einfügungsdämpfung scheint innerhalb des Frequenzbandes um 1 GHz sehr gering zu sein und ergibt eine gute Isolation unter 0,94 GHz und über 1,06 GHz. Die Darstellung des Ertragsverlusts in einem Smith-Diagramm ist relevanter, wenn es um Übereinstimmungsprobleme geht. Zu diesem Zweck zeigt die folgende Abbildung die S11-Kurve zusammen mit einer roten Markierung, die die Rückflussdämpfung bei 1 GHz zeigt.

Abbildung 4 - Variationen des Reflexionskoeffizienten am Filteranschluss

Die Verteilung des elektrischen Feldes bei 1 GHz ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Man erkennt deutlich, dass die elektromagnetische Welle durch den Stromkreis geht und den zweiten Anschluss erreicht.

Abbildung 5 - Verteilung der elektrischen Feldvektoren auf der Schaltung bei der Zielfrequenz (1 GHz und 0,83 GHz)