Курсова Робота на тему:
"ФНЧ" - Фільтр низької частоти
Зміст
Введення
1. Аналіз технічного завдання
2. Розрахунок електричних параметрів елементів схеми
3. Вибір корпусу
Висновок
Список літератури
Введення
Основним призначенням фільтрів є придушення одних частотних складових сигналу і пропускання інших. Частотна характеристика фільтра є крива залежності загасання в ньому від частоти.
Фільтри нижніх частот мають характеристику загасання, показану на рис. 1. Для розрахунку ФНЧ НВЧ діапазону зазвичай використовують метод порівняння з фільтрами-прототипами нижніх частот з елементів з зосередженими параметрами. Це дозволяє скористатися широко табульований значеннями елементів нормованих за частотою фільтрів з Чебишевськими або максимально плоскими характеристиками і зовсім не торкатися складних питань синтезу фільтрів.
Рис. 1. Частотна характеристика ФНЧ.
Для кращого збігу значень розподілених і зосереджених елементів довжини відрізків лінії і
повинні бути менше або дорівнювати
. Тут
і
довжини відрізків, апроксимуючих індуктивність і ємність відповідно;
- Довжина хвилі в Полоскова хвилеводі з діелектриком, відповідна частоті зрізу фільтра.
Струмонесуча смужка НВЧ фільтра нижніх частот зображена на рис. 2. Послідовні відрізки хвилеводів високого характеристичного опору апроксимують індуктивність фільтра прототипу, кожна ж ємність фільтру складається з двох однакових розімкнутих відрізків несиметричних смужкових хвилеводів відносно низького характеристичного опору.
Рис. 2. Ескіз токонесущей частини микрополосковом ФНЧ.
1. Аналіз технічного завдання
У цій роботі потрібно розрахувати фільтр низької частоти. З заданими електричними параметрами: частота зрізу f С = 3,5 ГГц; Z = 50 Ом; максимальне загасання в смузі пропускання А П ≤ 0,5 Дб; затухання на частоті f З = 4,9 ГГц; заданий загасання А З ≥ 30 Дб. Крім цих даних, у розрахунку потрібні електричні дані підкладки, це діелектрична проникність ε, а також тангенс кута діелектричних втрат підкладки tgδ. Ці параметри впливають на активні втрати (загасання в діелектрику) у фільтрі, зі збільшенням цих параметрів, збільшуються втрати в діелектрику, що призводить до зниження ККД НВЧ пристрої.
Даний фільтр низької частоти повинен працювати при температурі навколишнього середовища t 0 = -30 0 С ... +50 0 С. Річна програма випуску даного пристрою 150 шт.
Основною перевагою Полоскова і мікрополоскових ліній і пристроїв НВЧ діапазону на їх основі є простота, компактність, дешевизна виробництва і мала маса. Робоча смуга частот смужкових ліній значно більше, ніж у стандартних прямокутних хвилеводів.
Полоскова лінії знаходять застосування в НВЧ пристроях, що працюють в діапазоні від 500 МГц до 15 ГГц. Останнім часом широке застосування знаходять симетричні смуга і мікрополоскових лінії, що використовуються як базові елементи вузлів НВЧ трактів і схем.
Способи виготовлення друкованих плат класифікуються наступним чином:
1) проводить покриття наноситься тільки на ті ділянки ізоляційного підстави, які повинні стати струмопровідними;
2) на підставу попередньо наноситься суцільний металевий шар, який надалі видаляється з ділянок, що не входять в схему. Розглянемо ці способи.
Нанесення провідних ділянок схеми:
Штампування. При цьому способі мідну фольгу покривають відповідним допомогою клею і поміщають в штампувальний прес, в якому фольга вирубується і впрессовивается в ізоляційний матеріал. Нагрітий штамп одночасно розплавляє склеює речовина, що забезпечує зчеплення, що не уступає механічному.
Металізація струмопровідною фарбою. Виробництво схем цим способом включає застосування в якості підкладок керамічних матеріалів, скла, кварцу з подальшим вжигание фарби. Металлизирующих фарба складається зазвичай з мелкодісперсіоного порошку вуглекислого срібла або окису срібла, зв'язки і розчинника. Для захисту
отриманого провідного шару застосовують осадження міді електролітичним способом.
Металізація гарячим розпиленням. Цей спосіб полягає в осадженні металевого туману на ізоляційну панель, на яку попередньо укладають трафарет, виготовлений по контуру схеми.
Вакуумні способи отримання проводять покриттів. Спосіб вакуумного випаровування металів полягає в нагрівання випаровується металу вище точки плавлення в герметично ізольованому просторі установки.
Виготовлення схем способом хімічного та електролітичного осадження металу. Хімічне осадження плівок з розчину на поверхню підкладки засновано на явищі витіснення металу з розчину його солі відновником.
Підкладки для друкованих схем НВЧ діапазону:
Керамічні матеріали. Стеатитових кераміка, використовувана як ізоляційний підстав, виготовляється на основі тальку, вуглекислого кальцію і барію, глини та органічних пластифікаторів.
Скло та ситалли. Скло та вироби зі скла отримують сплавом стеклообразующих окислів з модифікаторами. Модифікацією скла є ситалли. За механічними властивостями вони перевершують високовуглецеві сталі, легше алюмінію, хімічно стійки, володіють малими діелектричними втратами.
Листові пластичні матеріали. Пластичні матеріали являють собою комплекси низько-і високомолекулярних груп, що володіють різними діелектричними властивостями. До таких матеріалів належать: поліетилен, фторопласти, полістирол, пінопласти, Стеклопласт, сополімери.
2. Розрахунок електричних параметрів елементів схеми
Вихідні дані:
частота зрізу f С = 3,5 ГГц;
Z = 50 Ом;
максимальне загасання в смузі пропускання А П ≤ 0,5;
затухання на частоті f З = 4,9 ГГц;
заданий загасання А З ≥ 30 Дб.
Матеріал підкладки:
Сіталл СТ - 38 - 1 (ТХО.781.009.ТУ)
Технологічні характеристики:
ε = 7;
tg δ = 0,0004;
Електричний розрахунок:
Знаходимо відношення Ω - нормовану частоту:
(1)
За графіком мал. 3.9 [1] для А П = 0,5 Дб і А З = 30 Дб при Ω = 1,4 знаходимо число елементів фільтра n = 6
За табл.1 [1] знаходимо для А П = 0,5 Дб і n = 6:
g 1 = 1,725;
g 2 = 1,248;
g 3 = 2,606;
g 4 = 1,314;
g 5 = 2,476;
g 6 = 0,870.
Визначимо характеристичні опору розімкнутих відрізків, апроксимуючих ємності фільтра-прототипу:
; (4.2)
Ом; (2)
Ом; (3)
Ом. (4)
Визначимо характеристичні опору короткозамкнених відрізків L 2, L 4, L 6, апроксимуючих індуктивності фільтра-прототипу:
; (5)
Ом; (6)
Ом; (7)
Ом. (8)
За даними електричного розрахунку визначаємо конструктивні розміри елементів фільтра. Результати розрахунків наведено в табл. 1
Табл. 1
Z i, Ом
Z С1
Z L2
Z C3
Z L4
Z C5
Z L6
2,2
0,6
4,0
0,63
4,1
1,3
0,51
0,55
0,49
0,56
0,50
0,53
b i, см
0,22
0,06
0,4
0,07
0,41
0,13
L C, см
0,437
0,471
0,420
0,479
0,428
0,474
Довжини 50-омних відрізків вибираються довільно. Нехай
= 20 мм.
Визначимо активні втрати в фільтрі на частоті зрізу: tgδ = 3 · 10 -2. Втрати в металі за графіком мал. 3.8 [1]
; (9)
. (10)
Згасання в діелектрику:
(11)
Результати розрахунку загасання в елементах фільтра наведено в табл. 2.
Табл. 2
i
β ε i , Дб / см
β Д i
β ε i + β Д i
0
0, 00332
0,0452
0,0485
1
0,00163
0,0515
0,0531
2
0,00502
0,0432
0,0482
3
0,00155
0,0521
0,0537
4
0,00477
0,0517
0,0565
5
0,00234
0,0479
0,0502
Підставивши величини довжин відрізків резонаторів у формулу , Яка для даного випадку має вигляд:
(12)
Підставивши значення, отримаємо:
(13)
Рис. 4.1. Струмонесуча смужка фільтра
Визначимо геометричні розміри підкладки, для цього обчислимо загальну довжину токонесущей смужки фільтра. Загальна довжина смужки фільтра дорівнює 74,7 мм. Виберемо розмір підкладки, табл. П.3 [2]. Розміри підкладки: габарити 75х48 мм; товщина - 1 ± 0,05 мм.
Визначимо граничну частоту. Частота, на якій відбувається інтенсивне збудження поверхневих хвиль нижчого типу, є граничною частотою використання микрополосковой лінії в конкретних конструкціях і визначається співвідношенням:
(14)
де h - товщина підкладки, у мм;
f пр - гранична частота, в ГГц;
ε r - відносна діелектрична проникність.
Підставивши значення, отримаємо:
ГГц (15)
На практиці f пр виходить у 4 - 5 рази менше, ніж розрахована, це пояснюється тим, що в теорії не враховується вплив різних неоднорідностей.
3. Вибір корпусу
У процесі зберігання і експлуатації пристрої НВЧ піддаються впливу різних зовнішніх факторів: механічних, кліматичних. Для зменшення впливу цих факторів на працездатність пристроїв, здійснюють її захист.
Основним способом захисту пристроїв НВЧ від впливу дестабілізуючих чинників (температури, вологості, цвілевих грибків, агресивних хімічних середовищ, механічних впливів) є герметизація. Її здійснюють за допомогою спеціально розроблених корпусів.
У залежності від умов зберігання і експлуатації до корпусів пристроїв НВЧ пред'являються різні вимоги: достатня механічна міцність, що дозволяє витримувати навантаження при складанні та експлуатації; мінімальні габарити, для забезпечення компактності збірки; конструкція корпусу повинна дозволяти легко і надійно виконувати електричні з'єднання всередині корпусу; забезпечувати мінімальні паразитні параметри, надійну ізоляцію елементів, герметичність, мінімальне тепловий опір між підкладкою і навколишнім середовищем; захищати пристрій від впливів електромагнітного поля, світла; мати мінімальну вартість.
У зв'язку з необхідністю забезпечення гарного електричного контакту екрануючих трактів, а також компонентів мікрозбірки з екрануючими металевими шарами підкладок одним з конструктивних вимог до монтажу таких пристроїв, є необхідність багаторазового пайки в блоці без виведення з ладу вже виконаних з'єднань.
Рис. 5.1. Конструкція герметичного НВЧ з'єднувача.
Висновки НВЧ сигналу з гермооб'єму виконуються за допомогою коаксіального микрополосковом герметичного з'єднання рис. 5.1. Де 1 - корпус, 2 - штир; 3,4 - ізоляційні втулки, 5 - скло. Для герметизації штиря з'єднувача використовується металоскляного спай, для цього застосовують тверді скла з коефіцієнтом теплового розширення α = (45 ... 55 ) · 10 -7, 1 / 0 с. Найчастіше в якості матеріалів корпусу використовують ковар (α = 47 · 10 -7, 1 / 0 с, Fe - 54%, Ni - 29%, Co - 17%, володіє хорошою теплопровідністю) і молібден (α = 55 · 10 -7, 1 / 0 с). Ці матеріали утворюють гарний спай з твердими стеклами. З'єднувач герметизується опайки, електричні з'єднання між НВЧ мікроскладаннях і гермосоедінітелем здійснюються перемичками з фольги, як показано на рис. 5.2. Де 1 - з'єднувач; 2 - корпус блоку; 3 - перемичка; 4 - НВЧ мікроскладені. Відстань А від площини установлення мікроскладені до осі гермосоедінітеля залежить від способу кріплення мікрозборок і товщини підкладок табл. 2.6 [2]. У цій роботі використовується підкладка товщиною 1 мм і спосіб кріплення підкладки до корпусу - приклейка, для цих даних коефіцієнт А дорівнює 1,6 ± 0,05 мм.
Рис. 5.2. Монтаж НВЧ з'єднувача.
Обчислимо конструктивні розміри для микрополосковой лінії. Відстань до верхнього екрана вибирається з умови:
(5.1)
де b - відстань між нижньою і верхньою екраном корпусу;
h - товщина діелектрика.
Підставивши значення, отримаємо, що b = 6 мм.
Мінімальна відстань між бічними екранами визначається за формулою:
(5.2)
де a - ширина між бічними екранами;
W - максимальна ширина токонесущей платівки.
Підставивши значення отримаємо, a = 3 · 8,7 = 26,1 мм.
Корпус для даного ФНЧ фільтра зображений на рис. 5.3. Де 1 - мікрохвильові з'єднувачі; 2 - перемички, 3 - НВЧ мікроскладені.
Рис. 5.3. Корпус ФНЧ фільтра.
Для зменшення напруг, викликаних зміною температури навколишнього середовища і (або) НВЧ пристрої, між корпусом і підкладкою прокладається мідна сітка. У наслідок цих напруг, можливе руйнування підкладки. Ця сітка, також буде грати роль контакту, між корпусом і нижньої металізованої стороною підкладки. Для з'єднання корпуса з сіткою, а також сітки з підкладкою використовується пайка. Загальна герметизація НВЧ пристрої, досягається за допомогою пайки по контуру верхнього екрана (кришки). Кріплення підкладки до корпусу, а також кріплення верхнього екрана показано на рис. 5.4. Де, 1 - верхній екран (кришка); 2 - підкладка; 3 - корпус.
Рис. 5.4. Кріплення підкладки і верхнього екрана (кришки) до корпусу.
Висновок
Під час виконання даної курсової роботи були освоєні методики конструкційних розрахунків пристроїв НВЧ. Проведено розрахунок фільтра низької частоти НВЧ пристрої. Зроблено аналіз та розроблено конструкцію мікроскладені. Таким чином, всі вимоги технічного завдання були виконані.
Список літератури
Голубєв В. І., Ковальов І. С., Кузнєцов О. Г. та ін «Конструювання і розрахунок смужкових пристроїв», М. - 1974.
Конструювання екранів і НВЧ пристроїв / сост.: Васильєв Є.П. Захарьящев Л.І. - К.: РРТІ 1984 36с.
Конструювання тонкоплівкових гібридних мікрозборок / сост.: Клочков А.Я., Дьяков С.М., Чистяков В.В. - К.: РГРТА 2002. 160с.