Проектируйте и анализируйте фильтр нижних частот UWB

Это компактное создание фильтра использует U-образный дополнительный резонатор кольца для ключей (U-CSRR). U-CSRR является uniplanar настройкой дополнительного резонатора кольца для ключей (CSRR) как описано в [1]. Эта структура имеет преимущество более простого производства, когда это формируется о главном металлическом слое. U-CSRR формируется с помощью двух концентрических звонков квадрата разделения внешней длины $$L_1$$, внутренняя длина $$L_2$$ как показано в рисунке (a) ниже. Этот элемент U-CSRR создается на главном металлическом слое хостинга линии электропередачи. Эквивалентная схема одной ячейки U-CSRR, показанной в рисунке (b), представлена параллельной резонирующей схемой с индуктивностью $$L_c$$ и емкость $$C_c$$. Индуктивность $$L_R$$ и емкость $$C_R$$ представляйте индуктивность и емкость передачи хоста. Частица U-CSRR электрически связывается с линией электропередачи хоста.

Эквивалентная схема частицы U-CSRR предлагает в низкой частоте, импеданс параллельной схемы бака мал, и схема имеет полосу пропускания характеристики. Рисунок (a) показывает принципиальную схему такого фильтра, использующего две ячейки U-CSRR в микрополосковой линии [1] представляющие различные размерности признаков. Как в [1], выбор двух частиц U-CSRR в создании фильтра состоит в том, чтобы иметь компактный размер и гарантировать высокое затухание в полосе задерживания.

Используйте traceRectangular объект создать питающуюся линию электропередачи ZA и прямоугольный модуль cell Cell_A. Выполните булев add операция для микрополосковой линии формирует ZA, Cell_A и создайте LeftSection.

% Set variables for ground plane
gndL = 18e-3;
gndW = 7e-3;

% Set variables for feeding transmission line
ZA_Width = 4e-3;
ZA_Length = 4e-3;

% Define unit cell length
Cell_Length = 5e-3;

% Create feeding microstrip line
ZA = traceRectangular("Length",ZA_Length,"Width",ZA_Width,...
    "Center",[-ZA_Length/2-Cell_Length 0]);

% Create rectangular unit cell
Cell_A = traceRectangular("Length",Cell_Length,"Width",Cell_Length,...
    "Center",[-Cell_Length/2 0]);

% Join feeding line and rectangular unit cell
LeftSection = ZA + Cell_A;

Используйте traceLine объект создать формирует s1, s2, s3, s4. Используйте traceRectangular объект создать формирует s5.

Вычтите формирует s1,s2,s3,s4, и s5 от LeftSection. Эта операция создает различные пазы, замеченные на частице U-CSRR. Визуализируйте LeftSection использование show функция.

% Create shapes for various slots 
s1 = traceLine('StartPoint',[-Cell_Length/2-0.2e-3  -1.9e-3],...
    'Angle',[-180 -270 0],'Length',[1.75e-3 3.8e-3 1.75e-3],'Width',0.2e-3);

s2 = traceLine('StartPoint',[-Cell_Length/2+0.2e-3  -1.9e-3],...
    'Angle',[0 90 180],'Length',[1.75e-3 3.8e-3 1.75e-3],'Width',0.2e-3);

s3 = traceLine('StartPoint',[-Cell_Length/2-1.2e-3  -0.2e-3],...
    'Angle',[-90 0 90],'Length',[0.8e-3 2.4e-3 0.8e-3],'Width',0.2e-3);

s4 = traceLine('StartPoint',[-Cell_Length/2-1.2e-3   0.2e-3],...
    'Angle',[90 0 -90],'Length',[0.8e-3 2.4e-3 0.8e-3],'Width',0.2e-3);

s5 = traceRectangular("Length",0.2e-3,"Width",1.8e-3,...
    "Center",[-Cell_Length/2 0]);

% Create slots of U-CSRR on hosted micrsotrip line
LeftSection = LeftSection -s1 -s2 -s3 -s4 -s5;
figure; 
show(LeftSection);

Используйте copy, rotateZ, и rotateX методы на LeftSection объект создать RightSection. Это создает правильный фрагмент фильтра, размещающего другого У-КСРРа линия электропередачи. Визуализируйте RightSection использование show function.

RightSection = copy(LeftSection);
RightSection = rotateZ(RightSection,180);
RightSection = rotateX(RightSection,180);
figure; 
show(RightSection);

Выполните булев add операция для форм LeftSection, RightSection создать filter. Визуализируйте фильтр.

filter = LeftSection + RightSection;
show(filter);

Задайте параметры подложки и создайте диэлектрик, чтобы использовать в pcbComponent из спроектированного фильтра. Создайте groundplane использование traceRectangular форма. Используйте pcbComponent создать PCB фильтра. Присвойте диэлектрик и оснуйте плоскость к Layers свойство на pcbComponent. Присвойте FeedLocations к ребру портов канала. Установите BoardThickness к 1,52 мм на pcbComponent и визуализируйте фильтр. Ниже кода выполняет эти операции и создает PCB фильтра.

% Define Substrate and its thickness
substrate = dielectric("RO4730JXR");
substrate.Thickness = 1.52e-3;

% Define bottom ground plane
ground = traceRectangular("Length",gndL,"Width",gndW,...
   "Center",[0,0]);

Используйте pcbComponent, чтобы создать фильтр pcb.

pcb = pcbComponent;
pcb.BoardShape = ground;
pcb.BoardThickness = 1.52e-3;
pcb.Layers ={filter,substrate,ground};
pcb.FeedDiameter = ZA_Width/2;
pcb.FeedLocations = [-gndL/2 0 1 3;gndL/2 0 1 3];
figure; 
show(pcb);

Используйте mesh функция, чтобы иметь прекрасный запутывающий и набор MaxEdgeLength to 1mm.

figure;
mesh(pcb,'MaxEdgeLength',1e-3)

Используйте sparameters функция, чтобы вычислить S-параметры для фильтра нижних частот и построить его с помощью rfplot функция.

spar = sparameters(pcb,linspace(0.1e9,15e9,30));
figure;
rfplot(spar);

Как существует четыре кривые в результате, позволяют нам анализировать результаты.

Постройте S-параметры

Анализируйте значения $$S_{12}$$, и $$S_{11}$$ изучать поведение фильтра нижних частот.

figure;
rfplot(spar,1,1);
hold on;
rfplot(spar,1,2);
hold on;

Результат показывает, что фильтр имеет $$S_{21}$$ значения близко к 0 дБ и $$S_{11}$$ значения меньше чем-15 дБ между широкой полосой частот $$f_1$$ = 0,1 ГГц и $$f_2$$ = 10,0 ГГц. Спроектированный фильтр поэтому имеет ультраширокий ответ полосы пропускания. Для частот, больше, чем 10,8 ГГц, $$S_{21}$$ значения меньше-10 дБ, указывающих на ответ полосы задерживания.

Используйте charge функция, чтобы визуализировать распределение заряда на металлической поверхности и диэлектрике фильтра нижних частот.

figure;
charge(pcb,5e9);

figure;
charge(pcb,5e9,'dielectric');

Используйте current функция, чтобы визуализировать распределение тока на металлической поверхности и токи поляризации объема на диэлектрике фильтра нижних частот.

figure;
current(pcb,5e9);

figure;
current(pcb,5e9,'dielectric');

Ссылки

[1] Абдалла, M. A. Г. Арафа и М. Саад, “Компактный LPF UWB на основе uni-плоского метаматериального дополнительного резонатора кольца для ключей”, Продолжения 10-го Международного Конгресса по Усовершенствованным Электромагнитным Материалам в Микроволнах и Оптике (METAMATERIALS), 10–12, Ханье, Греция, сентябрь 2016