96 MHz-es kapacitív csatolású sávszűrő optimalizálása spirális induktivitásokkal
POLLAK School of Electronics	Optimizing a Band Pass Filter for 96 MHz Using Rectangular Inductors

Nagy Gyula
HA8ET@pollak.sulinet.hu

Az alábbiakban röviden bemutatjuk az ANSOFT SERENADE 8.0-ás verzió számú programcsomagjának alkalmazását, egy felső kapacitív csatolású sávszűrő optimalizálásánál. A könnyebb érthetőség érdekében először hagyományos módon, az ACCEL TECHNOLOGY TANGO SCH programjával rajzoltuk meg a kapcsolási rajzot. Ezután ugyanezt a szűrőt megrajzoltuk a SERENADE programban is. A program a nagyfrekvenciás gyakorlatnak megfelelően, úgy veszi figyelembe az alkatrészeket összekötő legrövidebb vezetősávokat is, mint egy-egy tápvonal szakaszt.

A szűrő valamennyi kondenzátora SMD kondenzátor. A két induktivitást microstrip technikával, úgynevezett “rectangular spiral” elemekből alakítottuk ki, hagyományos FR-4 típusú üvegszálas panelon. Részletesen kitérünk ezeknek a viszonylag nehezen kezelhető, spirális induktivitásoknak az bemutatására. A szűrő ki- és bemeneteire egyaránt 50 W -os tápvonalakkal csatlakozunk. A csatlakozásoknál, a viszonylag alacsony frekvencia ellenére is alkalmaztuk, az úgynevezett MS STEP elemet azért, hogy bemutathassuk ennek hatását is.

Kiindulási értékeként a 96 MHz-es rezonancia frekvenciának megfelelően, N=3 menetes induktivitásokat vettünk alapul, S=30 MIL menetek közötti térközzel (1 MIL= 0,025 mm). Az összes többi értéket a szimulátorral számoltattuk ki, a kitűzött céloknak megfelelően. Az analízis során bemutatjuk a legjellemzőbb párbeszédes ablakokat, és azok javasolt kitöltési módját. Az optimalizált elemekről áttérünk a szabványos értékű kondenzátorokra (E-24-es sor), és megvizsgáljuk ennek hatásait a szűrő legfontosabb jellemzőire. Azután e kondenzátorokhoz optimalizáljuk a nyomtatott induktivitásokat. A kész áramkör nyomtatási képét megtekinthetjük a szimulátor S2A LAYOUT tervezőjében.

A program egy további nagyon hasznos alkalmazási területe az utolsó példán látható. Megváltoztattuk az induktivitások meneti közötti "S" távolságát, és ismételt analizálás után, egy pillanat múlva már láthatóvá válnak a változások a szűrő vizsgált jellemzőiben.

Ez az oktatási anyag a szerző hozzájárulása nélkül, csak “non profit jelleggel”, oktatási vagy rádióamatőr célra használható fel. A behatóbb tanulmányozás érdekében mellékeljük a NET-listát és a pontos anyagjegyzéket is. A teljes project ingyenesen letölthető a Pollák Antal Műszaki Szakközépiskola WEB-lapjáról a SERENADE DESIGN ENVIRONMENT legális (regisztrált) felhasználói számára.

DOWNLOAD

A szűrő kapcsolási rajza az ACCEL TECHNOLOGY TANGO SCH programjában megrajzolva.

A spirális induktivitásokból kialakított szűrő SCH rajzának ernyőképe SERENADE 8.0-ás programban megrajzolva

A kapcsolási rajz egy részlete kinagyítva. Jól megfigyelhetők a nagyfrekvenciás technikában használatos microstrip vonalszakaszok (TRL), elágazások (TEE), átmenetek (MS STEP), földelések (VIA), spirális induktivitások (RECI), és azok méreteinek megadási módjai. Valamennyi kondenzátor Q=300-as jósági tényezőjű, F=100 MHz-en.

A négyszögletes spirál induktivitás párbeszédes ablaka. Egyetlen párbeszédes ablakban sem szabad az adatok beírásakor, a számérték és a mértékegység között szóközt hagyni! Az AI, BI, LI, N és W változóként szerepelnek, ezért nincs konkrét érték hozzájuk rendelve. Otimális értékeiket a későbbiekben a VAR blokkban megadott értékhatárok között, az OPT (Linear Optimization) blokk segítségével kell meghatároznunk.

A rectangular spirál induktivitás adataihoz tartozó betű-szimbólumok értelmezése, és azok méretezése

A változó paraméterek párbeszédes ablaka. Itt találhatók az előző ábrán bemutatott spirális induktivitás egyes adatai is A kérdőjelek közé tett határok között keresi meg a program az optimalizálás során, a megadott feltételeknek leginkább megfelelőbb kapacitás értéket, valamint az induktivitás vezetőjének szélességét. A középső számértékek már az optimalizálás eredményét mutatják.

A lineáris frekvencia blokk párbeszédes ablaka. Utasításaira a program 70 MHz és 130 MHz között, 0,3 MHz-es lépésekben végzi el az analizálást. Az analízis és az optimalizálás gyorsítása érdekében először célszerű a 0,3 MHz-es érték helyett 1 MHz-et, vagy még ennél is nagyobb értéket beírni. Ekkor azonban a megjelenő görbe kissé “szálkás” lesz a törtvonalas közelítés miatt. A végleges görbe értékelése és elmentése előtt célszerű egy, az ábrán látható, kisebb lépésközt alkalmazni. Ekkor a szimulátor már megfelelően finom rajzolatú görbét eredményez. A tizedes törteket az amerikai írásmódnak megfelelően mindenütt “tizedes ponttal” kell beírni. A tizedesvesszőt nem fogadja el a program (szintaktikai hibát jelez).

Az optimalizáló blokk párbeszédes ablakában tetszőleges szempontok szerint optimalizálhatjuk a vizsgált áramkört. Elsődleges követelmény, hogy az átviteli sáv felett minél meredekebben vágjon a szűrő. Erre utal a W=100 az S21 paraméter megadása után. Az INFO ablakra kattintva, részletes magyarázatot kapunk az LT, GT és az = jelek jasználatára. (PDF fájl)

Ebben az ablakban adjuk meg a hordozónak választott FR-4 típusú üvegszálas PCB adatait. A mechanikai méretek: H=62 MIL (kb. 1,575 mm), a vezetősáv 35 m m vastag vörösréz, a doboz teteje 20 mm-re van a vezető felett. A hordozó elektromos jellemzői f~100 MHz-en: Er=4,5, a dielektromos veszteség TAND=0,015. Magasabb frekvenciákon az Er csökken, a dielektromos veszteség pedig növekszik. Az adatok vegyesen is megadhatók, metrikus mértékegységben és MIL-ben egyránt.

A substrate blokk képe a kapcsolási rajzon (A piros szín az aktív -szerkesztési- állapotra utal) A H nem a panel, csupán a dielektrikum vastagságát jelöli. A HU a dobozfedél távolsága a paneltól.

A vizsgált áramkör megjelenítendő jelleggörbéinek beállítását, illetve módosítását szolgáló párbeszédes ablak. Ebben a beállításban az S11 és S21 szórás paramétereket dB-ben ábrázoljuk, derékszögű koordináta rendszerben. Az OUTPUT TYPE ablakból azonban választhatjuk a poláris koordináta rendszert, vagy a táblázatos formát egyaránt.

Az optimalizált szűrő két legfontosabb jelleggörbéje: az S11 és az S21 szórás paraméterek a FREQ blokkban meghatározott frekvencia tartományban ábrázolva. A feliratok a jobb egérgomb megnyomása után megjelenő ablakból az ADD LABEL parancs kiválasztásával helyezhetők el.A program automatikusan skálázza a megjelentett diagram mindkét tengelyét. Ha az egérrel az X, vagy az Y tengelyre kattintunk, akkor a megjelenő párbeszédes ablak RESCALE parancsával mindkét tengelyt tetszőleges újra skálázhatjuk, vagy feliratokat helyezhetünk el a tengelyeken.

A kapcsolási rajz és a szimulátor közös ernyőképe. Az analizálás után a TOOLS legördülő menüből elindítható az S2A LAYOUT, a Serenade nyákrajzolója.

A szűrő rajza az S2A LAYOUT programban. Innen DXF fájlban lehetőség van további feldolgozásra, vagy közvetlenül konvertálható a fájl a legtöbb ismert PCB rajzoló programba. A piros X-ek az SMD kondenzátorok helyét jelölik. A zöld téglalappal, egy 1206 méretű kondenzátort jelöltünk a rajzon. A raszter 5 x 5 mm-es. A kerek furatok pedig furatgalván VIA-k (földelések az alsó -bottom- oldalhoz). A fenti elrendezéssel sikerült minimálisra csökkenteni a két spirális induktivitás közötti csatolási tényezőt, amelynek értékét nem vettünk figyelembe az analízis során.

 A régi VAR blokkot a DEACTIVATE paranccsal érvénytelenítjük (nem töröljük le) és az ábrán látható, új VAR blokkban az optimalizált kondenzátorokat, a hozzájuk legközelebbi értékű, szabványos kondenzátorokra cseréljük. Ezután ismét elvégezzük a szimulációt (F10). Optimalizálni ilyenkor nem lehet, mert nincs változó érték az új, aktuális VAR blokkban.

A deaktivált régi VAR blokk a kapcsolási rajzon. Az X-alakú áthúzás jelenti a deaktivizálást. A jobb egérgomb megnyomására előtűnő párbeszédes ablak segítségével bármikor ismét aktivizálhatjuk ezt a beállítást is. Egy rajzra több VAR blokk is felhelyezhető különböző beállításokkal, de egyszerre csak egy lehet közülük aktív. Ez egy jelentős újdonság a SERENADE 8.0-ban a 7.5-ös verzióhoz képest.

Az ACCUMULATE parancs segítségével összehasonlíthatjuk a két esetet. Az optimalizált esethez képest (S21 kék görbe) a szabványos kondenzátor értékek kissé feljebb tolták a rezonancia frekvenciát (zöld görbe).

Ezután a spirális induktivitás adatait optimalizáljuk az új VAR blokk segítségével a szabványos kondenzátorokhoz. A RECI spirál induktivitás egyes geometriai méretei szorosan összefüggenek egymással, ezért csak nagy körültekintéssel szabad megváltoztatni őket. Az eredeti VAR blokk segítségével bármikor összehasonlíthatjuk a két eredményt.

A gyorsabb optimalizálás érdekében a FREQ ablakban, a finom rajzolatú görbéhez választott 0,3 MHz-es STEP értéket megnöveltük 1 MHz-re, és a lineáris optimalizálás helyett a gyorsabb YIELD OPT ablakot választottuk a fenti beállításokkal. (RANDOM, OUTCOMES=3) Az egy ezred MIL pontosságú adatokat célszerű kerekíteni, mert a gyártás ennél úgyis sokkal pontatlanabb értékeket eredményez. Ezután ellenőrizni kell az S2A-ban a rajzolatot, mert gyakran előfordul, hogy egyes fólia szakaszok túl közel kerülnek egymáshoz, vagy pedig a szimulátor segítségével kialakított elrendezés nem megfelelő, az adott áramkörhöz. Ilyenkor a lehetőség van a BEND (sarok) elemek tükrözésével új elrendezés kialakítására, vagy pedig a W (a vezető szélessége) és az S (a vezetők közötti térköz) kismértékű módosítására. Az analízist minden változtatás után ismételten el kell végezni, és szükség esetén valamelyik paramétert optimalizálni is kell.

A kapcsolási rajz új (aktív) VAR blokkjába már a kerekített értékeket írtuk be, az ellenrző szimuláci- óhoz. A vezetők szélességénél azért kerekítettünk mindenütt páros számra, mert a TANGO PCB legutolsó DOS alatt futó verziója csak páros számokatt fogad el, illetve ettől eltérő érték esetében ily módon kerekít. Ezen a frekvencián 1 MIL= 0,0254 mm-es eltérés még nem okoz észrevehető eltérést a szűrő jellemzőiben. Az FR-4 típusjelű hordozó pontatlanságai, és a gyártási szórások hatásainak kiküszöbölése érdekében az OPT ablakban eleve, a szükségesnél kissé nagyobb sáv- szélességet adtunk meg. A 30 MIL-es VIA-k gyártási követelményei miatt az LI értékét 22-ről 20 MIL-re csökkentettük. Erre a W értékének növelése miatt volt szükség. A W értékét a magasabb Q-érték által biztosítható, nagyobb oldalmeredkség miatt növeltük meg.

Az optimalizált értékek kerekítése után gyakorlatilag fedi egymást a kék és a zöld görbe, tehát a kitűzött célt sikerült megvalósítani.

A kész áramkör mérési eredményei 5 %-nál kisebb eltéréseket mutatnak a szimulációs értékekhez képest.

PCB: kétoldalas FR-4 (üvegszálas). A dilelektrikum vastagsága 62 MIL, a vezetősáv: 35 µm Cu.

Egy további példa az optimalizálásra:

A szűrő jellemzőinak változása, ha a spirál induktivitás menetei között lévő S térközt 30 MIL-ről 20 MIL-re csökkentjük. A rezonancia frekvencia kb. 2,3 MHz-cel növekedett, a bemeneti reflexió pedig közelítőleg 2 dB-lel javult.

A SPIR96 szűrő NET-listája:

* Circuit file: C:\HA8ET\96spir4\96spir4.ckt
* anatype: linear
* This file is generated by Serenade Schematic Netlister, sch2mh
* -- Release 4.0.

*AI :56MIL ;mhvar#866
*BI :76MIL ;mhvar#866
*C :?33PF 48.301PF 56PF? ;mhvar#866
*C1 :?8PF 10.243PF 15PF? ;mhvar#866
*C2 :?3.3PF 3.3703PF 5.6PF? ;mhvar#866
*LI :25MIL ;mhvar#866
*N :3 ;mhvar#866
*W :?28MIL 35.925MIL 38MIL? ;mhvar#866
 AI :54MIL ;mhvar#850
 BI :82MIL ;mhvar#850
 C :47PF ;mhvar#850
 C1 :10PF ;mhvar#850
 C2 :3.3PF ;mhvar#850
 LI :20MIL ;mhvar#850
 N :3 ;mhvar#850
 W :38MIL ;mhvar#850
BLK
 tee 812 813 808 w1 = W w2 = W w3 = 56MIL sub
* mhtee#865 layout 0
 tee 824 823 828 w1 = W w2 = W w3 = 56MIL sub
* mhtee#864 layout 2
 tee 829 830 821 w1 = W w2 = 56MIL w3 = 56MIL sub
* mhtee#863 layout 0
 tee 807 815 801 w1 = W w2 = 56MIL w3 = 56MIL sub
* mhtee#862 layout 2
 reci 814 813 li = LI ai = AI bi = BI n = N w = W s = 30MIL g SUB
* mhreci#861 layout 0
 reci 822 823 li = LI ai = AI bi = BI n = N w = W s = 30MIL g SUB
* mhreci#860 layout 2
 step 805 806 w1 = 56MIL w2 = 112MIL sub
* mhstep#859 layout 7
 step 818 817 w1 = 56MIL w2 = 112MIL sub
* mhstep#858 layout 3
 cap 804 802 c = C1 q2 = 300 f = 100MHZ
* mhcap3#857 layout 5
 cap 811 810 c = C q2 = 300 f = 100MHZ
* mhcap3#856 layout 3
 cap 819 820 c = C1 q2 = 300 f = 100MHZ
* mhcap3#855 layout 1
 cap 825 826 c = C q2 = 300 f = 100MHZ
* mhcap3#854 layout 1
 cap 800 799 c = C2 q2 = 300 f = 100MHZ
* mhcap3#853 layout 2
 trl 801 802 w = 56MIL p = 110MIL sub
* mhtrl1#849 layout 1
 trl 803 806 w = 112MIL p = 200MIL sub
* mhtrl1#848 layout 5
 trl 805 804 w = 56MIL p = 60MIL sub
* mhtrl1#847 layout 5
 trl 807 812 w = W p = 130MIL sub
* mhtrl1#846 layout 0
 trl 809 810 w = 56MIL p = 60MIL sub
* mhtrl1#845 layout 1
 trl 811 808 w = 56MIL p = 60MIL sub
* mhtrl1#844 layout 1
 trl 816 817 w = 112MIL p = 200MIL sub
* mhtrl1#843 layout 1
 trl 818 819 w = 56MIL p = 60MIL sub
* mhtrl1#842 layout 1
 trl 820 821 w = 56MIL p = 110MIL sub
* mhtrl1#841 layout 1
 trl 829 824 w = W p = 130MIL sub
* mhtrl1#840 layout 2
 trl 827 826 w = 56MIL p = 60MIL sub
* mhtrl1#839 layout 3
 trl 825 828 w = 56MIL p = 60MIL sub
* mhtrl1#838 layout 3
 trl 799 830 w = 56MIL p = 30MIL sub
* mhtrl1#837 layout 2
 trl 815 800 w = 56MIL p = 30MIL sub
* mhtrl1#836 layout 2
 via 814 d = 30MIL sub
* mhvia#834 layout 1
 via 822 d = 30MIL sub
* mhvia#833 layout 3
 via 809 d = 30MIL sub
* mhvia#832 layout 0
 via 827 d = 30MIL sub
* mhvia#831 layout 2
96spir4: 2POR 816 803
END
* Ports	1=816  2=803  
FREQ
 STEP 70MHz 130MHz .5MHz ;mhfreqln#851
END
NOUT
 R1 = 50 R2 = 50 
END
OPT
96spir4  R1 = 50 R2 = 50 ;mhoptgl#868
 F 94MHz 98MHz MS21 -3dB GT MS11 -20dB W=20
 F 120MHZ MS21 -30dB LT W=100
END
NOPT
 R1 = 50 R2 = 50 
END
DATA
 sub:ms  H = 62MIL  HU = 20mm  ER = 4.5  TAND = 0.015  Met1 = Cu 35um ;mhms#852
END

Appendix (FLEXlm License Manager):

A FLEXlm license manager program ablakai, a WIN-98-as szerver elindítása után. A SERENADE 8.0 programot a szerveren, mint munkaállomáson futtattuk.

Page created in Microsoft FrontPage Express.
Copyright © 1999 Gyula Nagy, HA8ET. All rights reserved.
E-mail: HA8ET@pollak.sulinet.hu

Az anyag az elektrONline elektronikai könyvtárából letölthető .pdf formátumban is.