RLCバンドパスフィルター

説明

RLC 回路は、多数の抵抗、インダクタ、およびコンデンサで構成される電気回路です。このタイプの回路には複数のアプリケーションがあります。最も重要なもののいくつかは、発振器、ラジオ受信機やテレビのチューナー、そしてもちろんフィルターです。 RLC 回路は、バンドパス フィルターとバンドストップ フィルターの作成にも使用されます。

RLC フィルタは通常 2 次回路と呼ばれます。これは、電圧や電流などの回路パラメータが 2 次の微分方程式で記述できることを意味します。このようなフィルタを設計する際に発生する問題は、インダクタによって示される抵抗です。インダクタはワイヤのコイルで製造されているため、望ましくない抵抗があり、回路の性能に大きな影響を与える可能性があります。そのため、設計時にそのような構成のフィールド分析を行うことを常にお勧めします。 HFWorks を使用すると、回路で使用される集中定数素子の値を指定するか、実際のコイルをモデル化することにより、設計者はこのような回路をシミュレートできます。

このチュートリアルでは、集中定数素子で構成された RLC フィルターとマイクロストリップ ラインに焦点を当て、回路と 3D モデルの両方のタイプのシミュレーションを 1 つのスタディで組み合わせる HFWorks の機能を活用します。バンドパス フィルターは、帯域幅 10% の 1 GHz で動作します。

図 1 - RLC フィルターの 3D ビュー

シミュレーション

このフィルターの動作 (目的の周波数帯域での挿入損失とリターン ロス、入力と出力の整合) をシミュレートするために、散乱パラメーター スタディを作成し、フィルターが動作する関連する周波数帯域を指定します(この場合、21 の周波数が、 1.8 GHz から 3.8 GHz まで一様に分散)。

シミュレートされたスタディでは、出力結果をユーザーの意図に合わせて調整するための複数の選択肢とプロット オプションが提供されます。

部材と材料

マイクロストリップ ライン (導体とグランド メタル) は、Mat1 基板上に構築された完全な電気導体であると想定されています。 RLC コンポーネントは 3 つのシールドでモデル化されており、次のインダクタンス値とキャパシタンス値が選択されています。ポートに近いシールドには、それぞれ 127 nH と 0.2 pF です。並列シールドの値は 0.726 nH と 34.9 pF で、並列 RLC 回路として実装されています。

負荷/制約

ポートは、基板の側面 (2 つの RLC シールドを備えた水平マイクロストリップ ラインの側面) とエア ボックスに適用されます。このように、シミュレーションは空気中の電場の分布を考慮し、放射境界は、マイクロストリップ ライン上の波の伝送の準 TEM 理論により便利な結果をもたらします。

メッシング

信号の経路はポートと信号面に関係するため、メッシュはこれらの部分に集中する必要があります。これらのサーフェスをメッシュ化すると、ソルバーが渦巻き部分の精度を改善し、パスの形状を考慮に入れるのに役立ちます。

図 2 -ダイポール アンテナのメッシュ

結果

タスクの性質やユーザーが関心を持っているパラメーターに応じて、さまざまな 3D および 2D プロットを利用できます。フィルター シミュレーションを扱っているため、挿入損失とリターン損失をプロットすることは直感的な作業のように思えます。次の図は、考慮されているフィルターの挿入損失とリターン損失の両方を示しています。

図 3 - 1 GHz 前後のフィルターの挿入損失とリターン損失

挿入損失は、1 GHz 付近の周波数帯域内では非常に低く、0.94 GHz 未満および 1.06 GHz を超える優れたアイソレーションを提供します。スミス チャート プロットにリターン ロスをプロットすることは、マッチングの問題を扱う場合により適切です。この目的のために、次の図は S11 曲線と 1 GHz でのリターン ロスを示す赤いマーカーを示しています。

図 4 -フィルターのポートでの反射係数の変化

1 GHz での電界分布が次の図に示されています。電磁波が回路を通過して 2 番目のポートに到達することがはっきりとわかります。

図 5 -目的の周波数 (1 GHz および 0.83 GHz) での回路上の電界ベクトル分布