автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Фазовые характеристики многополосных фильтров и диплексеров СВЧ и поиск перспективных схемно-конструктивных решений их реализации

На правах рукописи

Кершис Сергей Александрович

ФАЗОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОПОЛОСНЫХ ФИЛЬТРОВ И ДИПЛЕКСЕРОВ СВЧ И ПОИСК ПЕРСПЕКТИВНЫХ СХЕМНО-КОНСТТУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

Специальность: 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014 ? 2 Щ£} ¿гщ

005548536

005548536

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина) на кафедре радиоэлектронных средств

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Головков Александр Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Парнес Михаил Давидович, генеральный директор ООО "Резонанс"

кандидат технических наук, Капитонова Полина Вячеславовна, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университета информационных технологий, механики и оптики, научный сотрудник кафедры: фотоники и оптоинформатики

Ведущая организация: ОАО НИИ «ВЕКТОР»

Защита диссертации состоится «25» июня 2014 года в 14 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.03 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. Ульянова (Ленина) и на сайте www.eltech.ru

Автореферат разослан «23» апреля 2014 года.

Учёный секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

Баруздин С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В подавляющем большинстве современные радиосистемы являются многодиапазонными. Например, телекоммуникационные системы: WLAN работает на центральных частотах 2.4ГГц/5ГГц, сотовая связь — 850МГц/ 900МГц/950МГц/1800МГц, глобальные спутниковые системы позиционирования ГЛОНАСС, GPS, Galileo поддерживают два диапазона L1 и L2. Аппаратура должна обеспечивать уверенную работу одновременно со всеми поддерживаемыми диапазонами, что накладывает дополнительные требования к радиочастотному тракту приемо-передатчика. Помимо всего прочего, массогабаритные показатели устройства должны быть минимально-возможными. Современные мобильные телефоны имеют размер не больше человеческой ладони и массу, не превышающую 300 граммов. В связи с этим, количество функциональных блоков, расположенных на заданной площади печатной платы, становится все больше, а их размеры меньше. Чтобы достичь желаемых размеров устройства необходимо обеспечить компактность многодиапазонных элементов антенно-фидерного тракта со всеми его цепями согласования и фильтрами.

Разработка много полосных фильтрующих СВЧ устройств и частотных мультиплексоров для систем телекоммуникаций и навигации представляет комплекс сложных задач, решение которых требует проведения дальнейших исследований, особенно в свете поиска новых перспективных схемотехнических и конструктивных решений, позволяющих уменьшить габариты этих устройств, упростить их проектирование, изготовление и настройку. Использование в телекоммуникационных и навигационных системах широкополосных сигналов требует разработки фильтрующих устройств не только обеспечивающих заданное подавление внеполосного излучения, но и вносящих минимальные фазовые искажения, что крайне актуально при использовании сложных видов амплитудно-фазовой модуляции с уплотнением спектра, типа OFDM. В литературе опубликовано большое число работ, посвященных методикам синтеза многополосных фильтров и частотных мультиплексеров СВЧ по амплитудно-частотным характеристикам (АЧХ), но практически отсутствуют работы, в которых исследуются фазочастотные характеристики (ФЧХ) многополосных фильтров и мультиплексеров, влияние полос пропускания друг на друга при их взаимно близком расположении. Исследование ФЧХ таких цепей представляет сложную задачу, решение которой назрело к настоящему времени.

Для практики представляется важным найти и исследовать структуры многочастотных резонаторов на отрезках линий передачи, которые обладали бы свойством развязанности резонансных частот, позволяя реализовывать многополосные фильтры и диплексеры СВЧ с

раздельной настройкой полос пропускания, предложить перспективные для различных физических реализаций структуры многополосных фильтров и диплексеров.

Традиционные схемно-конструктивные решения фильтров высоких частот (ФВЧ) не удобны для реализации частотных диплексеров СВЧ. Представляется необходимым найти и исследовать простые в реализации структуры на отрезках линий передачи, с полосовой АЧХ, имеющие нули передачи в полосах задерживания, которые могли бы использоваться в качестве ФВЧ в диплексерах на паре ФНЧ-ФВЧ и обладали бы малым затуханием в полосе пропускания.

Решению всех перечисленных выше актуальных для настоящего времени задач и посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель работы и задачи исследований. Цель диссертационной работы заключается в разработке теории и исследовании характеристик ФЧХ и группового времени задерживания (ГВЗ) многополосных фильтров и диплексеров СВЧ, исследовании перспективных схемно-конструктивных решений для многочастотных резонаторов с развязкой резонансных частот, на основе которых могли бы быть реализованы многополосные фильтры и диплексеры, поиску новых решений для структур, которые могли бы использоваться в качестве ФВЧ в диплексерах на паре ФНЧ-ФВЧ.

Для достижения этих целей необходимо было решить задачи:

— исследовать ФЧХ идеальных многополосных фильтров с бесконечным числом реактивных элементов и фильтров с конечным числом элементов;

— определить предельные параметры по взаимному расположению полос пропускания многополосных фильтров с конечным числом элементов, при которых начинают проявляться искажения ФЧХ и выработать рекомендации по выбору порядков фильтра;

— исследовать поведение ФЧХ частотных диплексеров на паре фильтров ФВЧ-ФНЧ в зависимости от ширины переходной зоны и уровня затухания в полосах задерживания и выработать рекомендации по выбору порядка фильтров;

— разработать и теоретически исследовать основные принципы построения многополосных фильтров СВЧ, позволяющих выполнять раздельную настройку амплитудно-частотных характеристик в каждой полосе пропускания;

— предложить новые структуры двухполосных фильтров и диплексеров СВЧ, допускающие реализацию в различных технологиях и позволяющие осуществлять раздельную настройку АЧХ в полосах пропускания;

— предложить и теоретически исследовать новые структуры, имеющие характеристики ФВЧ с большими полосами пропускания и задерживания, удобные для использования в диплексерах на паре фильтров ФВЧ-ФНЧ;

— выполнить разработки и экспериментальные исследования ряда одно и двухполосных фильтров и диплексеров для приемных устройств систем спутниковой навигации ГЛО-НАСС и GPS, а также телекоммуникационных систем.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовался аппарат анализа цепей с сосредоточенными и распределенными постоянными, теория матриц, аппарат математического анализа и численные методы. Имитационное моделирование СВЧ устройств выполнено с использованием прикладных пакетов MathCAD, Microwave Office, Ansoft HFSS. Проверка теоретических положений выполнялась экспериментально.

Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты:

1. Исследованы частотные свойства ФЧХ нижнечастотного и высокочастотного каналов диплексера, реализованного на паре полиномиальных фильтров ФНЧ-ФВЧ, показано наличие экстремума фазовой характеристики диплексера в переходной зоне и определены его параметры;

2. Показано, что увеличение порядка фильтров в каналах диплексера приводит к сужению линейной части ФЧХ в каналах, увеличению неравномерности ФЧХ в переходной зоне;

3. Исследованы частотные свойства ФЧХ и ГВЗ в полосах пропускания многополосных фильтров с любым числом полос пропускания при Кауэровской и Баттервортовской аппроксимации АЧХ;

4. Для двухполосного фильтра с Кауэровской и Баттервортовской аппроксимацией АЧХ с различным числом реактивных элементов выполнен анализ характеристик ФЧХ и ГВЗ на всей оси частот при различном расположении полос пропускания друг относительно друга и найдены критические параметры, при которых становится заметным искажение характеристик;

5. Предложен принцип построения многочастотных микрополосковых резонаторов с развязкой резонансных частот для синтеза многополосных фильтров с независимой настройкой АЧХ в каждой из полос пропускания. Выполнен теоретический анализ предложенных резонаторов, определено условие развязки резонансных частот, моделированием найдены оптимальные соотношения для конструктивных параметров многочастотного резонатора и максимальное число резонансных частот;

6. На основании выполненных теоретических исследований предложены конструкция двухполосного фильтра на основе двухмодовых резонаторов, защищенная патентом, и конструкция диплексера на паре полосовых фильтров, на которую подана заявка на патент, отличающиеся независимой настройкой АЧХ в каждой из полос пропускания и минимальными габаритами;

7. Предложена микрополосковая структура с полосовой АЧХ, имеющая нули в полосах задерживания, которая может использоваться в качестве ФВЧ в диплексерах на паре ФНЧ-ФВЧ. Выполнен анализ предложенной структуры, определены ее оптимальные параметры.

Основные положения, выносимые на защиту:

1.Диплексеры на паре фильтров ФВЧ-ФНЧ имеют в переходной зоне в каждом из каналов экстремум ФЧХ, величина которого возрастает с увеличением порядка фильтров и затухания в полосе задерживания.

2.В многополосных фильтрах при разносе центральных частот на величину менее суммы двух соседних полос пропускания начинает увеличиваться неравномерность характеристик ФЧХ и ГВЗ, возрастающая с увеличением порядка фильтра.

3.В многочастотных резонаторах, выполненных на пересекающихся в центральной точке проводниках полуволновых резонаторах, количество пересекающихся проводников не должно превыщать четырех для получения резонатора с высокой степенью развязки резонансных частот.

4.Использование ФНЧ и ФВЧ структур на основе фазовой цепи СВЧ первого порядка позволяет создавать СВЧ диплексеры с контролируемыми нулями передачи в полосах задерживания фильтров и малыми потерями в полосах пропускания.

Практическая ценность новых научных результатов. В диссертационной работе показана возможность создания многополосных фильтров и диплексеров СВЧ с минимальными искажениями характеристик ФЧХ и ГВЗ, имеющих минимальные габариты и выполнимых по различным технологиям.

Предложенная методика оценки искажений ФЧХ при сближении полос пропускания друг с другом позволяет разработчикам грамотно подойти к выбору порядков фильтров в многополосных фильтрах и диплексерах в зависимости от расположения полос пропускания и требуемого подавления между полосами.

Разработанные в диссертационной работе диплексеры на паре фильтров ФВЧ-ФНЧ с широкими канальными полосами пропускания и диплексер на паре полосно-пропускающих фильтров, в основе которых лежат полуволновые резонаторы, найдут широкое применение в радиоприемных устройствах аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS для разделения сигналов диапазонов L1 и L2 и для разделения сигналов в системах мобильной связи.

Предложенные в диссертации структуры двухполосных фильтров и диплексеров, одна из которых защищена патентом, а на другую подана заявка на патент, с независимой настройкой полос пропускания могут быть выполнены на многослойной диэлектрической подложке и на основе LTCC технологий и найдут широкое применение в телекоммуникационном оборудовании и аппаратуре потребителей спутниковых навигационных систем.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты работы получены в процессе выполнения трех госбюджетных НИР в 2009- 2013 г. на кафедре РЭС СПбГЭ-ТУ (ЛЭТИ), а также при выполнении в 2013-2014г. научной работы в рамках государственного контракта № У-2013-1/7 на тему: «Разработка многочастотных резонаторов с некратными частотами и фильтров на их основе» от 01.04.2013 в рамках программы УМНИК. Материалы диссертации использованы в научных разработках кафедры, в учебном процессе, в ЗАО «Транстроника» и в ОАО НТЦ «Завод ЛЕНИНЕЦ».

Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на 20-й, 21-й и 22-й Международных конференциях «Microwave & Telecommunucation Technology», (Sevastopol, Crimea, Ukraine 2010, 2011, 2012г.), на 1 и 2-ой всероссийской научной конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ» (г. Санкт-Петербург, 2012, 2013г.), а также научно-технических конференциях профессорского - преподавательского состава СИбГЭТУ (ЛЭТИ) в 2010-2014 г.

Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 10 печатных научных работах, в числе которых 3 статьи, входящие в Перечень ВАК, один патент на полезную модель и 6 трудов международных и всероссийских научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, 2 приложений и списка литературы, включающего 67 наименований. Основная часть работы изложена на 141 странице и содержит 103 рисунка.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемых проблем, сформулированы цели диссертационной работы и её основные задачи, определена практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе приводится обзор материалов по методам построения многополосных фильтров (МФ). Рассматриваются варианты построения МФ на основе параллельного соединения полосно-пропускающих фильтров (ППФ) с решением проблем контроля неравномерности АЧХ в полосах пропускания и уровня подавления сигнала между ними. Обсуждаются достоинства и недостатки реализации МФ на основе каскадного соединения ППФ и полосно-запирающего (ПЗФ) фильтров, а также комбинации параллельного соединения и ППФ с ПЗФ. Показана перспективность использования в МФ многочастотных резонаторов, например кольцевых, двухчастотных. Излагаются материалы по классическому методу синтеза МФ по рабочим параметрам от нижнечастотного фильтра-прототипа с использованием многополосового реактансного преобразования частоты, показано удобство использования этого

подхода к решению задачи оценки поведения ФЧХ в многополосных фильтрах. В материалах работы указывается, что все рассмотренные структуры МФ обладают общими недостатками: взаимосвязью АЧХ в полосах пропускания, большими размерами и сложными системами цепей согласования. Указывается также, что практически отсутствуют работы посвященные исследования характеристик ФЧХ и ГВЗ для МФ, относительно небольшое число работ посвящено поиску структур МФ, которые могли бы обеспечить возможность раздельных настроек АЧХ фильтра в каждой из его полос пропускания.

Рассматриваются основные соотношения для канальных характеристик передачи у частотно-разделительных устройств фильтрового типа, в том числе диплексеров на принципе параллельного соединения ФНЧ-ФВЧ.

Рассмотрена взаимосвязь между АЧХ и ФЧХ для минимально-фазовых цепей с помощью преобразования Гильберта, записанного в различных формах, обсуждаются примеры расчетов ФЧХ внутри полос пропускания ФНЧ и ППФ.

На основании анализа приведенных в первой главе обзорных материалов определяются задачи исследований в диссертационной работе.

Во второй главе приводятся результаты исследования фазовых характеристик каналов диплексера на паре фильтров ФНЧ-ФВЧ при кусочно-линейной аппроксимации АЧХ, показанной на рисунке 1.

Показано, что при использовании в каналах диплексера полиномиальных фильтров фазовая характеристика нижнечастотного канала описывается системой уравнений:

А

Я>г\ Н =

я Лп[со21а\)

А

\F(colco2)-F{alo\)), если со е[0,ю,)

■ ——[F{colloj) + F{colm2))\, если охе[о\,со2) , (1)

А

л-\х\[а>21а\) где Aq - разность между уровнями затухания АЧХ в полосе задерживания и в полосе пропускания, выраженная в неперах, а\ = 2лfx и а^ = 2лf2 - круговые частоты, а функция F(x)- первообразная:

(.F(a\la>)-F(a>2lco)), если со е [<я2,<»)

Is:

F(x)= Г In i 7-—- 1 • = 2 - X ■

J 11-х J X k=0

„24+1

(2)

k=0(2k + \)

Аналогичная система уравнений получена

A fcin h

Рисунок 1

для ФЧХ высокочастотного канала диплексера. Показано, что ФЧХ в обоих каналах имеет

экстремум на частоте стыковки сост — -со, => /ст = ■ /2 , причем максимальное по модулю значение фазового сдвига на этой частоте, а значит и неравномерность ФЧХ, зависят от уровня затухания в полосе задерживания и от ширины полосы стыковки и составляет:

(

— 2

л

(3)

Эти результаты позволили выработать рекомендации разработчикам по выбору порядка фильтров в каналах диплексера в зависимости от требуемого уровня фазовых искажений.

Найдены аналитические выражения для ФЧХ в полосах пропускания предельных МФ, АЧХ которых соответствует рисунку 2 и которые получены из Кауэровского фильтра-прототипа многочастотным реактансным преобразованием частоты. Для МФ, имеющего п полос пропускания, с аппроксимацией АЧХ полиномом Баттерворта степени N выражение дня ФЧХ в полосах пропускания фильтра получено в виде:

ср(со) = ——•/' л

п- 1г - , -| п

п со--со-. У со-В-У А со-,

(4)

где <а0/, сор[ - нули и полюсы многочастотного реактансного преобразования частоты,

определяемые из решения однородных уравнении:

" I

п

!=Л

со -Асо,-со-со,

(5)

полученных путем группировки членов с четными и нечетными степенями со. При четных степенях со под гоп- в (5) понимаются центральные частоты полос пропускания МФ с ширинами Дй);, на которые необходимо синтезировать фильтр (см. рисунок 2). На частотах, соответствующим полюсам реактансного преобразования частоты (уравнение с нечетными степенями а> ), АЧХ МФ стремится к нулю, а ФЧХ меняет знак на противоположный.

Для двухполосного фильтра с бесконечным числом элементов и равными ширинами полос пропускания Д(»| = Д а>2 = Д со получено выражение для ФЧХ во всей полосе частот в зависимости ширины

О

-К,

1|Х(а))|,дБ >го соИ

Аа)п 1 'дю. 1

Г '1

| __1 1

1

Рисунок 2

полосы пропускания Дсо и взаимного расположения центральных частот полос (У01, ю02 друг относительно друга, определяемого коэффициентом к :

<р(со) = —г

К0 ]д 2Д со- ■со+ Н-Ч)

20-Л-Ще) "' 2Д СО- ■со- к-о

, (6)

где К0 [дБ] - максимальное затухание АЧХ в полосах задерживания МФ,

= ®„, +к-Асо, а ю_, = ,/<» ® .

02 01 Р1 V 01 02

Расчет ФЧХ по приведенной формуле позволил определить критичное сближение полос в двухполосном фильтре, когда начинаются искажения частотных характеристик ФЧХ и ГВЗ. При этом характеристики ФЧХ и ГВЗ внутри каждой из полос пропускания оказываются ассиметричными и сдвинутыми к частоте шрХ. Характеристики ФЧХ и ГВЗ для значения

к = 2 показаны на рисунке 3.

При дальнейшем сближении полос пропускания двухполосного фильтра искажения частотных характеристик ФЧХ и ГВЗ еще более усиливаются, сохраняя при этом геометрическую симметрию относительно частоты /р].

Эти результаты позволяют оценить неравномерность ГВЗ в полосах пропускания двухполосного фильтра и необходимость компенсации полученных неравномерностей при использовании широкополосных сигналов цифровыми методами при постобработке.

Получено аналитическое выражение для ФЧХ двухполосного фильтра с конечным чис- Рисунок 3

лом реактивных элементов N при аппроксимации АЧХ полиномами Баттерворта:

(

7 л

К-&)

2-Д со- ¡V 40

(7)

Выполнен анализ полученного выражения и получено подтверждение, что и при конечном числе элементов в фильтре-прототипе критическим является сближение центральных частот полос пропускания на величину равную сумме обеих полос.

В третьей главе предлагается принцип построения многочастотных микрополосковых резонаторов с развязкой резонансных частот для синтеза многополосных фильтров с независимой настройкой АЧХ в каждой из полос пропускания. В основу этого принципа положено свойство развязки резонансных частот полуволновых резонаторов, пересекающихся в цен-

Рисунок 4

тральной точке. Получена матрица передачи такого резонатора, на основании которой доказывается развязка резонансных частот у простейшего крестообразного резонатора, топология которого приведена на рисунке 4.

Математическим моделированием подтверждена независимость одной из резонансных частот при симметричном изменении длины второго резонатора. Это подтверждается рисунком 5, где приведены результаты моделирования двухчастотного резонатора, когда физическая длина первого резонатора остается постоянной, а длина второго резонатора изменяется с увеличением номера итерации расчета.

В диссертации показано, что максимальное число пересекающихся полуволновых резонаторов целесообразно ограничить четырьмя, определены оптимальные соотношения для конструктивных параметров такого многочастотного резонатора.

На основании выполненных исследований многочастотных резонаторов в дис- Рисунок 5 сертации предложена конструкция двухполосного фильтра, выполненного на двухчастотных

Porti

резонаторах, защищенная патентом на полезную модель. Резонаторы фильтра выполнены в виде V-образных проводников, расположенных на различных сторонах среднего слоя трехслойной подложки и соединенных металлизированными отверстиями связи, проходящими через средний слой подложки. На рисунке 6 черным цветом обозначены проводники на верхней стороне среднего слоя подложки, а белым - на нижней стороне, отверстия заштрихованы. Результат электромагнитного моделирования двухполосного фильтра показан на рисунке 7.

Другим примером использования рассматриваемого принципа построения многочастотных резонаторов с развязкой центральных частот и полос пропускания является предложенная в третьей главе диссертации конструкция диплексера, на которую подана заявка на патент. Структурно дип-лексер состоит из двух соединенных с источником сигнала ППФ, реализованных в виде цепочки полуволновых резонаторов, связанных друг с другом емкостной связью через средний

1000 1150 1300 1450 1600 1750 1900 / МГц

слой трехслойной диэлектрическом подложки, настроенных на разные центральные частоты и подключенные каждый к своему выходу. Нечетные и четные по номеру полуволновые резонаторы обоих ППФ расположены сверху и снизу среднего слоя подложки, причем разомкнутые концы проводников соседних резонаторов каждого фильтра расположены на различных сторонах среднего слоя подложки друг над другом. Полуволновые резонаторы первого и второго ППФ с одинаковыми номерами пересекаются в средних точках и образуют двухчастотный крестообразный резонатор (ри- Рисунок 7

сунок 8). Для подавления паразитных полос пропускания точки пересечения полуволновых микрополосковых резонаторов первого и второго ППФ соединены с нижним и верхним экранирующими металлическими слоями с помощью металлизированных отверстий связи через слои диэлектрической подложки. Поскольку оба ППФ, образующих диплексер, расположены в одном объеме, то заявленная конструкция отличается малыми габаритами. Результат электромагнитного моделирования показан на рисунке 9.

Обе конструкции как двухполосного фильтра, так и диплексера могут быть реализованы с любым числом резонаторов, позволяют реализацию не только на симметричной полосковой линии, но и на несимметричной микрополосковой линии с одним нижним экраном либо с помощью ШСС технологий.

В третьей главе предлагается структура полосового фильтра на основе фазовой цепи первого порядка, у которой имеются дополнительные нули передачи в полосах задерживания, положением которых можно управлять. Показано, что это позволяет с помощью ФНЧ структуры, также выполненной на основе фазовой цепи первого порядка, сформировать структуру диплексера на паре ФНЧ-ФВЧ с широкими рабочими полосами.

Предложенная структура ФВЧ показана на рисунке 10. В результате анализа цепи получено уравнение, определяющее положение нулей передачи в полосах задерживания:

Р2 Ж Ш РЗ Рисунок 8

,=о.

(8)

где г = (Хое -2оа У2 , остальные параметры понятны из рисунка 10.

Для частного случая в = 20-, получены корни уравнения (8), определяющие частоты

нулей передачи:

= 2 лк, вп = arctg где к - целые числа.

2-r + Z,

Z2

- лк, 6*23 ■

-arctg

2-r + Z,

(9)

•|S21|

-|S11|

---|S31]

0.0 -5.0

-10.0 « -150

Л -20.0

й -25.0 -30.0 -35.0 -40.0 -45.0

— V

/ 4 / / \

\ 1 \

\ N

1 / 4i

N t

/

✓ ' \ i

у s

1150 1300

1450 1600 /МГц

При д2 —> л + 2лк получаем значение центральной частоты полосы пропускания.

В диссертации решена и обратная задача - формирование цепи с минимальным числом нулей передачи в полосе задерживания и максимальной шириной полосы пропускания, когда фильтр имеет

О

zao.zm

<

Рисунок 9

АЧХ наиболее близко совпадающую с АЧХ ФВЧ. Такой фильтр может найти применение в широкополосных системах связи. Он обладает максимально плоской характеристикой внутри полосы пропускания, что прогнозирует линейную фазочастотную характеристику и постоянную скорость ее изменения по частоте. На основе этих результатов предложена структура широкополосного диплексера, показанная на рисунке 11.

Четвертая глава содержит результаты разработки и экспериментальных исследований трех вариантов малогаба- Рисунок 10

ритных микрополосковых диплексеров на паре ФНЧ-ФВЧ и парах полосовых фильтрах, полосы пропускания и задерживания которых были выбраны так, чтобы обеспечить частотное разделение сигналов диапазонов L1 и L2 в приемниках навигационных систем ГЛОНАСС и GPS. Диплексер на паре ФНЧ-ФВЧ может быть использован и для разделения сигналов мобильной связи GSM диапазонов 900МГц и 1800МГц. Диплексер обеспечивает малые потери в полосах пропускания и высокую развязку в полосах задерживания при минимальных габаритах и реализации для монтажа по SMD технологиям. Топология диплексера представлена на ри-

7 7

^Loo^Loe

в,

s,

mv iiidii

Рисунок 11

сунке 12, а его расчетные (сплошная линия) и экспериментальные (точки) частотные характеристики — на рисунке 13.

Рисунок 12

Рисунок 13

Диплексер был выполнен на керамической подложке с £ = 80 и tan 8 = 0.003. Размеры его составляют 10.3*15.8*0.5 мм3.

Диплексер на паре ППФ с Я/2 - резонаторами на диапазоны L1 и L2 , выполненный на той же керамической подложке, имеет размеры 17.5*7.4*0.5 мм3, уровень потерь в полосах пропускания не более 2дБ и затухание в полосах задерживания не менее ЗОдБ.

Результаты раздела 3.1 позволили разработать двухполосный фильтр с раздельной настройкой полос пропускания. Топология фильтра и его частотные характеристики приведены на рисунках 14 и 15. Расчетные и измеренные характеристики хорошо коррелируются друг с другом. К достоинствам такого фильтра можно отнести три ярко выраженных и контролируемых нуля передачи, два из которых расположены по краям характеристики, а один в центре. Двухполосный фильтр также выполнен на керамической подложке с £ = 80 и

1апс> = 0.003, размеры фильтра составляют 17*11*0.5 мм3 и могут быть уменьшены до 12*11*0.5мм3.

Рисунок 14

Model --Measured

/МГц

Рисунок 15

Кроме описанных выше диплексеров и двухполосного фильтра, самостоятельное значение имеет и разработанный в процессе работы над диссертацией ряд керамических микро-полосковых ППФ на диапазоны спутниковых навигационных систем Ь1=1575МГц и Ь2= 1240МГц. Эти фильтры имеют малые габариты, высокую вибрационную и радиационную стойкость. Некоторые из них, например ППФ на полуволновых резонаторах, выпускаются серийно и используются в различных по назначению приемниках навигационных систем, что отмечено в акте внедрения.

Основные результаты диссертационной работы

1. Исследованы частотные свойства характеристик ФЧХ и ГВЗ каналов диплексера,

реализованного на паре полиномиальных фильтров ФНЧ-ФВЧ. Показано наличие экстремумов фазовой характеристики в каналах в переходной зоне, определены их частота и максимальное значение фазового сдвига. Исследованы различия характеристик ФЧХ и ГВЗ для отдельного фильтра и фильтра в составе диплексера, установлена связь между параметрами фильтров в составе диплексера и неравномерностью ФЧХ в каналах.

2. В общем виде решена задача определения ФЧХ и ГВЗ в полосах пропускания многополосных фильтров с любым числом полос пропускания при Кауэровской и Батгервортов-ской аппроксимации АЧХ. Для предельного двухполосного фильтра с бесконечным числом реактивных элементов и для двухполосного фильтра с аппроксимацией АЧХ полиномами Баттерворта выполнен анализ искажений характеристик ФЧХ и ГВЗ на всей оси частот при различном расположении полос пропускания друг относительно друга.

3. Предложен принцип построения многочастотных микрополосковых резонаторов с развязкой резонансных частот для синтеза многополосных фильтров с независимой настройкой АЧХ в каждой из полос пропускания. Выполнен теоретический анализ предложенных резонаторов, определено условие развязки резонансных частот, найдены оптимальные соотношения для конструктивных параметров многочастотного резонатора

4. На основании выполненных теоретических исследований предложена, защищенная патентом, конструкция двухполосового фильтра на основе многочастотных резонаторов с развязкой центральных частот полос пропускания и предложена конструкция диплексера на паре полосовых фильтров, отличающаяся минимальными габаритами, на которую подана заявка на патент.

5. Предложена и исследована микрополосковая структура с полосовой АЧХ, имеющая нули в полосах задерживания, которая может использоваться в качестве ФВЧ в диплексерах на паре ФНЧ-ФВЧ, определены ее оптимальные параметры. Показана возможность реализации диплексера с широкими полосами пропускания и задерживания в совокупности с известной структурой ФНЧ на основе фазовой цепи первого порядка.

6. На основе теоретических исследований в главах 2 и 3 диссертации была оптимизирована и реализована конструкция диплексера на паре фильтров ФНЧ-ФВЧ, выполненная на керамике с высокой электрической плотностью. Результаты экспериментальных исследований диплексера хорошо совпали с результатами моделирования. Диплексер используется для разделения сигналов в приемниках спутниковых навигационных систем и может использоваться для разделения сигналов в системах мобильной связи.

7. По результатам теоретических исследований главы 3 выполнена оптимизация, разработка и экспериментальные исследования двух типов диплексеров на полосно-пропускающих фильтрах для разделения сигналов в спутниковых навигационных системах. Экспериментальные и расчетные характеристики диплексеров совпадали с достаточной для практики точностью.

8. Выполнена разработка линейки полосно-пропускакнцих фильтров для спутниковых навигационных систем на керамических подложках с высокой диэлектрической проницаемостью, отличающихся малыми габаритами и ориентированных на монтаж с помощью 8МО технологий.

9. На основе теоретических исследований, выполненных в главах 2 и 3 диссертации, была предложена конструкция и выполнена разработка двухполосного фильтра с развязкой полос пропускания и возможностью их отдельной настройки для приемников спутниковых навигационных систем на керамической подложке с высокой диэлектрической проницаемостью. Результаты экспериментальных исследований двухполосного фильтра хорошо совпали с результатами моделирования и подтвердили теоретические разработки.

Все устройства, которые были разработаны в процессе работы над диссертацией, являются результатами выполнения трех госбюджетных НИР в 2009-2013 г. на кафедре РЭС СПбГЭТУ (ЛЭТИ) с участием автора диссертации. В рамках первого года программы "УМНИК", выполняемой автором, реализован двухполосный фильтр с независимой настройкой полос пропускания. Диплексер на полуволновых фильтрах и двухполосный фильтр выпускаются серийно в ЗАО «Транстроника» (г.Санкт-Петербург).

Опубликованные научные работы по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Бабушкина, O.A., Кершис, С.А. СВЧ фильтры высоких частот с широкой полосой задерживания/ O.A. Бабушкина, С.А. Кершис//Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". — 2011. — № 2. — стр. 8-13.

2. Кершис, С.А. Многочастотные резонаторы и фильтры на их основе/ С.А. Кершис // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ",—2012.— №9,— стр. 3-7.

3. Головков, A.A., Кершис, С.А. Частотные характеристики фазы и группового времени задержки многополосовых фильтров/А.А.Головков, С.А.Кершис// Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника.— 2013.— №5.— стр.14-17

4. Патент РФ на полезную модель № 131902/Головков А.А, Кершис С.А. СВЧ двухполосный микрополосковый фильтр; опубликован 27.08.2013, бюл.№ 24,

и в других изданиях

5. Babushkina, О., Golovkov, A., Kuzmenko, V. Kerhis, S. Miniature Filters, Diplexers and Antennas of L-Band used in receivers of Satellite Radionavigation system/ O. Babushkina, A. Golovkov, V. Kuzmenko, S. Kershis// Electrical and Electronic Engineering.—2012.— Vol. 2.— no. 6,— pp. 409-414.

6. Кершис, С.А. СВЧ фильтр с двумя полосами пропуская на основе двухмодовых X-образных микрополосковых резонаторов / С.А. Кершис// Сборник докладов 66-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ.—Санкт-Петербург—1-8 февраля 2013.— стр. 10-16.

7. Кершис, С.А., Гомонова, А.И. Микрополосковые резонаторы с некратными частотами и полосовые фильтры на их основе/ С.А. Кершис, А.И. Гомонова//Всероссийская конференция Микроэлектроника СВЧ. Сборник трудов конференции Том 2.—Санкт-Петербург.— 4-7 июня 2012—стр. 175-180.

8. Бабушкина, O.A., Головков, A.A., Пивоваров, И.Ю., Кершис, С.А. Миниатюрные диплексоры и фильтры для аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем Глонасс и GPS/ O.A. Бабушкина, A.A. Головков, И.Ю. Пивоваров., С.А.Кершис// СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии: Труды 21-ой международной крымской конференции.— Севастополь, Украина.— 12-16 сентября 2012г. —Том 2: стр. 610-613.

9.Бабушкина, O.A., Головков, A.A., Пивоваров, И.Ю., Кершис, С.А. Миниатюрные фильтры и диплексеры L-диапазона для радионавигационных систем Глонасс-GPS/ O.A. Бабушкина, A.A. Головков, И.Ю. Пивоваров., С.А.Кершис// СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии: Труды 22-ой международной крымской конференции.— Севастополь, Украина.— 10-14 сентября 2012г. —Том 2: стр. 557-558.

10. Бабушкина, O.A., Кершис С.А. СВЧ диплексор на основе фильтров высоких и нижних частот/ O.A. Бабушкина, С.А. Кершис // Сборник трудов научно-технической конференции микроэлектроники.—Военно-Морской Институт Радиоэлектроники им А. С. Попова.— стр. 13-18.

Подписано в печать 14.04.14. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 31.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)

(СПбГЭТУ)

на правах рукописи

04201459719

Кершис Сергей Александрович

ФАЗОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОПОЛОСНЫХ

ФИЛЬТРОВ И ДИПЛЕКСЕРОВ СВЧ И ПОИСК ПЕРСПЕКТИВНЫХ СХЕМНО-КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

Специальности: 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Головков Александр Алексеевич

Санкт-Петербург, 2014

Содержание

Введение.......................................................................................................................4

Глава 1. Обзор материалов и постановка задачи......................................................10

1.1. Варианты построения многополосных фильтров........................................10

1.2. Многополосные фильтры с независимой настройкой.................................24

центральных частот полос пропускания................................................................24

1.3. Двухкаиальные частотно-разделительные устройства СВЧ.......................28

1.4. ФЧХ многополосных фильтров и диплексеров...........................................35

1.5. Постановка задачи исследований.................................................................39

Глава 2. ФЧХ диплексеров и многополосных фильтров.........................................40

2.1. Фазочастотные характеристики диплексера...................................................41

2.2. Фазочастотные характеристики многополосных фильтров..........................55

2.3. ФЧХ двухполоспого фильтра..........................................................................62

2.3.1. ФЧХ двухполосного фильтра с бесконечным числом реактивных элементов..............................................................................................................62

2.3.2. ФЧХ двухполосного фильтра с конечным числом реактивных элементов ...............................................................................................................................69

2.4. Выводы по результатам исследований в главе 2............................................73

Глава 3. Многополосные фильтры и диплексеры СВЧ...........................................74

3.1 СВЧ многополосные фильтры с независимой настройкой.............................75

центральных частот и полос пропускания.............................................................75

3.1.1. Теория двухчастотного крестообразного резонатора..............................75

3.1.2 Влияние геометрии многочастотпого резонатора на................................82

его рабочие характеристики................................................................................82

3.2. Пример реализации двухполосного фильтра на основе.................................94

двухчастотных резонаторов крестообразной топологии......................................94

3.3. Пример реализации диплексера на основе двухчастотных...........................98

резонаторов крестообразной топологии................................................................98

3.4. СВЧ диплексер на основе фильтров нижних и высоких частот с нулями передачи в полосах задерживания.......................................................................102

3.4.1. СВЧ фильтр нижних частот с дополнительными нулями передачи в полосе задерживания.........................................................................................102

3.4.2. СВЧ фильтр высоких частот с дополнительными нулями передачи в полосе задерживания.........................................................................................104

3.4.3. СВЧ диплексср на основе СВЧ ФНЧ и СВЧ ФВЧ.................................111

3.5. Выводы по результатам исследований в главе 3..........................................115

Глава 4. Разработка и экспериментальное исследование......................................116

4.1. Диплексеры для системы ГЛОНАСС и GPS................................................118

4.1.1. Диплексер на паре ФВЧ и ФНЧ..............................................................118

4.1.2. Диплексер на четвертьволновых полосно-пропускающих фильтрах ... 120

4.1.3. Диплексер на полуволновых полосно-пропускающих фильтрах..........124

4.2. Двухполосный фильтр для системы ГЛОНАСС и GPS..............................129

4.3. Выводы по результатам исследований в главе 4..........................................132

Заключение...............................................................................................................133

Список литературы..................................................................................................136

Приложение 1. GPS диплексеры DLI и K&L.........................................................142

Приложение 2. GPS фильтры DLI...........................................................................146

Введение

За прошедшие двадцать лет информационные технологии достигли небывалых высот и продолжают развиваться и модернизироваться с целью удовлетворения растущих потребностей человечества в телекоммуникационных услугах. Сегодня проводные технологии способны обеспечивать передачу данных на большие расстояния со скоростью до 1Тбит/с. Это стало возможным благодаря оптоволоконным линиям и средствам связи. Когда огромные цифровые потоки, курсирующие между глобальными серверами, расположенными в различных частях мира и являющиеся средством распределения потоков между конечным пользователями, достигают точки назначения встает вопрос о принципах дальнейшей передачи информации. В настоящее время это выполняется с помощью проводной или беспроводной технологий. Потребитель, сидящий дома за компьютером, должен иметь одинаковые комфортные условия работы с интернетом как по проводным технологиям типа LAN(Local area network), так и беспроводным - WLAN (Wireless LAN).

Проводная локальная сеть может обеспечивать скорость до 1 Гиб/с, используя качественные витые пары шестой категории, где каждая пара проводников экранирована и отделена от соседней. Подключение к глобальной сети средствами WLAN пока не может обеспечить таких скоростей по ряду причин: во-первых, в силу физических особенностей распространения сигнала по радиоканалу, который отличается низкой помехозащищенностью и высокими потерями, во-вторых, аппаратура связи должна быть широкополосной и устойчивой к внешним помехам, в-третьих, дальность работы ограничена мощностью передатчика, радиогоризонтом, а также местными препятствиями.

В 1928 г. Р. Хартли вывел соотношение между полосой пропускания, временем передачи и информационной емкостью канала связи:

C~Bt, (1)

где С- информационная емкость капала связи [бит/с], /-время передачи [с], В - полоса пропускания [Гц].

На этом работа не была остановлена. Последователь Хартли - Клод Шеннон продолжил работу известного ученого и в 1948 г установил зависимость между информационной емкостью канала связи, полосой пропускания и отношением сигнал/шум системы:

C = ZMog2(l+1S7A0, (2)

где S- полная мощность сигнала в заданной полосе частот [Вт], N- мощность аддитивного белого шума в той же полосе частот [Вт].

Согласно (1) информационная емкость канала это линейная функция полосы пропускания и времени передачи и прямо пропорциональна им, а из (2) видно, что она является еще и функцией соотношения сигнал/шум системы [1].

По теореме Шеннона-Хартли определяется максимальная пропускная способность канала связи, а для ее достижения каждый передаваемый символ должен кодироваться комбинаций из нескольких бит, что будет приводить к увеличению ширины спектра мощности передаваемого сигнала. Для обеспечения возможности работы с таких широкополосными сигналами, аналоговая часть приемного или передающего тракта должна обладать хорошими качественными характеристиками по равномерности амплитудно-частной характеристики (АЧХ), уровню подавления внеполоснЕлх сигналов, линейности фазочастотной характеристики (ФЧХ) и, как следствие, группового времени запаздывания (ГВЗ).

Современные системы связи являются многодиапазонными. Так, например, WLAN работает на центральных частотах 2.4ГГц/5ГГц, сотовая связь 850МГц/ 900МГц/950МГц/1800МГц, глобальные спутниковые системы позиционирования ГЛОНАСС, GPS, Galileo также работают в двух диапазонах L1 и L2. Аппаратура связи должна обеспечивать уверенную работу одновременно со всеми поддерживаемыми диапазонами, а это накладывает дополнительные требования к радиочастотному тракту нриемо-передатчика. Помимо всего прочего, массогабаритные показатели устройства должны быть минимально-возможными. Современные мобильные телефоны имеют размер не больше человеческой ладони и массу не более 300 граммов. В связи с этим, количество функциональных блоков, расположенных на заданной площади печатной платы, становится все больше, а сами

размеры блоков меньше. Сегодня производительность одного функционального узла соизмерима с производительностью 3-4 таких узлов 30 лет назад.

В работе [2] описан двухдиапазонный приемо-передатчик WLAN 2.4ГТц/5ГГц, выполненный в виде интегральной схемы, реализованной по технологии КМОП 0.25 микрон и занимающей суммарную площадь всего 25 мм2. Средняя мощность передатчика составляет 10 дБмВт на одну поднесущую OFDM с использованием модуляции вида QAM-64, коэффициент шума приемника 4.5/5.5 дБ на частотах 2.4ГГц/5ГГц, соответственно. Упрощенная структурная схема устройства, поддерживающего стандарты WLAN 902.11 a/b/g/n, представлена на рисунке 1.

External

External LNA (Optional)

Control

Рисунок 1. Упрощенная структурная схема модуля \VLAN В состав модуля входят три основных функциональных компонента: двух диапазонный антенно-фидерный тракт (АФТ) с СВЧ фильтрами, интегральный приемо-передатчик также на два диапазона, и цифровой блок с 10-битным АЦП и ЦАП с вычислительным модулем для декодирования информации и реализации локальных сервисов поддержки протоколов >УЬАЫ. Скорость оцифровки 86МГц и 176МГц для АЦП и ЦАП, соответственно. В АФТ входят две двух диапазонные антенны на прием и передачу, коммутаторы для переключения между антеннами и фильтры для селекции двух диапазонов.

Минимизация размеров каждого из компонентов, входящих в структурную схему, изображенную на рисунке 1, является ключевым моментом. Недостаточно уменьшать размеры только интегральной части, чтобы достичь желаемых размеров печатной платы итогового устройства, нужно обеспечить и компактность ан-тенно-фидерного 'факта со всеми его цепями согласования и электрическими фильтрами. На печатной плате СВЧ устройства, как правило, реализуются в виде компактных устройств, соединенных проводниками, имеющими стандартное волновое сопротивление. В качестве антенн используются планарпые печатные антенны, реализованные из соображений минимизации размеров при приемлемой эффективности. Габариты антенно-фидерного тракта зависят от частоты. Так, например, для стандарта GSM 850МГц/900МГц размеры антенн могут достигать 100 мм, а для WLAN 5ГГц — десятков миллиметров.

Ранее предполагалось, что для работы с несколькими диапазонами частот, можно использовать два встроенных устройства, каждый из которых работает на своей частоте. Однако сейчас используют двух и более диапазонные приемопередатчики, подобные описанным в [2], и аптеппо-фидерпые устройства (АФУ), работающие в нескольких диапазонах. Одними из наиболее распространенных компонентов в составе АФТ являются многополоспые частотно-избирательные фильтры и диплексеры.

Разработка многополосных фильтрующих СВЧ устройств и частотных мультиплексоров для систем телекоммуникаций и навигации представляет комплекс сложных задач, решение которых требует проведения дальнейших исследований, особенно, в свете поиска новых перспективных схемотехнических и конструктивных решений, позволяющих уменьшить габариты этих устройств, упростить их проектирование, изготовление и настройку. Использование в телекоммуникационных и навигационных системах сложных сигналов приводит к необходимости подробного исследования свойств не только амплитудно-частотных, но и фазоча-стотных характеристик многополосных фильтров и диплексеров. Именно эти вопросы и определяют цель и задачи исследований в настоящей диссертационной работе.

При решении поставленных задач использовался аппарат анализа электрических цепей с сосредоточенными и распределенными постоянными, теория матриц, аппарат математического анализа и численные методы. Имитационное моделирование СВЧ устройств выполнено с использованием прикладных пакетов MathCAD, Microwave Office, Ansoft HFSS. Проверка основных теоретических результатов работы выполнялась экспериментально.

В диссертации получены следующие новые научные результаты:

— в общем виде для идеальных многополосных фильтров с бесконечным числом реактивных элементов и для фильтров с конечным числом элементов получены выражения для фазочастотных характеристик;

— исследованы фазочастотные характеристики многополосных фильтров и ди-плексеров СВЧ с оценкой степени влияния полос пропускания друг на друга;

— предложены и теоретически подтверждены основные принципы построения многополосных фильтров СВЧ, позволяющих выполнять раздельную настройку амплитудно-частотных характеристик в каждой полосе пропускания;

— предложены защищенные патентами новые структуры двухполосного фильтра и диплексера СВЧ, предложена новая структура на основе отрезков линий передачи с Т-волной, имеющая характеристики ФВЧ с большими полосами пропускания и задерживания;

— выполнены разработки и экспериментальные исследования ряда одно- и двухполосных фильтров и диплексеров для приемных устройств систем спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS.

Основные результаты работы получены в процессе выполнения трех госбюджетных НИР в 2009- 2013 г. на кафедре РЭС СПбГЭТУ (ЛЭТИ). Материалы диссертации использованы в научных разработках кафедры, в учебном процессе, в ЗАО «Транстроника» (г.Санкт-Петербург) и в ОАО «НТК «Завод ЛЕНИНЕЦ». В рамках программы "УМНИК" заключен государственный контракт сроком на 2 года в период с 2013-2015 года на разработку многочастотных резонаторов с некратными частотами и фильтров на их основе.

Основные теоретические и практические положения работы докладывались и обсуждались на 20-й, 21-й и 22-й Международных конференциях «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», (г. Севастополь, 2010, 2011, 2012г. ), на 1 и 2-ой всероссийской научной конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ» (г. Санкт-Петербург, 2012, 2013г.), а также научно-технических конференциях профессорского - преподавательского состава СПбГЭТУ (ЛЭТИ) в 20102014 г.

Основные теоретические и практические материалы диссертационной работы опубликованы в печатных научных работах, в числе которых 3 статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК РФ, 1 статья в международном издании, один патент на полезную модель и 6 трудов международных и всероссийских научно-технических конференций.

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списка литературы, включающего 67 наименований. Основная часть работы изложена на 142 страницах и содержит 103 рисунка, 2 приложения.

Глава 1. Обзор материалов и постановка задачи

1.1. Варианты построения многополосных фильтров

На сегодняшний день выполнено множество исследований в области построения многополосных фильтров (МФ), чаще всего двухполосных или трехполосных. Фильтры выполняются в различном элементном базисе, но наиболее широкое распространение получили фильтры на основе микрополосковых линий передачи.

Наиболее простым решением представляется реализация МФ на основе двух полосно-пропускающих фильтров, настроенных на разные центральные частоты и включенных параллельно. В работе [3] рассматривается одно из таких решений, а также предлагается методика синтеза фильтров, меры по контролю неравномерности в полосах пропускания и уровню подавления сигнала между ними. Структура таких МФ показана на рисунке 1.1.

Port 1 Zx,26 Port 2

Port

Port 2

Zj 2, в

Filter 1

a)

ZJ 2, в

ZJ 2, в

Filter 2

6)

Zs/2, в

Z2,26

I z2,e z3,e

Porti z,,26>

zs,e

Рисунок 1.1. а) Фильтр 1 на основе многочастотного резонатора с подключенными короткозамкнутыми отрезками линии передачи; б) Фильтр 2 на основе ступенчатого многочастотного резонатора с подключенными короткозамкнутыми отрезками линии передачи; в) Двухполосный фильтр на основе параллельного подключения фильтров 1 и 2.

В основе двухполосного фильтра лежат два параллельно включенных резонатора, один с которых ступенчатый, а второй образован включением в цепь двух короткозамкнутых отрезков линии передачи. В работах [4] и [5] рассматривается схема включения параллельно двух отрезков с целью получения нуля передачи. Это становится возможным, если электрические длины отрезков линии передачи отличаются на 180 градусов. Па рисунке 1.1. два резонатора между собой включены параллельно, длина ступенчатого резонатора составляет 4в, а длина другого 2в. Очевидно, что на некой частоте F, выполнится условие, когда в = 90°, и разница в электрических длинах резонаторов составит 20 = 180°. И на этой частоте сформируется первый ноль передачи. В микрополосковой структуре, показанной на рисунке 1.1 (в), можно получить еще два нуля передачи путем изменения волновых сопротивлений отрезков линии передачи, образующих резонаторы

В [3] приводятся аналитические выражения для расчета электрических длин линий на частотах нулей передачи, которые выглядят следующим образом:

0, = arctg(Q) = ^

Ж ¡¿о + ¿9" +Zз ( л

.М—!-^--—- . (1.1)

2 {\1ггг2 + г32-г2-гх ( -5-л

2 [\г3-г2 + г3--г2-г1у

Прототипом фильтра является фильтр Чебышева. Он имеет весьма значительную неравномерность в полосе пропускания, которая в структуре, изображенной на рисунке 1.1 (в) носит неконтролируемый