автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Анализ и синтез микроволновых объемных узкополосных ступенчатых эллиптических фильтров с реализацией на симметричной полосковой линии

На правах рукописи

КОЛЬЦОВА ТАТЬЯНА СЕРГЕЕВНА

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ МИКРОВОЛНОВЫХ ОБЪЕМНЫХ УЗКОПОЛОСНЫХ СТУПЕНЧАТЫХ ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ С РЕАЛИЗАЦИЕЙ НА СИММЕТРИЧНОЙ ПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ

05.12.07. - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ОЕЗ 2012

Санкт - Петербург 2011

005009244

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича на кафедре «Технологий электронных средств, микроэлектроники и материалов» (в лаборатории «Синтез СВЧ устройств»).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Томашевич Сергей Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дегтярев Владимир Михайлович кандидат технических наук Мовсин Владимир Евгеньевич

Ведущая организация: ФГУП «Филиал НИИР-ЛОНИИР»

Защита диссертации состоится « ».'ИнД&ЬлА^ 2012г. в /у часов на заседании диссертационного совета Д219.004.01 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, д. 61 на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « // » ¿V 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

де

В. В. Сергеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Фильтры являются важной частью многих микроволновых устройств, применяемых в радиолокации, радионавигации, космической связи и аппаратуре для научных исследований. Они используются для частотной селекции микроволновых сигналов. Развитие современной радиоэлектроники предъявляет к фильтрам все более жесткие и противоречивые требования -стабильность параметров, высокое качество исполнения, малые габариты и вес, низкая себестоимость. В связи с этим разработчикам приходится усовершенствовать методы синтеза фильтров.

Наиболее часто в современной микроволновой технике используются фильтры Баттерворта и Чебышёва, то есть полиномиальные фильтры, однако в последнее время (особенно в США, Японии и России) широкое применение получили фильтры Золотарева - Кауэра, также называемые эллиптическими фильтрами (ЭФ), так как их электрические характеристики аппроксимируются с помощью эллиптических функций Якоби. Они обеспечивают более высокую избирательность, реализуются меньшим количеством схемных элементов при одинаковых с полиномиальными фильтрами требованиями к затуханию в полосе заграждения.

По методам синтеза микроволновых ЭФ имеется ряд научных публикаций, но инженерные расчеты остаются приближенными и трудоемкими, а изготовленные ЭФ в ряде случаев обладают характеристиками, отличными от заданных техническим заданием. Приходится проводить корректирующие инженерные расчеты, экспериментальные исследования и доработки, а также вводить элементы подстройки в конструкцию ЭФ.

Наиболее перспективным направлением в современном проектировании является моделирование микроволновых устройств, которое существенно увеличивает производительность труда разработчиков СВЧ аппаратуры. Создание базы различных моделей ЭФ позволяет улучшить и ускорить работу инженеров, полностью или частично отказаться от настройки изготовленных фильтров.

Диссертационная работа посвящена проектированию микроволновых объемных узкополосных ступенчатых ЭФ на связанных многопроводных линиях с реализацией на СПЛ. Они позволяют передавать сигналы большой мощности при меньших габаритах по сравнению с фильтрами другой конструкции (волноводными, коаксиальными и т. д.).

Учитывая вышеизложенное, разработка методов анализа и синтеза данного класса ЭФ является актуальной задачей.

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности проектирования микроволновых узкополосных ступенчатых ЭФ.

Основными задачами, решения которых необходимо для достижения поставленной цели, являются:

- модернизация метода синтеза микроволновых объемных узкополосных ступенчатых ЭФ;

- создание алгоритмов анализа и оптимизации вышеназванного типа фильтров;

- исследование разработанных конструкций экспериментальными методами.

Методы исследования.

Исследования проведены с использованием аппарата анализа цепей с сосредоточенными и распределенными параметрами, теории линейных электрических цепей, теории матриц, теории связанных многопроводных линий, методов электродинамики и метода конечных элементов. Проверка теоретических положений выполнялась экспериментально и при помощи имитационного моделирования.

Научная новизна.

Модернизирован метод синтеза микроволновых объемных узкополосных ступенчатых ЭФ с реализацией на СПЛ. Проведено исследование влияния жесткости конструкции фильтра на его электрические характеристики (АЧХ, ФЧХ, затухания, КСВН вх/вых, ГВЗ, коэффициентов отражения).

Практическая ценность.

Модернизированный метод синтеза позволяет проектировать устройства с наилучшими, с точки зрения разработчика, электрическими характеристиками. Составлен подробный алгоритм моделирования и анализа объемных ступенчатых ЭФ. Исследованы пять различных структур микроволновых объемных узкополосных ЭФ на решетках круглых и прямоугольных стержней.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

Модернизированный метод синтеза микроволновых объемных узкополосных ступенчатых ЭФ на решетке прямоугольных стержней без учета диссипативных потерь;

экспериментальные исследования четырех типов объемных ступенчатых ЭФ;

подробный алгоритм имитационного моделирования объемных ЭФ;

анализ пяти моделей ЭФ и исследование влияния жесткости конструкции на электрические характеристики ЭФ.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы внедрены (имеются акты о внедрении): в ОАО «ВНИИРА» (Санкт-Петербург); в ОАО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей» (Санкт-Петербург); в учебном процессе (дипломное проектирование) и в научных разработках кафедры ТиМ СПбГУТ им. проф. М. А. Бонч-Бруевича.

Апробация работы.

Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, обсуждались и были одобрены:

- на научно-техническом семинаре «Научно - технические проблемы в промышленности: интегрированные системы автоматизированного проектирования нового поколения для разработки инновационной радиоэлектронной продукции, аппаратуры и систем», проводимой Санкт -Петербургской Ассоциацией предприятий радиоэлектроники, приборостроения, средств связи и телекоммуникаций на базе ОАО «АВАНГАРД», 1-2.07.2010 (2 доклада);

- на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, СПб, 2009-2012 (10 докладов).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе: 1 статья в журнале, рекомендуемом перечнем Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, изложена на 125 страницах, содержит 82 рисунка, 27 таблиц и двух приложений, содержащих 79 страниц, 69 рисунков и 32 таблицы. Список литературы содержит 87 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе проведена модернизация инженерного метода синтеза микроволнового объемного узкополосного ЭФ с реализацией на СПЛ по рабочим параметрам.

Исследуемая структура фильтра состоит из двух параллельно соединенных решеток связанных заземленных стержней различной длины, что позволяет уменьшить габариты конструкции по сравнению с другими реализациями фильтра. Существует метод синтеза подобного типа фильтров. Он основан на двойном частотном преобразовании Ричардса, которое позволяет перейти от значений сосредоточенных элементов низкочастотного фильтра прототипа (ФПНЧ) к полосно-пропускающему фильтру (ППФ) на распределенных элементах. Используемые преобразования матриц являются эквивалентными только в узком диапазоне частот, поэтому анализируемая структура может использоваться только для узкополосных фильтров (полоса пропускания до 5 - 8%). У фильтров, рассчитанных существующим методом, в ряде случаев наблюдается значительное смещение центральной частоты, неравномерность в полосе пропускания. Такие фильтры требуют серьезной настройки и доработки.

Инженерный метод расчета можно разделить на два этапа: электрический и конструктивный расчеты.

В работе представлен подробный вывод формул перехода от электрической схемы ФПНЧ к схемам с распределенными статическими ёмкостями «цепи 0» и «цепи я-0». Приведена подробная методика электрического расчета узкополосных ступенчатых ЭФ, проиллюстрированная синтезом ППФ с параметрами /0=3,7 ГГц, 2-А/ = 38 МГц, Лт^М дБ, 40 дБ, ^,=50 Ом и воздушным заполнением (е, = 1) без учета диссипативных потерь.

Модернизация конструктивного расчета связана с эквивалентным преобразованием ёмкостных матриц для получения структур с реализуемыми геометрическими параметрами.

Ступенчатый ЭФ является соединением двух фильтров на встречных стержнях, электрический расчет которых производится параллельно, поэтому при прямом вычислении геометрических параметров с помощью ёмкостных матриц каждой из цепей по графикам Гетзингера или Кристала в ряде случаев наблюдается разрыв частей ступенчатых стержней, их перекрытие или получение нереализуемых размеров резонаторов.

Анализ научной литературы по проектированию фильтров на встречных стержнях и проведенные инженерные расчеты показали, что для получения структуры с приемлемыми геометрическими размерами решеток следует предварительно задать диагональным элементам новой ёмкостной матрицы значения: полная нормированная ёмкость узлов после преобразования должна равняться 7-12, а нормированные ёмкости между узлами -1-5, из которых находятся необходимые масштабные множители для недиагональных элементов матрицы. Вводятся коэффициенты трансформации для элементов главной диагонали и взаимных элементов. По преобразованным ёмкостным матрицам, используя графики Гетзингера, определяются зазоры между стержнями и боковыми стенками. Рассчитываются: ширина стержней по формулам (1) и (2), длина стержней по формулам (3) и (4). Ширина краевого стержня.

(1)

Ширина промежуточных стержней.

(2)

Длина стержня «цепи в„».

( _ 0 _

(3)

Длина стержня «цепи я-0о».

е.=-

(4)

Проведен конструктивный расчет вышеупомянутого ЭФ. В результате получен фильтр, конструкция которого представлена на рисунке 1, в таблице 1 приведены геометрические параметры фильтра.

ф1° WiA Зщ* Ф4 16

%

Ш Щ

I

'/А

У/, 1

6,4

Рисунок 1 - Рассчитанная «вручную» конструкция ступенчатого ЭФ на решетке прямоугольных стержней без учета диссипативных потерь

Таблица 1 - Геометрические размеры ЭФ без учета диссипативных потерь

«Цепь <90»

линия \У0А \У4А W7 А 1 -^А

ширина, мм 6,19 5,84 4,49 3,66 2,48 1,72 1,3 2,7 1 6,3

зазор 8 $01А $!2А $23А $34А $45А $56А к $78А 8

ширина, мм 4,4 5,6 2,61 4,53 1,52 1,76 1,9 1,41 6,13 4,4

«Цепь я-ваУ>

линия W2в ТУ* W7в

ширина, мм 4,3 4,7 3,73 2,67 1,78 1,13 1Д5

зазор 8 812В $23В $34В $45В 856В §67В 8

ширина, мм 4,4 2,83 4,2 1,58 1,68 1,98 1,34 4,4

Во второй главе проведены экспериментальные исследования микроволновых объемных узкополосных ступенчатых ЭФ, реализованных на СПЛ с различными типами стержней.

Получены результаты исследования четырех экспериментальных макетов ЭФ: ЭФ седьмого порядка на прямоугольных стержнях и трех

конфигураций ЭФ пятого порядка на круглых стержнях (рисунок 2, таблица 2).

в) г)

Рисунок 2 - Экспериментальные макеты ступенчатых ЭФ на решетках связанных стержней прямоугольного (а) и круглых (б-г) сечений

Таблица 2 - Результаты экспериментальных исследований ЭФ

ЭФ со стержнями /„ГГц 4«, дБ КСВНцх/вых

прямоугольного сечения типа кз-кз 4,6 1,7 1,7/1,8

круглого сечения с входным и выходным стержнями типа кз-хх 4,82 2,3 1,5/1,8

круглого сечения с входным стержнем типа кз-хх 4,82 2,8 1,2/1,8

круглого сечения со всеми стержнями типа кз-кз 4,76 2,8 1,2/1,9

Во всех случаях наблюдаются уход центральной частоты в низкочастотную область на величину от 180 до 400 МГЦ и присутствие паразитного всплеска в высокочастотной переходной области.

Экспериментальные исследования показывают, что фильтры, рассчитанные «вручную», не удовлетворяют техническому заданию. Необходимо производить корректирующие расчеты и предусматривать элементы постройки.

Анализ экспериментальных характеристик затухания ЭФ седьмого порядка с центральной частотой 5 ГГц, рассчитанных по существующему и модернизированному методам, показал, что модернизированный метод дает ЭФ с характеристикой, более соответствующей к требованиям технического задания на проектирование (рисунок 3).

Частота |ГГЩ

Рисунок 3 - Экспериментальные характеристики затухания ЭФ на

прямоугольных стержнях, рассчитанных существующим (пунктир) и модернизированным (сплошная линия) методами

В третьей главе рассмотрены вопросы: анализ ЭФ при помощи имитационного моделирования как перспективного направления в развитии проектирования микроволновых устройств и возможность создания баз типовых структур для оптимизации процесса проектирования в будущем.

По результатам аналитического обзора существующих программ автоматизированного проектирования наибольший интерес вызвал программный продукт компании Ansoft High Frequency System Simulation (HFSS), основанный на применении метода конечных элементов для расчета электромагнитного поля в трехмерных конструкциях, что позволяет анализировать структуры различной степени сложности. Из научных публикаций видно, что HFSS применяется для анализа аналоговых устройств и обладает высокой точностью конечных результатов, но для проектирования ЭФ СВЧ ранее не применялся.

Проведено имитационное моделирование ЭФ без учета диссипативных потерь, рассчитанного по существующему и модернизированному методам (рисунок 4).

Характеристики затухания, получаемые при расчете фильтра существующим и модернизированным методами, приведены на рисунке 5.

Из результатов моделирования видно, что конструкция ЭФ, рассчитанная по модернизированному методу, дает характеристику, более близкую к заданным параметрам, но полностью их не удовлетворяет и также имеет паразитные всплески в переходных областях.

Произведена оптимизация. В работе исследовано влияния различных геометрических параметров на характеристики фильтра.

а б

Рисунок 4 - ЗБ-модели ступенчатых ЭФ без учета диссипативных потерь, рассчитанные по существующему (а) и модернизированному (б) методам

потерь, рассчитанные существующим и модернизированным методами

Проанализированы следующие электрические характеристики фильтра: затухания (рисунок 6), АЧХ, ФЧХ (рисунок 7), КСВН№,вых, коэффициентов отражения на входе и выходе (рисунок 8), ГВЗ (рисунок 9).

Исследована взаимосвязь неравномерности электрических характеристик фильтра и равномерности распределения напряженностей электрического и магнитного полей (рисунок 10) в ЭФ и плотностей токов на рабочих поверхностях ЭФ.

ЭФ после оптимизации полностью удовлетворяет техническому заданию. Отсутствуют паразитные всплески в переходной области. ГВЗ равномерно в полосе пропускания. Распределения напряженностей полей и плотностей токов показывают, что сигнал равномерно проходит по решетке фильтра.

Результаты моделирования и последующей оптимизации приведены в таблице 3.

Рисунок 6 - Характеристики затухания ЭФ без учета диссипативных потерь до и после оптимизации

Рисунок 7 - ФЧХ ЭФ без учета диссипативных потерь на решетке прямоугольных стержней до и после оптимизации

Рисунок 8 - Характеристики коэффициентов отражения вх/вых ЭФ без учета диссипативных потерь на решетке прямоугольных стержней до и после

оптимизации

|

.. ^ .А

Рисунок 9 - Характеристика ГВЗ ЭФ без учета диссипативных потерь на решетке прямоугольных стержней до и после оптимизации

Таблица 3 - Результаты моделирования до и после оптимизации ЭФ без учета диссипативных потерь

наименование

После

2 -4/, МГц

/о, ГГц

КСВНвх/,ых

1,72/1,72

1,13/1,13

11,5/11,5 68,94x30,405x 16

24,9/24,2 68,94x30,165x 16

коэффициенты отражения вх/вых

габариты, мм

а

б

Рисунок 10 - Распределения напряженностей электрического поля на решетке прямоугольных стержней ступенчатого ЭФ без учета диссипативных потерь до (а) и после (б) оптимизации

Исследованный фильтр рассчитан без учета диссипативных потерь, что невозможно при практической реализации. Поэтому аналогичные расчет, анализ и оптимизация были произведены для микроволнового объемного узкополосного ступенчатого ЭФ седьмого порядка (рисунок 11) со следующими параметрами: /0=5ГТц, 2 л/ = 170 МГц, А^ < 1,5 дБ, ^>70 дБ, Я=50 Ом, воздушное заполнение, материал стержней - посеребренная латунь. Результаты экспериментального исследования (глава II) и моделирования близки и отражают уход центральной частоты в низкочастотную сторону и появления паразитных всплесков в высокочастотной переходной области.

Рисунок 11 - Распределение напряженностей электрического поля в ЭФ с прямоугольными стержнями с учетом диссипативных потерь

Параметры ЭФ при моделировании и последующей оптимизации приведены в таблице 4 и на рисунке 12.

Таблица 4 - Результаты моделирования ЭФ с учетом диссипативных потерь

Наименование Моделирование

до оптимизации после оптимизации

/о, ГГц 4,67 5

2-4/, МГц 55,9 170

дБ 1,95 0,35

4"", дБ 36,3 72

КСВН^зых 1,23/1,89 1,35/1,33

коэффициенты отражения вх/вых 10,3/19,9 16,4/16,2

габариты, мм 68,2 х 30,8 х 18 69,9 х 24,9 х 12

до и после оптимизации

Характеристики ЭФ после оптимизации полностью удовлетворяют техническому заданию, при этом удалось уменьшить его габариты, что важно для миниатюризации оборудования. Характеристика затухания равномерная (без выбросов и паразитных всплесков). ГВЗ линейно в полосе пропускания. Распределения полей и токов показывают, что возможен пробой на краях 6-го стержня. Для решения этой проблемы возможно использование конструкции с круглыми стержнями.

В приложении I приведены результаты исследования влияния жесткости конструкции фильтра на его электрические характеристики.

Исследование проводилось на примере ЭФ, реализованного на решетке круглых стержней пятого порядка с параметрами: /0=5ГТц, 2-Л/= 200 МГц, 4»» 2 МдБ, - 40 ДБ> й=50 Ом, материал стержней - посеребренная латунь, диэлектрическое заполнение - воздух ( е, = 1). ЭФ был рассчитан в трех конструктивных исполнениях (рисунок 13):

a) с входным и выходным стержнями, короткозамкнутыми с одного конца и разомкнутыми с другого (ЭФ с резонаторами типа кз-хх) (рисунок 13а);

b) с входным стержнем, короткозамкнутым с одного конца и разомкнутым с другого (ЭФ с резонатором типа кз-хх) (рисунок 136);

c) со всеми короткозамкнутыми стержнями (ЭФ с резонаторами типа кз-кз) (рисунок 13в).

в

Рисунок 13 - Распределения плотностей токов на круглых стержнях трех различных конфигураций ступенчатых ЭФ

ЭФ с круглыми стержнями являются более компактными, их изготовление технологичнее, чем у ЭФ с прямоугольными стержнями.

Инженерный метод расчета ЭФ на круглых стержнях отличается от описанного в главе I на конструктивном этапе: вместо графиков Гетзингера используются графики Кристалла.

Изменения в алгоритме моделирования включают: использование цилиндрического базового элемента вместо прямоугольного; расположение центрального проводника в начале координат при нечетном числе стержней и симметрично относительно начала координат при четном.

Исследования показали, что при эксперименте, моделировании и оптимизации все типы ЭФ проявляют одинаковые искажения частотных характеристик в зависимости от изменения геометрических параметров. Результаты моделирования и оптимизации приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Результаты моделирования до и после оптимизации ЭФ на

наименование ЭФ со стержнями типа кз-хх ЭФ со стержнем типа кз-хх ЭФ со стержнями типа кз-кз

до После до после До после

/о, ГГц 4,82 5 4,82 5 4,76 5

2-Л/, МГц 50,13 138 57,84 144,5 48,55 101

4шп) дБ 2,6 0,22 2,8 0,3 2,5 0,14

4«*, дБ 87 68 91 61 88 70,2

65,8 х 65,8 х 65,8 х 65,8 х 64,8 х 65,6 х

габариты, мм 31,2 х 30,9 х 30,9 х 29,8 х 31,1 х 29,8 х

10 12 10 13 11,5 15

Лучшими электрическими характеристиками до оптимизации, с точки зрения разработчика, обладает ЭФ со входным и выходным стержнями типа кз-хх. После оптимизации удалось получить фильтр с характеристиками, полностью удовлетворяющими техническому заданию, но не лучшими из рассчитанных.

ЭФ с входным стержнем кз-хх до и после оптимизации показал худшие результаты по сравнению с другими конфигурациями, но электрические характеристики конструкции после оптимизации полностью удовлетворяют техническому заданию.

ЭФ со всеми стержнями типа кз-кз при «ручном» расчете конструкции обладает рядом недостатков, в частности показывает наибольший уход центральной частоты, _ нежели другие конструкции. Электрические характеристики, полученные для данного фильтра после оптимизации, являются лучшими среди результатов трех анализируемых конфигураций. В сочетании с наибольшей жесткостью стержней типа кз-кз определяет использование данной конфигурации ЭФ для объектов, работающих в условиях механических перегрузок и больших ускорений (до 30-4(^) -ракетах, самолетах и судах.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертационной работы.

Основные результаты диссертации:

1 Проведен аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы по методам синтеза микроволновых объемных ЭФ.

2 Модернизирован метод синтеза микроволновых объемных узкополосных ступенчатых ЭФ с реализацией на решетке связанных стержней прямоугольного и круглого сечений.

3 Представлены подробные электрический и конструктивный расчеты ступенчатого ЭФ седьмого порядка с реализацией на СПЛ с центральными проводниками прямоугольного сечения. Показана высокая

эффективность реализации волновых сопротивлений стержней ЭФ с помощью линейного преобразования матриц волновых проводимостей.

4 Рассчитаны конструкции пяти различных типов ступенчатых ЭФ:

а) с реализацией на прямоугольных связанных стержнях седьмого порядка без учета диссипативных потерь (частота 3,7 ГГц) и с учетом диссипативных потерь (частота 5 ГГц);

б) с реализацией на круглых связанных стержнях пятого порядка три конструкции с резонаторами различного типа.

5 Проведены экспериментальные исследования (получены АЧХ, характеристики затухания и КСВНю/вых) вышеперечисленных типов микроволновых ступенчатых ЭФ, кроме ЭФ с реализацией на прямоугольных связанных стержнях седьмого порядка без учета диссипативных потерь.

6 Составлен алгоритм доя анализа, моделирования и оптимизации с помощью пакета программ HFSS компании AnSoft микроволновых объемных узкополосных ступенчатых ЭФ.

7 Созданы ЗБ-модели пяти вышеназванных типов ЭФ и проведены их анализ и оптимизация. Рассчитаны следующие электрические характеристики фильтров: затухания, АЧХ, ФЧХ, КСВН,^ВЬ1Х, коэффициентов отражения на входе и выходе, ГБЗ. Получены распределения электрического и магнитного полей в фильтре и плотностей электрических токов на рабочих поверхностях фильтра.

8 Проведено исследование влияния жесткости элементов конструкции микроволнового объемного узкополосного ступенчатого ЭФ на электрические характеристики фильтров.

Список публикаций по теме диссертации

Статья в научном издании, включенном в перечень Минобрнауки РФ

1. Кольцова Т.С., Кубалова А.Р., Томашевич C.B. Анализ, моделирование и оптимизация микроволнового ступенчатого эллиптического фильтра с центральными проводниками круглого сечения // Электросвязь. -2010. - №12 - С.59-61.

Другие публикации

2. Кольцова Т. С., Кубалов Р. И., Лапшин А. С. Моделирование и оптимизация фильтров на встречных стержнях высокого порядка // Научно-технический семинар «Научно - технические проблемы в промышленности: интегрированные системы автоматизированного проектирования нового поколения для разработки инновационной радиоэлектронной продукции, аппаратуры и систем»: Материалы семинара / Санкт-Петербургская ассоциация предприятий радиоэлектроники, приборостроения, средств связи и телекоммуникаций. - СПб., 2010. - С .14-18.

3. Кольцова Т. С., Кубалов Р. И., Томашевич C.B. Конструирование и оптимизация ступенчатого эллиптического фильтра с реализацией на СПЛ с центральными проводниками круглого сечения // Научно-технический семинар «Научно - технические проблемы в промышленности: интегрированные системы автоматизированного проектирования нового

поколения для разработки инновационной радиоэлектронной продукции, аппаратуры и систем»: Материалы семинара / Санкт-Петербургская ассоциация предприятий радиоэлектроники, приборостроения, средств связи и телекоммуникаций. - СПб., 2010. - С .19-23.

4. Кольцова Т. С., Кубалова А. Р., Глухов Н. И., Томашевич С. В., Кубалов Р. И. Теоретическое и экспериментальное исследования микроволновых объемных узкополосных ступенчатых эллиптических фильтров с прямоугольными резонаторами // 63 Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: Материалы конференции / СПбГУТ. - СПб., 2011. Часть 2. - С. 52-54.

5. Кольцова Т. С., Кубалова А. Р., Глухов Н. И., Томашевич С. В., Кубалов Р. И. Теоретическое и экспериментальное исследования микроволновых объемных узкополосных ступенчатых эллиптических фильтров с круглыми стержнями // 63 Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: Материалы конференции / СПбГУТ. - СПб., 2011. Часть 2. - С. 54-56.

6. Кольцова Т. С., Кубалова А. Р., Томашевич С. В., Кубалов Р. И. Анализ, моделирование и оптимизация микроволновых объемных узкополосных ступенчатых эллиптических фильтров на решетке связанных прямоугольных стержней // 63 Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: Материалы конференции / СПбГУТ. - СПб., 2011. Часть 2. - С. 57-59.

7. Кольцова Т. С., Кубалова А. Р., Томашевич С. В., Кубалов Р. И. Анализ, моделирование и оптимизация микроволновых объемных узкополосных ступенчатых эллиптических фильтров на решетке связанных круглых стержней // 63 Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: Материалы конференции / СПбГУТ. - СПб., 2011. Часть 2. - С. 59-61.

8. Кольцова Т. С., Кубалова А. Р., Глухов Н. И., Томашевич С. В., Кубалов Р. И. Моделирование и экспериментальные исследования микроволнового объемного узкополосного ступенчатого эллиптического фильтра четырехпортовой конструкции на прямоугольных связанных стержнях // 63 Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: Материалы конференции / СПбГУТ. -СПб., 2011. Часть 2.-С. 62-64.

9. Кольцова Т. С., Томашевич С. В. Проектирование микроволнового фильтра с реализацией на микрополосковой линии при помощи трехмерного моделирования// 62 Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: Материалы конференции / СПбГУТ. - СПб., 2010. - С. 285-287.

10. Кольцова Т. С., Томашевич С. В. Применение эллиптической функции к расчету фильтров// 61 Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: Материалы конференции / СПбГУТ. - СПб., 2009.- С. 150-151.

Подписано к печати 01.12.2011 О&ьем 1 печл. Тираж 80 экз. 3ак.39 Отпечатано в СП6ГУТ.191186, СПб.,наб.р.Мойки,61

61 12-5/1677

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ

«Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича»

На правах рукописи КОЛЬЦОВА ТАТЬЯНА СЕРГЕЕВНА

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ МИКРОВОЛНОВЫХ ОБЪЕМНЫХ УЗКОПОЛОСНЫХ СТУПЕНЧАТЫХ ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ С РЕАЛИЗАЦИЕЙ НА СИММЕТРИЧНОЙ

ПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ

05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Томашевич Сергей Викторович

Санкт-Петербург 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

.................4

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................

ГЛАВА I МОДЕРНИЗИРОВАННЫЙ МЕТОД СИНТЕЗА МИКРОВОЛНОВЫХ

ОБЪЕМНЫХ УЗКОПОЛОСНЫХ СТУПЕНЧАТЫХ ЭФ НА РЕШЕТКЕ СВЯЗАННЫХ

.......................9

СТЕРЖНЕЙ............................................................................................................

1 1 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СТУПЕНЧАТОГО ЭФ ИЗ ДВУХ ПАРАЛЛЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫХ

14

РЕШЕТОК СВЯЗАННЫХ СТЕРЖНЕЙ РАЗЛИЧНОЙ ДЛИНЫ..................................................................

1.1.1 Вывод расчетных формул для синтеза ступенчатых ЭФ..........................................14

1.1.2. Инженерный метод расчета узкополосного ступенчатого ЭФ..............................29

1.1.3. Пример расчета ступенчатого ЭФ.............................................................................

1.2. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ СТУПЕНЧАТОГО ЭФ ИЗ ДВУХ ПАРАЛЛЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫХ

РЕШЕТОК СВЯЗАННЫХ СТЕРЖНЕЙ РАЗЛИЧНОЙ ДЛИНЫ..................................................................55

1.2.1. Модернизированный метод конструктивного расчета ЭФ.....................................56

1.2.2. Пример конструктивного расчета ступенчатого ЭФ..............................................58

ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОВОЛОНОВЫХ

ОБЪЕМНЫХ УЗКОПОЛОСНЫХ СТУПЕНЧАТЫХ ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ

...........................................................................................69

2.1. ЭФ НА РЕШЕТКЕ СВЯЗАННЫХ СТЕРЖНЕЙ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ.................................70

2.2. ЭФ НА РЕШЕТКЕ СВЯЗАННЫХ СТЕРЖНЕЙ КРУГЛОГО СЕЧЕНИЯ С ВХОДНЫМ И ВЫХОДНЫМ

............73

РЕЗОНАТОРАМИ ТИПА КЗ-ХХ..........................................................................................

2.3. ЭФ НА РЕШЕТКЕ СВЯЗАННЫХ СТЕРЖНЕЙ КРУГЛОГО СЕЧЕНИЯ С ВХОДНЫМ СТЕРЖНЕМ ТИПА

................75

КЗ-ХХ..........................................................................................................................

2.4. ЭФ НА РЕШЕТКЕ СВЯЗАННЫХ СТЕРЖНЕЙ КРУГЛОГО СЕЧЕНИЯ С РЕЗОНАТОРОМ ТИПА КЗ-КЗ . 77

..................79

2.5. Выводы............................................................................................................

ГЛАВА III. АНАЛИЗ, МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ МИКРОВОЛНОВЫХ

ОБЪЕМНЫХ УЗКОПОЛОСНЫХ СТУПЕНЧАТЫХ ЭФ НА РЕШЕТКЕ СВЯЗАННЫХ

ЯП

СТЕРЖНЕЙ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ.....................................................................аи

3.1. МИКРОВОЛНОВЫЙ ОБЪЕМНЫЙ УЗКОПОЛОСНЫЙ СТУПЕНЧАТЫЙ ЭФ НА РЕШЕТКЕ СВЯЗАННЫХ

СТЕРЖНЕЙ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ БЕЗ УЧЕТА ДИССИПАТИВНЫХ ПОТЕРЬ............................81

2

3 2. МИКРОВОЛНОВЫЙ ОБЪЕМНЫЙ УЗКОПОЛОСНЫЙ СТУПЕНЧАТЫЙ ЭФ НА РЕШЕТКЕ КОРОТКОЗАМКНУТЫХ СТЕРЖНЕЙ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ С УЧЕТОМ ДИССИПАТИВНЫХ

...........................................................................................................................IIIIllS

3.3. Выводы............................................................................................

.................119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................

.................120

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ I. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЖЕСТКОСТИ КОНСТРУКЦИИ НА

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОВОЛОНОВОГО ОБЪЕМНОГО

УЗКОПОЛОСНОГО СТУПЕНЧАТОГО ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО ФИЛЬТРА.................126

ПРИЛОЖЕНИЕ II. АЛГОРИТМ АНАЛИЗА СТУПЕНЧАТОГО ЭЛИИПТИЧЕСКОГО

....................181

ФИЛЬТРА.............................................................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Фильтры являются важной частью многих микроволновых устройств, применяемых в радиолокации, радионавигации, космической связи и аппаратуре для научных исследований. Они используются для частотной селекции микроволновых сигналов [1-21]. Развитие современной радиоэлектроники предъявляет к фильтрам все более жесткие и противоречивые требования: стабильность параметров, высокое качество исполнения, малые габариты и вес, низкая себестоимость. Разработчикам приходится совершенствовать методы синтеза, используемые материалы и технологии изготовления фильтров [22-37].

На протяжении многих лет наиболее часто применялись полиномиальные фильтры, аппроксимируемые полиномами Багтерворта и Чебышёва[1-3, 7-9, 21, 24 и др.], но в последние годы стало актуально использование фильтров, имеющих полюса затухания на конечных частотах [14, 38-49]. Эти фильтры имеют существенные преимущества перед полиномиальными, так как позволяют реализовать требуемые характеристики гораздо более компактными структурами. Они называются фильтрами Золотарева - Кауэра или эллиптическими фильтрами (ЭФ), так как их характеристики аппроксимируются с помощью эллиптических функций Якоби. При использовании ЭФ удается при одной и той же крутизне характеристики в переходной области (ПО) уменьшить потери в полосе эффективного пропускания примерно на 40% по сравнению с полиномиальными фильтрами. При одинаковых потерях в полосе пропускания (ПП) ЭФ при заданной переходной области обеспечивает почти на 50% более высокое затухание в полосе заграждения (эти обобщения сделаны для узкополосных фильтров). Вышеназванные преимущества обеспечиваются тем, что крутизну характеристики затухания переходной области у ЭФ можно увеличивать смещением полюсов, т. е. изменением параметров соответствующих резонаторов, тогда как у полиномиальных это достигается лишь увеличением числа резонаторов. Указанные

преимущества особенно проявляются в фильтрах с узкими ПО.

Однако реализация ЭФ в диапазоне СВЧ с использованием полосковой техники представляет значительные трудности, так как получаемые структуры сложнее структур полиномиальных фильтров. Кроме этого, расположение полюсов затухания на конечных частотах предъявляет более жесткие требования к технологии изготовления и усложняет

настройку, что в конечном итоге приводит к соответствующим затруднениям при

изготовлении.

При проектировании объемных фильтров СВЧ схемные, конструктивные и технологические факторы учитываются одновременно, среди них: параметры качества СВЧ тракта, массогабаритные показатели и воздействие дестабилизирующих факторов (вибрации,

ударов, линейных ускорений, влаги, электромагнитных полей).

Фильтры в объемном исполнении необходимы в системах, передающих сигналы

средней и высокой мощности с малыми потерями.

Среди научных публикаций, посвященных проектированию ЭФ, следует отметить

несколько структур физической реализации данного класса фильтров.

Сайто [50] использовал симметричный характер эллиптического фильтра нечетного порядка при реализации в виде каскадного соединения симметричных двухпроводных связанных линий, нагруженных либо разомкнутыми, либо замкнутыми шлейфами. Существуют теоретические ограничения реализуемости этой структуры. Случай четного числа звеньев был рассмотрен Мацумото [51]. Более жесткое ограничение, которое возникает, является следствием невозможности синтезировать физически реализуемые значения сопротивлений, исключая случай полос шириной порядка октавы.

Эта проблема физически реализуемых значений сопротивлений являлась общей для большинства и последующих методов расчета. Шиффман и Янг [52] опубликовали расчетные таблицы для полосно-заграждающих фильтров с эллиптической характеристикой пятого порядка (п=5) с использованием дополнительных единичных элементов. Используемый метод синтеза был основан на обычной методике выделения каждого из полюсов в отдельности; таким образом, была получена возможность реализации каждого из полюсов затухания простыми и двойными параллельными шлейфами. Было обнаружено, что для большинства значений полос должны быть предусмотрены специальные практические методы преодоления случаев появления высоких значений сопротивлений, но для случая узких полос такой подход оказался невозможным. Леви и Уайтли [53], используя структуры на связанных стержнях, обнаружили, что систематизированная методика могла бы быть сформулирована с введением дополнительных единичных элементов в распределенную цепь, полученную из прототипа на сосредоточенных параметрах, все еще сохраняя величины элементов на должном уровне. Для случая узкополосного полосно-заграждающего фильтра было найдено, что путем первоначального преобразования прототипа нижних частот, до

5

включения единичных элементов, значения нормированных величин сопротивлений порядка единицы можно было бы сохранить. Однако об удачных узкополосных полосковых

фильтрах, полученных с использованием этого метода, не сообщалось.

В методиках расчета, опубликованных в работах Шиффмана и Янга [52] и Леви и Уайтли [53] ссылаются на таблицы, изданные Заалем [54] для прототипов фильтров нижних частот (ФПНЧ) ЭФ на сосредоточенных элементах, тем самым устраняя задачу нахождения граничных вещественных коэффициентов отражения по заданной функции вносимых потерь. Однако Хортоном и Венцелем [55] было показано, что единичные элементы, которые обязательны в этих методиках реализации, могут участвовать в формировании характеристики вносимых потерь и поэтому характеристика может быть численно рассчитана, а таблицы Зааля неприемлемы в таком оптимальном случае.

О компактной реализации широкополосных эллиптических фильтров сообщалось также Хортоном и Венцелем [55], [56]. Эта непосредственная реализация на встречных стержнях по прототипу эллиптического фильтра с сосредоточенными параметрами была названа «Эллиптическим фильтром на встречных стержнях». В этом случае никаких единичных элементов не включалось в схему, что в результате привело к наипростейшей реализации. Эта частная схема обладает основным преимуществом непосредственного преобразования табличных величин элементов ФПНЧ в физические размеры линий на связанных стержнях. Такая реализация обладает несколькими недостатками, двумя самыми

важными из которых являются:

1) невозможность конструирования узкополосных фильтров;

2) трудности, которые появляются, когда рабочий диапазон переходит в диапазон 812,4 ГГц и выше, вследствие неудобных взаимосоединений последовательных шлейфов.

Следовательно, трудно сконструировать узкополосные ЭФ, используя любую из описанных методик реализации. Может быть дано следующее качественное объяснение для того, чтобы показать, почему эти методики непригодны, когда требуется реализовать узкополосные эллиптические фильтры. Резонансные контуры, которые обеспечивают полюса затухания в структуре эллиптического фильтра, обладают элементами как пропорциональными масштабному коэффициенту полосы, так и обратно пропорциональными. При использовании метода непосредственной реализации для малых (или больших) масштабных коэффициентов одни из этих элементов становятся физически нереализуемым. Аналогично, в случае метода, предложенного Сайто, одни параметры

6

смежных двухпроводных линий прямо пропорциональны масштабному коэффициенту, а другие обратно пропорциональны соответственно. Для случаев, где дополнительные единичные элементы включаются в схему, данная ситуация несколько меняется, т.к. сопротивления единичных элементов инвариантны относительно масштабного коэффициента полосы, до тех пор, конечно, пока методика преобразования Леви и Уайтли [53] не применена в случае полосно-заграждающего фильтр, Однако и для их метода реализации резонансных звеньев, включенных каскадно с единичным элементом, необязательно получится удачное решение узкополосного фильтра. По аналогии, и другие типы реализации резонансных звеньев, предложенные Леви [56], являются широкополосными.

Основная задача, которую необходимо решить, вытекает непосредственно из этой качественной оценки. Реализация может быть осуществлена, когда резонансные звенья, создающие полюса затухания, относительно нечувствительны к изменению масштабного коэффициента полосы. Такая методика реализации представлена в диссертационной работе, которая посвящена проектированию микроволновых обьемных узкополосных ступенчатых ЭФ из связанных многопроводных линиях с реализацией на СПЛ. Они позволяют передавать сигналы большой мощности при меньших габаритах по сравнению с другими конструктивными исполнениями ЭФ (волноводными, коаксиальными и т. д.).

Учитывая вышесказанное, разработка методов анализа и синтеза данного класса ЭФ

является актуальной задачей.

Модернизированный метод расчета микроволновых объемных узкополосных

ступенчатых ЭФ представлен в главе I, он позволяет проектировать фильтры с лучшими, с точки зрения разработчика, электрическими характеристиками, чем существующий метод проектирования [2, 14], что доказано в главе II сравнением экспериментальных данных,

главе III сравнением результатов моделирования.

Проектирование ЭФ связано с громоздкими и трудоемкими вычислениями, но при этом характеристики получаемого фильтра зачастую не удовлетворяют требованиям технического задания, что связано с приближенностью метода расчета фильтров по рабочим параметрам, с невозможностью учесть всех мод колебания, влияния корпуса фильтра и т.д. Приходится проводить корректирующие расчеты, экспериментальные исследования или вводить в конструкцию специальные элементы настройки фильтра, что приводит к увеличению временных и материальных затрат. Поэтому наиболее перспективным направлением в современном проектировании является моделирование микроволновых

7

устройств, которое существенно увеличивает производительность труда разработчиков СВЧ аппаратуры. Моделирование фильтров позволяет сильно упростить „ли отказаться от

настройки фильтров.

Известно, что моделирование фильтров Баттерворта и Чебышева успешно реализуется пакетом программ Microwave Office (MWO) компании Applied Wave Research (AWR). С помощью электромагнитного модуля MWO возможно спроектировать некоторые типы полосковых ЭФ, но моделирование обьемных ЭФ осуществить не удаётся [58]. Программа для моделирования ЭФ должна использовать полноценный расчет трехмерного электромагнитного поля, а не оперировать методами теории цепей, так как некоторые части реальных фильтров не поддаются декомпозиции на элементы, доступные в библиотеках моделей.

Существует несколько программ проектирования при помощи электродинамического

моделирования: IE3D, HFSS, Fidelity, FEKO и Aplac [59-62].

В последние 6 лет High Frequency System Simulation [63] (HFSS) компании Ansoft занял лидирующее положение среди программ трехмерного электродинамического моделирования. Из научных публикаций [64-79] видно, что HFSS применяется для анализа аналоговых устройств и обладает высокой точностью конечных результатов, но для проектирования ЭФ СВЧ ранее не применялся. Опубликованные на данный момент описания [63, 80-82] работы с пакетом программ HFSS оставляют множество вопросов при практической реализации. Поэтому в приложении II приведен составленный подробный алгоритм моделирования, анализа

и оптимизации объемных ступенчатых ЭФ.

В главе III проведены моделирование, анализ и параметрическая оптимизация

конструкций ЭФ на решетке связанных резонаторов прямоугольного сечения без учета и с

учетом диссипативных потерь.

В главе II и приложении I представлены результаты исследования влияния жесткости

конструкции на электрические характеристики ЭФ. Проводились исследования трех конструкций ЭФ с различными типами стержней круглого сечения [20,87].

ГЛАВА I. МОДЕРНИЗИРОВАННЫЙ МЕТОД СИНТЕЗА МИКРОВОЛНОВЫХ ОБЪЕМНЫХ УЗКОПОЛОСНЫХ СТУПЕНЧАТЫХ ЭФ НА РЕШЕТКЕ СВЯЗАННЫХ СТЕРЖНЕЙ

Использование при проектировании фильтра СВЧ связанных многопроводных линиях [3] приводит к значительному уменьшению габаритов ЭФ. Именно этим объясняется повышенный интерес к фильтру из двух параллельно соединенных решеток связанных

стержней различной длины.

Известная аналогичная структура фильтра, также состоящая из двух параллельно

соединенных решеток связанных стержней, имеет одну из сторон решетки незаземленной.

Это является серьезным недостатком при проектировании объемных фильтров без

диэлектрика, работающих в условиях различных механических нагрузок. Стержни,

закрепленные только одним концом, не имеют достаточной жесткости, происходящие

смещения резко изменяют электрические характеристики.

Исследуемая структура фильтра, хотя и проигрывает по габаритам, обладает существенным достоинством - все стержни заземлены. Поэтому эту достаточно компактную и жесткую конструкцию широко используют при проектировании объемных фильтров с малыми потерями, работающих в режимах механических перегрузок.

Идея получения данной структуры фильтра заключается в следующем. Двойное преобразование Ричардса позволяет от ФПНЧ (рисунок 1.1а) перейти к полосно-пропускающему фильтру (ГШФ), состоящему из параллельного соединения в одноименных узлах д