автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Исследование и проектирование фильтров на основе сонаправленно связанных линий передачи

СОДЕРЖАНИЕ.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ.

1.1 Системы передачи информации миллиметрового диапазона и требования к СВЧ узлам таких систем.

1.2 Конструкции волноводов, резонаторов и фильтров миллиметрового диапазона.

1.3 Постановка задачи диссертационной работы.

2. СИНТЕЗ ФИЛЬТРОВ НА ОСНОВЕ СОНАПРАВЛЕННО

СВЯЗАННЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ.

2.1 Общие замечания относительно синтеза фильтров на основе сонаправленно связанных линий передачи.

2.2 Синтез обобщенных параметров апериодических решеток сонаправленно связанных линий передачи.

2.3 Синтез физических параметров СВЧ фильтров на основе сонаправленно связанных линий передачи.

2.4 Численная реализация синтеза параметров фильтров на основе сонаправленно связанных линий передачи.

2.5 Сопоставление разных методов синтеза фильтров на основе сонаправленно связанных линий передачи.

2.6 Выводы по второй главе.

3. АНАЛИЗ ФИЛЬТРОВ НА ОСНОВЕ СОНАПРАВЛЕННО

СВЯЗАННЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ В РАМКАХ ТЕОРИИ СВЯЗАННЫХ ВОЛН.

3.1 Анализ фильтра на основе закороченных линий передачи с односторонним расположением входов.

3.2 Анализ фильтра на основе закороченных линий передачи с двусторонним расположением входов.

3.3 Анализ фильтра на основе кольцевых резонаторов.

3.4 Особенности численной реализации синтеза и анализа фильтров на основе сонаправленно связанных линий передачи.

4. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФИЛЬТРА НА ОСНОВЕ

СВЯЗАННЫХ Н-ОБРАЗНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ВОЛНОВОДОВ.

4.1 Постановка задачи.

4.2 Вывод интегральных уравнений.

4.3 Решение интегрального уравнения методом Галеркина.

4.4 Вычислительные особенности решения.

4.5 Программы анализа фильтров на НДВ.

4.6 Численные результаты.

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФИЛЬТРОВ НА ОСНОВЕ СОНАПРАВЛЕННО

СВЯЗАННЫХ ВОЛНОВОДОВ.

5.1 Проектирование фильтров на основе НДВ.

5.2 Учет потерь при проектировании фильтров на основе связанных линий передачи.

5.3 Экспериментальное исследование фильтра на основе НДВ.

Актуальность темы. Развитие информационных сетей в настоящее время ставит ряд важных проблем перед разработчиками систем передачи информации, решение которых в перспективе позволит повысить эффективность использования таких информационных сетей как, например Интернет. Одна из таких проблем - это проблема передачи информации на оконечном участке от местного сервера непосредственно к пользователю.

В последнее время, одним из возможных решений данной проблемы считается применение радиоканалов, использующих СВЧ несущую (27-30 ГГц) и, следовательно потенциально весьма широкополосных. Сдерживающим обстоятельством для развития подобных систем является высокая стоимость СВЧ части радиоаппаратуры, в которую обязательно входят фильтрующие устройства: полосовые фильтры, диплексеры и т.д. Одновременно с экономическими требованиями к СВЧ элементам предъявляются высокие технические требования. Удовлетворить этому комплексу требований с помощью традиционных технических решений весьма затруднительно.

В миллиметровом диапазоне (ММД) и в верхней части сантиметрового диапазона в последние десятилетия были предложены перспективные варианты резонаторов, волноводов и устройств на их основе. К их числу относятся устройства на основе диэлектрических волноводов (ДВ) и диэлектрического щелевого волновода (ДЩВ), отличающиеся удачным сочетанием хорошей технологичности (по сравнению с металлическим волноводом) и низкими потерями (сравнительно с микрополосковой линией).

Однако теория и принципы построения устройств, в том числе и фильтров на основе ДВ и ДЩВ разработаны недостаточно глубоко. Поэтому представляется актуальной задача создания принципов проектирования фильтрующих устройств на основе новых перспективных в ММД волноводов и резонаторов. Цели и задачи работы. Целью работы является создание принципов проектирования полосовых фильтров на основе сонаправленно связанных линий передачи. Такая формулировка цели работы связана с тем, что наиболее удобным и технологичным способом связи резонаторов на основе перспективных линий передачи ММД является сонаправленная распределенная связь, имеющая ряд достоинств по сравнению с противонаправленной связью, характерной для полосковых линий.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд научно - технических задач: разработать методы синтеза обобщенных параметров фильтров на основе сонаправленно связанных линий передачи; разработать методы синтеза физических параметров фильтров на основе сонаправленно связанных Н-образного ДВ (НДВ) и ДЩВ; разработать методы анализа фильтров на основе сонаправленно связанных линий передачи в рамках теории связанных волн; разработать электродинамическую модель полосового фильтра на основе НДВ; создать инженерные методики проектирования фильтров вышеуказанного типа; провести экспериментальную апробацию разработанных методик проектирования фильтров; разработать программное обеспечение для поддержки процесса проектирования фильтров данного вида.

Научная новизна работы, определяемая характером и методами решения поставленных задач, состоит в следующем: предложена обобщенная модель фильтра в виде апериодической решетки сонаправленно связанных линий передачи; решена задача синтеза параметров фильтров на основе сонаправленно связанных линий передачи;

И получены аналитические решения в рамках теории связанных волн задач анализа апериодических решеток линейного и кольцевого типов; решены электродинамические задачи анализа фильтров открытого и закрытого типов на основе НДВ.

Практическая ценность работы. Разработаны программы синтеза и анализа полосовых фильтров с чебышевскими характеристиками на основе ДГЦВ и НДВ. Разработаны программы электродинамического анализа фильтров на основе НДВ. Разработаны методики инженерного проектирования фильтров на основе НДВ и ДЩВ, учитывающие влияние потерь в элементах фильтров. Разработан и исследован макет фильтра на основе НДВ. Общая методика исследований. В работе используются различные методы теоретического и экспериментального исследований. В теоретической части работы применяются два основных подхода. Первый из них основан на, так называемой, теории связанных волн. Данный метод анализа систем связанных линий передачи является приближенным по сравнению с электродинамическими методами. Однако с его помощью удается построить обобщенную модель фильтра и получить результаты весьма общего вида, инвариантные к типу линии передачи, на основе которой выполнен фильтр. Второй подход основан на строгом решении электродинамической задачи, которая сводится к интегральному уравнению относительно магнитного тока (тангенциального электрического поля). Решение интегрального уравнения получается с помощью метода Галеркина.

Также в работе используются методы экспериментального исследования, в частности методы измерения добротности резонаторов, уровня связи между ними и методы измерения параметров СВЧ четырехполюсников.

Обоснованность и достоверность результатов работы. Достоверность результатов работы определяется строгой постановкой и решением электродинамических задач, экспериментальной проверкой основных теоретических положений, соответствием полученных результатов фундаментальным физическим законам: принципу сохранения энергии, взаимности и Т.д.

Апробация результатов. Результаты работы докладывались и обсуждались на XXVIII международной конференции по теории и технике антенн (Москва, 1998 г.), на научном семинаре кафедры Радиоприемных устройств МЭИ (ТУ). Результаты диссертационной работы отражены в трех публикациях в рецензируемых изданиях. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений.

основные результаты, полученные в ней.

1. Решена задача синтеза обобщенных параметров апериодической решетки сонаправленно связанных линий передачи в рамках теории связанных волн.

2. Рассмотрены задачи синтеза физических параметров связанных НДВ, ДЩВ, МВ, НИДВ.

3. Решена задача синтеза обобщенных параметров апериодической решетки сонаправленно связанных кольцевых резонаторов в рамках теории связанных волн.

4. Решена задача анализа фильтра на основе сонаправленно связанных короткозамкнутых линий передачи с двух- и односторонним размещением входов в рамках теории связанных волн.

5. Решена задача анализа фильтра на основе сонаправленно связанных кольцевых линий передачи в рамках теории связанных волн.

6. Разработаны программы численного синтеза и анализа фильтров на основе НДВ и ДЩВ в приближении теории связанных волн.

7. Решена электродинамическая задача анализа фильтра на основе НДВ для закрытой и открытой (без боковых стенок) структур.

8. Разработана программа, реализующая алгоритм электродинамического решения задачи анализа фильтра на основе связанных НДВ.

9. Проведено сопоставление результатов расчета параметров фильтров на НДВ с помощью теории связанных волн и с помощью электродинамической модели. Предложена инженерная методика коррекции результатов синтеза в приближении связанных волн.

10. Предложена инженерная методика проектирования фильтров на основе НДВ и ДЩВ, учитывающая потери в элементах фильтров.

11. Предложена методика выбора параметров НДВ и ДЩВ для целей построения фильтров на их основе.

12. Проведено экспериментальное исследование одиночных и связанных резонаторов на основе НДВ. Проведено экспериментальное исследование макета фильтра на основе НДВ. Проведено сопоставление теоретических и экспериментальных данных.

Таким образом, в работе проведено комплексное исследование нового класса СВЧ фильтров перспективных для применения в ММД, а именно фильтров на основе сонаправленно связанных волноводов. Рассмотрены различные модификации таких фильтров. Разработано программно - методическое обеспечение процесса их проектирования.

Следует отметить, что задачи поиска новых конструкции частотно -избирательных устройств ММД и их исследование представляют собой серьезную научно - техническую проблему, которая не может быть полностью решена в рамках одной диссертационной работы. Данная диссертация может рассматриваться как один из первых шагов в данном направлении.

К числу важных задач, которые не рассмотрены в данной работе, но являются важными для развития данного направления можно отнести конструкторско - технологические задачи: создание технологии изготовления высокодобротных диэлектрических волноводов; исследование характеристик фильтров предложенных в диссертации в диапазоне температур; исследование воздействия внешних факторов (вибрация, влажность и т.д.) на характеристики фильтров.

Перечень таких задач можно было бы продолжить. Совершенно очевидно, что полученные в работе результаты не дают ответов на все

- 136вопросы, связанные с проектированием фильтров ММД. Тем не менее, из них следует, что структуры на основе сонаправленно связанных линий передачи действительно позволяют решить ряд конструкторско -технологических проблем в обсуждаемой области. К их числу относится проблема жестких технологических допусков, характерных для ММД. В работе показано, что для структур на основе ДЩВ и НДВ эти допуска значительно менее жесткие, чем в случаях МВ и МПЛ. В сочетании с относительно высокой добротностью ДЩВ и НДВ это позволяет рассматривать фильтры на их основе в качестве серьезного конкурента фильтрам на основе МВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение данной диссертационной работы еще раз перечислим

1.Reizemann A, Michael J. Communication technology 1998, Analysis and Forecast 1.I IEEE Spectrum, January, 1998, p.p. 29-36.

2. Клич C.M. Радиоприемные устройства миллиметрового диапазона волн // М.: ЦНИИ "Электроника", ! 989.

3. Meier P.J. Millimeter Integrated Circuits Suspended in E-plane of Rectangular Waveguide // IEEE Trans., MTT-26, N10, 1978.

4. El-Sherbiny A.M.A. Exact Analysis of Shielded Microstrip Lines and Bilateral Fin-Lines // IEEE Trans., MTT-29, N7, 1981.

5. A.C. 1196977 (СССР). Резонатор / Банков C.E., Взятышев В.Ф., Рябов Б.А. от 5.07.84, БИ№45, 7.12.85.

6. Взятышев В.Ф. Диэлектрические волноводы //М.: Сов. Радио, 1970.

7. Взятышев В.Ф., Нарытник Т.Н., Рябов Б.А., Емельяненков Б.Н., Банков С.Е. Диэлектрические интегральные схемы КВЧ // М.: ЦНИИ "Электроника", 1985, 4.1.

8. Патент 39952238 (США), Image Waveguide Transmission Line and Mode Launchers Utilizing Same // Knox R.H., La Grande, Toulios A.

9. Tisher F.J. Transmission Media for Millimeter Wave Integrated Circuits // IEEE, MTT-S Int. Microwave Symp. 1979, New York, N.Y., 1979, p.p. 203207.

10. Взятышев В.Ф., Ильченко M.E. Объемные СВЧ резонаторы с диэлектриком // Межведомств. Сб. Тр. МЭИ, 1983, №19, с. 5 19.

11. Wait J.R. Electromagnetic Whispering Gallery Modes in a Dielectric Rod, Radio Sci., vol. 2, N9, p.p. 1005-1017, 1967.

12. H. Kubo, H. Yamashita and I. Awai. Analysis of Dielectric E-plane Waveguides and Design of Filters // Trans. On MTT, v. 46, N8, p.p. 10851090,1998.

13. Вольман В.И. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых интегральных схем // М.: Сов. Радио, 1982.

14. Inggs M.R., Williams N,. Thickfllm Fabrication Techniques for Millimeter Wave Dielectric Waveguide Integrated Circuits // El. Letters, v. 16, N7, p.p. 245-247, 1980.

15. Якухин С.Д. К вопросу о выборе типа волны в планарном диэлектрическом волноводе // Тр. МЭИ, вып. 494, с. 5 15, 1980.

16. Рябов Б.И., Орехов Ю.И., Арефьев А.А. и др. // В кн. Тезисы II Всес. Симп. по миллиметровым и субмиллиметровым волнам. Харьков, т.1, с. 189-190, 1978.

17. Ермолаев Е.А., Раевский Г.П. Периодические диэлектрические структуры лестничного типа // Тр. МЭИ, 1983, №19, с.63-67.

18. Веселов Г.И., Крехтунов В.М. О собственных колебаниях бесконечной системы диэлектрических волноводов // РиЭ, т. 14, №8, 1969.

19. Калиничев В.И., Вадов П.Н. Численное исследование возбуждения диэлектрического резонатора // РиЭ, т. 33, №7, с. 108-115, 1988.

20. Jiao Х.Н., Guillon P., Bermudez L.A. and Auxemery P. Whispering Gallery Modes of Dielectric Structures: Application to Millimeter Wave Bandstop Filters // IEEE Trans., MTT, v. MTT-35, p.p. 1169-1175, N12, 1987.

21. Vedrenne C. And Arnaud J. Whispering Gallery Modes of Dielectric Resonators // Proc. Inst. Elect. Eng., v. 129, pt. H, N4, p.p. 183-187, 1982.

22. Раевский Т.П., Алимов M.B., Вадов П.Н. Исследование характеристик фильтра на основе периодической диэлектрической структуры // Межвуз. Сб. Тр. №48, МЭИ, с. 108-114,1984.

23. А.С. 333642 (СССР). Переход от металлического волновода к диэлектрическому / Взятышев В.Ф., Рожков Г.Д., Рябов Б.И. БИ №11, 1972.

24. Банков С.Е., Добромыслов B.C., Калиничев В.И. и др. Физико-технические основы построения и проектирования устройств КВЧ диапазона на основе диэлектрических волноводов и резонаторов // Сб. Научн. Тр. №182, МЭИ, с. 20-31, 1988.

25. А.С. 1354289 (СССР). Резонансный элемент / Банков С.Е., Взятышев В.Ф., Родионова Е.В. от 6.12.85, БИ№43, 23.11.87.

26. Miller S.E. Coupled Wave Theory and Waveguide Applications // "BSTJ", 1954, v.33,N3, p.p. 661-720.

27. Vandooster R., Phariseau P. The coupling of two parallel dielectric fibers. Basic equations // "Physica", 1970, v.47, N4, p.p. 485-500.

28. Matthae G.L., Young L. And Jones E.M.T. Microwave Filters, Impedance Matching Networks and Coupling Structures // Artech House, 1980.

29. T. Tamir, ed. Integrated Optics, Springer-Verlag, Berlin-New York, 1979.

30. Маркузе Д. Оптические волноводы // М.: Мир, 1974.

31. Воскресенский Д.И., Гостюхин B.JI, Максимов В.М., Пономарев Л.И. Антенны и устройства СВЧ // М.: МАИ, 1999.

32. Диденко А.Н. Сверхпроводящие волноводы и резонаторы // М.: Сов. Радио, 1978.

33. Pozar D.M. Microwave Engineering // Addison-Wesley Publishing Co. Inc., 1993.

34. Нефедов Е.И., Сивов А.Н. Электродинамика периодических структур // М.: Наука, 1977.

35. Канторович М.И. Усредненные граничные условия для сетки, состоящей из непараллельных проводников, расположенных на неплоской поверхности // РиЭ, 1972, т. 17, №6.

36. Wu К., Man L. The hybrid integrated planar NRD-guide technology: A new concept for low-cost applications of microwave and MMW circuits // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp., 1988.

37. Банков С.Е., Васюков В.Д., Назаров A.B. Проектирование широкополосных элементов на диэлектрическом щелевом волноводе // Межвуз. Сб. Научн. Тр. МИРЭА, 1988, с. 119-126.

38. Взятышев В.Ф., Раевский Г.П. Эффекты взаимодействия азимутальных колебаний в дисковых диэлектрических резонаторах // РЭ, 1987, т. 32, №4, с. 877-878.

39. Добромыслов B.C., Взятышев В.Ф. Диэлектрические резонаторы с волнами "шепчущей галереи" // Тр. МЭИ, 1973, вып. 161, с. 78-84.

40. Удалов В.В., Нефедов Е.И. Анализ распространения быстрых электромагнитных волн типа НтО в широком прямоугольном волноводе с решетками // РЭ, т. 18, №12, 1973.

41. Взятышев В.Ф., Беланов A.C. Расчет коэффициента связи круглых диэлектрических волноводов // РЭ, 1966, т. 11, №4.

42. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике // М/. Наука, 1970.

43. Очков В.Ф. Mathcad PLUS 6.0 для студентов и инженеров // М.: КомпьютерПресс, 1966.

44. Альтман Дж. Устройства СВЧ // М.: Мир, 1968.

45. Левин JI. Теория волноводов: Пер. С англ. Под ред. Вольмана В.И. // М.: Мир, 1980.

46. Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. Возбуждение электромагнитных волн // М.: Радио и Связь, 1983.

47. Фелсен Л., Маркувиц Н. Излучение и рассеяние волн // М.: Мир, 1978,

48. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах // М.: Наука, 1973.

49. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн // М.: Наука, 1973.

50. Владимиров B.C. Уравнения математической физики И М.: Наука, 1988.

51. Измерения на миллиметровых и субмиллиметровых волнах: Методы и техника // Валитов P.A., Дюбко С.Ф., Макаренко Б.И. и др.; Ред. Валитов P.A., Макаренко Б.И., М.: Радио и Связь, 1984.

52. Вайнштейн Л.А. Открытые резонаторы и открытые волноводы // М.: Сов. Радио, 1966.

53. Взятышев В.Ф. Некоторые вопросы создания устройств на диэлектрических волноводах // Тр. МЭИ, №547, 1981, с. 5-15.

54. Банков С.Е. Диэлектрический щелевой волновод перспективная основа интегральных схем КВЧ диапазона // Межвед. Сб. Тр. №19, МЭИ, 1983, с. 79-88.

55. Банков С.Е., Взятышев В.Ф., Родионова Е.В. Анализ ключевой структуры для щелевых диэлектрических интегральных схем // РЭ, т. 33, №11, 1988, с. 2373-2381.

56. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы // М.: Наука, 1984.

57. Взятышев В.Ф., Раевский Г.П. Распределенная связь дисковых диэлектрических резонаторов с колебаниями шепчущей галереи. // Тезисы докл. X НТК, посвященной Дню Радио. М.: 1984, с.78.