автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Микрополосковые фильтры и экспертная система для их синтеза

//>ра л од.

/ & л . / -

российская академия наук сибирское отделение институт физики им. л.в. киренского

/ .0? 99

На правах рукописи

Тюрнев Владимир Вениаминович

МИКРОПОЛОСКОВЫЕ ФИЛЬТРЫ И ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИХ СИНТЕЗА

Специальность 05.12.21 - Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Красноярск - 1998

содержание

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................................................5

§ 1. Общая характеристика работы.........................................................................................5

§ % Обзор публикаций по полосно-пропускающим фильтрам на МПР.9

§ 3. Обзор программ по САПР СВЧ......................................................................................24

§ \ Экспертные системы................................................................................................................34

ГЛАВА I. РАСЧЕТ СВЯЗАННЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЙ.39

§ 1. Нормальные волны в связанных линиях передачи.....................................39

§ 2. Расчет матрицы погонной емкости связанных МПЛ..................................43

§ 3. Расчет матрицы погонной индуктивности связанных МПЛ................55

ГЛАВА II. МИКРОПОЛОСКОВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ.............................................62

§ 1. Регулярные микрополосковые резонаторы.........................................................62

§ 2. МПР со скачком волнового сопротивления..........................................................71

§ 3. Добротность нерегулярного МПР.................................................................................80

§ 4. Селективное демпфирование резонансов МПР адгезионным подслоем.........................................................................................................................................................85

ГЛАВА III. ПОДКЛЮЧЕНИЕ МПР К СВЧ ТРАКТУ.........................................91

§ 1. Кондуктивное подключение МПР к линии передачи................................91

§ 2. Емкостное подключение МПР "на проход".........................................................95

ГЛАВА IV. КОЭФФИЦИЕНТЫ СВЯЗИ РЕЗОНАТОРОВ...........................101

§ 1. Изолированная пара связанных МПР..................................................................101

§ 2. Пара связанных МПР, включенная "на проход"........................................115

ГЛАВА V. ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ФИЛЬТРОВ 132

§ 1. Метод расчета микрополосковых фильтров....................................................132

§ 2. Коэффициенты крутизны склонов полосы пропускания и фактор миниатюрности.....................................................................................................................................137

§ 3. Исследование фильтров на регулярных МПР...............................................140

§ 4. Исследование фильтров на МПР со скачком волнового

сопротивления.......................................................................................................................................148

§ 5. Исследование фильтров на свернутых МПР..................................................155

ГЛАВА VI. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

МИКРОПОЛОСКОВЫХ ФИЛЬТРОВ.............................................................................162

§ 1. Введение...........................................................................................................................................162

§ 2. Вектор отклонения АЧХ.................................................................:.................................164

§ 3. Многопараметровые операторы коррекции......................................................167

§ 4. Пример...............................................................................................................................................170

§ 5. Алгоритм оптимизации при машинном проектировании....................172

§ 6. Физические аспекты экспериментальной настройки фильтров.... 173

ГЛАВА VII. ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ СИНТЕЗА

МИКРОПОЛОСКОВЫХ ФИЛЬТРОВ.............................................................................180

§ 1. Введение...........................................................................................................................................180

§ 2. Особенности построения экспертной системы FILTEX..........................183

§ 3. Техническое задание.............................................................................................................185

§ 4. Банк оптимальных конструкций................................................................................187

§ 4. Оптимизация параметров конструкции...............................................................192

§ 5. Банк рекордных решений................................................................................................198

§ 6. Утилита Gr Inf о..........................................................................................................................203

§ 7. Программа применения знаний..................................................................................207

§ 8. Точность расчета АЧХ в пакете программ FILTEX.................................214

§ 9. Вспомогательные утилиты пакета программ FILTEX............................220

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................................222

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................................................225

Описание изобретения к патенту [119]...........................................................................225

Описание изобретения к патенту [120]...........................................................................226

Описание изобретения к авторскому свидетельству [121]............................227

Инструментальная оболочка...................................................................................................228

Схемный файл 1..................................................................................................................................233

Схемный файл 2..................................................................................................................................235

Копии актов о внедрении............................................................................................................237

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................................................................243

ВВЕДЕНИЕ

§ 1. Общая характеристика работы

Актуальность темы определяется следующим. Фильтры СВЧ относятся к частотно-селективным устройствам. Они являются одними из основных компонентов практически любой СВЧ аппаратуры. Прежде всего, это системы спутниковой связи, радиолокационная аппаратура, системы сотовой связи, телевидение. Фильтры СВЧ также находят применение в измерительной аппаратуре и системах диагностики и контроля. Не редко от фильтров зависят такие важнейшие параметры аппаратуры в целом как чувствительность, помехоустойчивость, габариты, вес.

Большое количество параметров, по которым фильтр должен удовлетворять, требует каждый раз заново его проектировать для конкретной аппаратуры. Поэтому при проектировании СВЧ фильтров широко используются пакеты программ систем автоматизированного проектирования (САПР). Их использование позволяет исключить или уменьшить объем работ по экспериментальной доработке конструкции фильтра, снизить затраты времени и труда.

Использование пакетов программ САПР требует от пользователей высокого уровня квалификации, а также овладения конкретным для данного пакета языком для написания файла-задания, содержа-

щего описание конструкции и целевой функции для ее оптимизации. Поэтому является актуальным создание экспертной системы, которая, во-первых, не требовала бы от пользователя высокого уровня подготовки, а, во-вторых, сама бы могла создавать файл-задание.

Целью диссертационной работы является исследование полосно-пропускающих фильтров СВЧ различных конструкций на основе мик-рополосковых резонаторов, разработка принципов их построения, а также создание экспертной системы для синтеза таких фильтров.

Научная новизна работы состоит в следующем. Впервые систематически исследованы частоты и добротность спектра собственных колебаний нерегулярных микрополосковых резонаторов. Исследовано влияние различных связей микрополоскового резонатора на его резонансную частоту.

Систематически исследована зависимость коэффициентов емкостной и индуктивной связи двух микрополосковых линий от конструктивных параметров. Исследованы частотно-зависимые коэффициенты связи микрополосковых резонаторов, позволившие объяснить природу полюсов затухания микрополосковых фильтров.

Предложен эффективный метод оптимизации конструктивных параметров фильтров, основанный на использовании вектора отклонения АЧХ вместе с многопараметровыми операторами коррекции, сопряженными его компонентам.

Разработаны принципы построения экспертной системы, содержащей пополняемый банк оптимальных конструкций полосно-пропус-кающих микрополосковых фильтров и самообновлящиеся банки их рекордных решений.

Практическая значимость работы заключается в следующем. Предложен ряд оригинальных конструкций фильтров, защищенных

авторскими свидетельствами или патентами. Разработаны принципы управления асимметрией крутизны низкочастотного и высокочастотного склонов полосы пропускания фильтра. Для подавления паразитных полос пропускания предложено демпфировать высшие резонансы микрополосковых резонаторов с помощью оголенного адгезионного подслоя.

Создана библиотека подпрограмм на ФОРТРАНЕ для расчета одиночных и связанных микрополосковых линий, а также некоторых микрополосковых нерегулярностей.

Создана экспертная система Р1ЬТЕХ для синтеза полосно-пропускающих фильтров на микрополосковых резонаторах, простая в обращении и не требующая высокой квалификации у пользователя. Ее банк оптимальных конструкций содержит около десяти наименований, а с учетом различного числа резонаторов в фильтре - более двух с половиной десятков. Экспертная система имеет интегрированную в нее развернутая справочную систему, содержащую всю необходимую информация по ее использованию.

Научная ценность работы состоит в следующем. Получена формула суммирования коэффициентов индуктивной и емкостной связи резонаторов. Предложена обобщенная формулировка для коэффициентов связи резонаторов, позволяющая учитывать их частотную зависимость.

Разработаны принципы построения экспертной системы, содержащей пополняемый банк оптимальных конструкций полосно-пропус-кающих микрополосковых фильтров и самообновлящиеся банки их рекордных решений.

Показано, что использование вектора отклонения АЧХ вместе с многопараметровыми операторами коррекции, сопряженными его ком-

понентам, позволяет значительно ускорить процесс оптимизации фильтра при формировании его полосы пропускания.

Основные результаты работы докладывались на II Семинаре по функциональной магнитоэлектронике (Красноярск, 1986) [96], на Всесоюзной научно-технической конференции Интегральная электроника СВЧ (Красноярск, 1988) [81, 93], на семинаре Устройства интегральной и функциональной СВЧ электроники (Киев, 1989)*, на 1-ой Крымской конференции СВЧ-техника и спутниковый прием (Севастополь, 1991) [100, 108], на международной конференции (1997 IEEE - Russian conference) Микроволновая электроника больших мощностей: измерения, идентификация, применение (Новосибирск, 1997) [112, 116], на международной научно-технической конференции Спутниковые системы связи и навигации (Красноярск, 1997) [111, 115].

Материалы работы опубликованы в статьях научных и научно-технических журналов, в описаниях патентов и авторских свидетельств на изобретение, в трудах и тезисах международных, всесоюзных и региональных конференций и семинаров [64, 75, 80-83, 86, 88, 90-91, 93-104, 106-116, 119-121].

В.В. Тюрнев, Б.А. Беляев. Коэффициенты связи параллельных микропо-лосковых резонаторов. Материалы семинара не публиковались.

§ Ъ. Обзор публикаций по полосно-пропускающим

фильтрам на МПР

Подробное описание первых конструкций микрополосковых фильтров на МПР содержится в монографиях [1-3]. К числу таких конструкций относится фильтр на параллельно-связанных микрополосковых резонаторах (ПСМПР), изображенный на Рис. 1. Фильтр со-

< 1-1

|

1 I , | 2

п ' I—3 п+1

Рис. 1. Фильтр на параллельно связанных резонаторах

держит полуволновые отрезки микрополосковых линий, разомкнутые на обоих концах и расположенные параллельно друг другу со сдвигом на половину их длины. Эту конструкцию для случая полосковых линий предложил С.Б. Кон [4]. Он же первым предложил и формулы для его синтеза. Эти формулы строги только в пределе нулевой ширины полосы пропускания. Однако, как показывает проверка [4], они дают хорошие результаты вплоть до ширины полосы пропускания ДЕ»30%. Подобный метод расчета, обобщенный на любой тип резонаторов и использующий коэффициенты связи резонаторов, позднее предложили Маттей, Янг и Джонс [1]. В обоих методах расчет секций фильтра производится на основе прототипа фильтра нижних частот на сосредоточенных индуктивных и емкостных элементах, который преобразуется в полосно-пропускающий фильтр (ППФ), состоящий из

цепочки параллельных колебательных контуров, разделенных инверторами сопротивления. Сначала вычисляют волновые сопротивления секций Zf и ZI используя заданную величину волнового сопротивления внешнего тракта Z0 и значения элементов прототипа g{ для заданной АЧХ, а затем находят отношения W^/h и Sz/h. Длина г-ой секции li выбирается равной А-/4. Скачок ширины полоскового проводника, расположенный в пучности тока, не влияет на резонансную частоту резонатора. Его введение обусловлено не принципиальными соображениями, а ограниченными возможностями используемых методик синтеза. Фильтры такой конструкции, выполненные на полоско-вых линиях, имеют симметричную АЧХ.

Для фильтров в микрополосковом исполнении метод расчета Кона непосредственно не применим, так как в связанных МПЛ длины волн четных и нечетных мод различны. Использование же в расчете среднеарифметической длины волны приводит к большой асимметричной неравномерности затухания в полосе пропускания. Эта проблема была решена в работе [5] введением формулы для эквивалентной диэлектрической проницаемости sreq для двух связанных МПЛ и расчетом на ее основе длин секций I

Фильтры на ПСМПР имеют паразитные полосы пропускания на всех частотах, кратных центральной частоте основной полосы пропускания, в том числе и на частотах с четной кратностью. В обзоре [6] эти фильтры рекомендуется проектировать на полосы пропускания 5ч-25%.

В работе [7] развит усовершенствованный метод синтеза ППФ на ПСМПР, позволяющий конструировать широкополосные фильтры с полосой пропускания до 100%. Метод включает вывод схемы прототипа из отрезков линий и двухпроводных шлейфов, переконфигурацию

схемы на основе тождеств Куроды [8] и определение физических размеров.

Существенным недостатком фильтров на ПСМПР, даже с выравненной неравномерностью в полосе пропускания, остается большая асимметрия склонов АЧХ вблизи полосы пропускания. Для устранения этого недостатка в [9] предложено использовать компенсирующие емкости на концах секции связанных МПЛ, как показано на Рис. 2.

Е

ч.

Рис. 2. Фильтр на ПСМПР с емкостной компенсацией

Другой способ симметризации склонов АЧХ для фильтров на ПСМПР дан в работе [10]. В ней предлагается боковые границы связанных полосковых проводников, обращенных друг к другу, выполнять в форме зубцов (Рис. 3). Симметрия склонов АЧХ достигается тогда, когда выравниваются скорости четных и нечетных мод, то есть в® = в°.

^ШШ-1

Ш^Ш-]

-

Рис. 3. Фильтр на ПСМПР с выравненными фазовыми скоростями

В работе [11] предложен метод прямого синтеза фильтра на ПСМПР при полном учете различия фазовых скоростей четных и нечетных мод для более общего случая, когда длина области связи

я

смежных МПР может быть меньше половины их длины. Этот метод базируется на использовании параметров gi низкочастотного прототипа на сосредоточенных индуктивных и емкостных элементах. Он позволяет синтезировать фильтры, в которых ширина полосок постоянна и одинакова для всех МПР.

Для подавления паразитных полос пропускания на четных гармониках, а также для повышения затухания в полосах заграждения, в патенте [12] предложено в фильтрах на ПСМПР заземлять центральные точки полосковых проводников через отверстия в подложке.

В работе [13] предложена конструкция полосно-пропускающего МПФ, изображенная на Рис. 4. Фильтр такой конструкции называют решетчатым. В этом фильтре все МПР электромагнитно связаны между собой по всей длине. Крайние рис- 4 решетчатый МПФ МПР фильтра кондуктивно связаны с

внешним СВЧ трактом. Достоинством решетчатого фильтра является существование полюса затухания вблизи высокочастотного края полосы пропускания, повышающего крутизну высокочастотного склона АЧХ.

В авторском свидетельстве [14] предложен фильтр на ПСМПР с укороченной длиной областей связи, изображенный на Рис. 5. В описании отмечается, что за счет наличия участков резонаторов, не охваченных электромагнитной связью с окружением, в фильтре формируются полюсы затухания. Регулируя длину этих участков, одни из полюсов можно

1Г

П-Г|

9

6-

Рис. 5. МПФ

Рис. 6. МПФ

расположить вблизи низкочастотного склона полосы пропускания и тем самым повысить его крутизну, а другие - вблизи высокочастотного склона.

В авторском свидетельстве [15] предложен ППФ на ПСМПР, изображенный на Рис. 6. Фильтр содержит МПР, разомкнутые на концах и электромагнитно связанные один с другим. С целью уменьшения асимметрии АЧХ в нем четные МПР смещены относительно нечетных

МПР на 1/8 их длины, а между ближайшими концами соседних МПР образованы емкостные зазоры. В описании отмечается, что преимущественно магнитная связь реализуется в средней части (на ЗЯ/8), а преимущественно емкостная связь - между разомкнутыми концами за счет емкостного зазора. При равенстве электрической и магнитной составляющих обеспечивается симметрия АЧХ.

В авторском свидетельстве [16] предложен ППФ, изображенный на с Рис. 7. Наличие У-образного полуволнового проводник�