автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка диплексеров в широком диапазоне частот

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПОЛОСКОВЫЕ ФИЛЬТРЫ (ОБЗОР).

1.1 Классификация полосковых фильтров.

1.2 Полосковые полоснопропускающие фильтры на основе отрезков передающих линий.

1.3 Фильтры с параллельными и последовательными шлейфами.

1.4 Фильтры на встречных стержнях.

1.5 Гребенчатые полоснопропускающие фильтры.'.

1.6 Основные параметры полосно-пропускающих фильтров.

1.7 Применение фильтров для разделения и суммирования сигналов.

1.8 Выводы.

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЗВЕНЬЕВ ПОЛОСКОВЫХ ФИЛЬТРОВ.

2.1 Обзор методов расчёта.

2.2 Электродинамический анализ фильтра.

2.3 Расчёт постоянной распространения.

2.4 Расчёт составляющих полей собственных волн.

2.5 Расчёт волнового сопротивления связанной двухпроводной линии.

2.6 Выводы.

ГЛАВА 3. РАСЧЕТ ДИПЛЕКСЕРА В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ В ОДНОМОДОВОМ ПРИБЛИЖЕНИИ.

3.1. Расчет параметров фильтров-прототипов.

3.2. Расчет фильтров на встречных стержнях.

3.3. Разработка программы расчета элементов диплексера.

3.4 Выводы.:.

ГЛАВА 4. РАСЧЕТ ДИПЛЕКСЕРА В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ В МНОГОМОДОВОМ ПРИБЛИЖЕНИИ.

4.1 Методика проектирования диплексера.

4.2 Разработка широкополосной согласованной нагрузки.

4.3Экспериментальные исследования макета диплексера.

4.4 Выводы.

Одним из перспективных направлений современной радиоэлектроники является твердотельная электроника. В качестве линий передач в твердотельных электронных устройствах, в основном, используются по-лосковые и микрополосковые линии. Возрастающие требования, предъявляемые наукой и техникой к параметрам новых электронных комплексов, способствуют разработке перспективных элементов и устройств твердотельной электроники, повышению их технико-экономических характеристик. В твердотельной электронике важной задачей является разделение широкополосного канала на несколько узкополосных. Для решения этой задачи служат частотно-зависимые разветвители — мультиплексеры, в которых может быть использовано последовательное или параллельное соединение фильтров [1-4]. Подобные соединения фильтров требуются также и для операции сложения нескольких каналов, когда частотные диапазоны каналов различаются. Во избежание паразитного взаимодействия между фильтрами при разработке' мультиплексеров необходимо принимать специальные меры. Одним из способов создания мультиплексоров является использование направленных фильтров. Главным недостатком при этом следует считать сложность настройки фильтров, причем в каждом резонаторе необходимо использовать две различные ортогональные моды.

Для построения мультиплексеров со смежными полосами пропускания при параллельном или. последовательном соединении полосно-пропускающих фильтров необходимо использовать дополнительную цепь, компенсирующую реактивную проводимость [1], Расчет полосковых конструкций таких мультиплексеров обычно ведется в одномодовом приближении [5]. Однако известно, что с повышением частоты, по мере продвижения в области сантиметровых волн, квазистатический метод дает все возрастающую погрешность, связанную с дисперсионностью полосковых линий передачи и наличием волн высших типов [6-8]. Это делает квазистатический метод расчета мультиплексеров весьма приближенным. Для строгого расчета устройств на полосковых линиях необходимо использовать электродинамический подход [9].

Целью работы является разработка методики электродинамического расчета диплексера в широком диапазоне: частот диапазона и исследование его характеристик, направленные на повышение точности расчета и оптимизацию характеристикдиплексера.

Для достижения поставленной цели в' диссертационной работе необходимо было решить следующие основные задачи:

- разработать расчетные методы, позволяющие производить электродинамический расчет мультиплексеров и их элементарных звеньев с необходимой степенью точности;

- провести электродинамический расчет элементарных звеньев полосковых фильтров для мультиплексеров;

- провести электродинамический расчет диплексера в широком диапазоне частот со смежными полосами пропускания;

- провести экспериментальные исследования макета диплексера сантиметрового диапазона со смежными полосами пропускания.

Научная новизна работы. При выполнении диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

- предложены расчетные методы, позволяющие производить электродинамический расчет мультиплексеров и их элементарных звеньев в многомодовом приближении с необходимой для решения практических задач точностью;

- проведен электродинамический- расчет элементарных звеньев полосно-пропускающих фильтров на встречных стержнях;

- проведен электродинамический расчет полосно-пропускающих фильтров для мультиплексеров;

- проведен электродинамический расчет диплексера сантиметрового диапазона со смежными полосами пропускания;

- разработан и экспериментально исследован макет диплексера сантиметрового диапазона.

Практическая ценность полученных в диссертации результатов:

- предложенные расчетные, методы позволяют повысить точность расчета мультиплексера по сравнению с расчетом в одномодо-вом приближении и упростить процесс настройки мультиплексера;

- разработана конструкция широкополосной согласованной нагрузки, необходимой для проведения измерений характеристик диплексера;

- предложенный диплексер сантиметрового диапазона использован при разработке системы электронной защиты от воздушного нападения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1 .Посредством метода частичных областей показано, что при расчете характеристик фильтров на связанных линиях необходимо учитывать основные моды и высшую моду Ню

2.Показано, что в инженерных расчетах учет высших мод в звеньях фильтров на связанных линиях может быть проведен путем использования эффективных значений волновых сопротивлений основных мод 70оэфф>

ЮЕэфф

3.Показано, что расчет диплексера в широком диапазоне частот с требуемой для практического использования точностью-может быть проведен в одномодовом приближении. При этом эффективные численные параметры, используемые при расчете, должны, удовлетворять уточненным требованиям, сформулированным по результатам расчета в многомодовом приближении.

Апробация работы^ Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- заседании секции "Радиоэлектронная борьба" научно-технического совета Российского агентства по системам управления по проблеме "Перспективы развития элементной базы средств радиоэлектронной борьбы". Москва, 21-22 ноября 2000 г.

- заседании научно-технического совета ФГУП "Градиент" по проблеме "Использование новых технологий в производстве средств радиоэлектронной борьбы". Ростов-на-Дону, 20 сентября 2000 г.

- заседании научно-технического совета КНИРТИ по проблеме "Модернизация техники радиоэлектронной борьбы с использованием современных комплектующих и материалов". Калуга, 15 июля 2000 г.

- Международной конференции по. проблемам науки, техники и образования. Москва, 4-8 декабря 2000 г.

- научно-технических конференциях преподавателей и студентов НовГУ, Новгород, 1999 - 2000 г.

- Всероссийской конференции по магнитоэлектрическому взаимодействию в кристаллах (МЕ1Р1С-4), Великий Новгород, 16-19 октября 2001 г.

По результатам выполненных исследований опубликовано 11 научных работ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников.

4.4 Выводы

1. Показано, что расчет диплексера в широком диапазоне частот с требуемой для практического использования точностью может быть проведен в одномодовом приближении. При этом численные параметры, используемые при расчете, должны удовлетворять уточненным требованиям, сформулированным по результатам расчета в многомодовом приближении.

2. Разработан и изготовлен макет диплексера сантиметрового диапазона. Диплексер имеет' полосковую конструкцию и построен на основе полосно-пропускающих фильтров на встречных стержнях. Предложена методика экспериментального исследования характеристик диплексера. .• ■ ■ •

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты.

1. Предложены расчетные методы, позволяющие производить электродинамический расчет мультиплексеров и их элементарных звеньев в многомодовом приближении'с необходимой для решения практических задач точностью; / •

2. Разработана методика электродинамического расчета звеньев по-лосно-пропускающих фильтров на встречных стержнях;

3. Предложена методика, электродинамического расчета полосно-пропускающих фильтров для мультиплексеров;

4. Разработан алгоритм расчета дипле-ксера на базе по лосно-пропускающих фильтров на встречные стержнях. Составлен пакет программ, реализующих данный алгоритм. Программы реализованы в среде программирования Delphi 3.0. Программа позволяет проводить расчет по-лосковых конструкций фильтров на связанных линиях и встречных стержнях.

5. Показано, что расчет диплексера в широком диапазоне частот с требуемой для практического использования точностью может быть проведен в одномодовом приближении. При этом численные параметры, используемые при расчете, должны удовлетворять уточненным требованиям, сформулированным по результатам расчета в многомодовом приближении.

6. Разработан и изготов'лен макет диплексера сантиметрового диапазона. Диплексер имеет полосковую конструкцию и построен на основе по-лосно-пропускающих фильтров на встречных стержнях. Предложена методика экспериментального исследования характеристик диплексера.

7. Разработана конструкция широкополосной согласованной нагрузки, необходимой для проведения измерений характеристик диплексера. Использование малогабаритных элементов, имеющих незначительные ре

1. Маттей Г.Л., Янг Л. Джонс Е. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и связи. Т. 2.-М.: Связь, 1971.- 496 с.

2. Беляев Б.А., Шихов Ю.Г. Миниатюрный СВЧ диплексер на мик-рополосковых резонаторах. Тез.докл. Всесоюзной конференции "Интегральная электроника СВЧ" Красноярск, 1988,с.172.

3. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Шихов Ю.Г. Микрополосковый диплексер на двухмодовых резонаторах. // Электронная техника Сер. СВЧ-техникаВып. 1(470), 1997, с.7-14.

4. Малорацкий Л. Г., ЯвиЧ Л. Р. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях. М.: Сов. Радио, 1972. - 232 С.

5. Тюрнев В.В. Квазистатйческая теория связанных микрополоско-вых линий: Препринт №557 Ф, Красноярск: Институт физики, 1989,19с.

6. Микроэлектронные устройства СВЧ / Под ред. Веселова Г.И. Учеб. пособие для вузов.- М.: Высш.- щк., 1988. 280 С:

7. Лерер A.M., Михалевский B.C. Дисперсия электромагнитных волн в некоторых типах линий для СВЧ интегральных схем// Радиотехника и электроника, 1981, № 3, с.470-480.

8. Ховратович B.C. Параметры многопроводных передающих линий// Радиотехника и электроника, 1975, №.-3, с.468-473.

9. Вычислительные методы в электродинамике / Под ред Митры Р. Перевод с англ. под ред. доктора физ.-мат. наук Бурштейна Э.Л.-М.: Мир, 1977.-488 с.

10. Механически перестраиваемые цриборы СВЧ и разделительные фильтры / Андреев Д.П. и др. Под общей редакцией А.И. Соболева. М., "Связь", 1973. -340 с.

11. Маттей Г.Л., Янг Л. Джонс Ё. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и связи. Т. 1. М.: Связь, 1971.- 440 с. "

12. Калинина Т.И., Василенко Е.В. Фильтры для интегральных схем СВЧ// Обзоры по электронной технике. Сер. Электроника СВЧ. 1979,вып.3(612).

13. Bahl I.J. Capacitively compensated high performance parallel coupled microstrip filters //1989 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, 1989, v.2,p.679-682.

14. Moazzam M.R., Uysal S., Aghvami A;H. Improved Performance Parallel-Coupled Microstrip Filters//Microwave J., 1991, v.34, No. 11,p. 128,130,133,135. . .

15. Фельдштейн A.JI., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. М.: Сов. Радио, 1967. - 652 с.

16. Makimoto М. Microstrip-line split-ring resonators and their applications to bandpass filters // Trans. IEICE Japan, -1988,'J.71 -C, No.7,p. 1063-1070.

17. Красноперкин В.М.,'Самохин Г:С., Силин P.A. Об особенностях расчета фильтров на связанных микрополосковых линиях // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1981 ,вып. 4(328), с.26-29.

18. Ильченко М.Е., Захаров А.В., Сызранов В.А. Малогабаритные микрополосковые фильтры с узкой полосой пропускания // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. 1993, №10,с.60-64. .

19. Гребнев В.Н. О расчете резонаторных полосковых фильтров с автотрансформаторным включением резонаторов // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общетехническая. 1977, вып. 10." С. 74-82.

20. Беляев Б.А. и др. Исследование микрополосковых резонаторов и устройств СВЧ на их основе. Ч. 1. Прёпрйнт № 415 Ф // Институт физики, Красноярск, 1987. 55 с.

21. Справочник по элементам полосковрй техники / Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.И., Фельдщтейн. А.Л., Явич Л.Р. / Под ред. А.Л. Фельдштейна,- М.: Связь, 1979.- 336 с,-

22. Беляев Б.А., Лексиксмв А*.А., Тюрнев^В.В., Шихов Ю.Г. СВЧ дип-лексер на четвертьволновых микр'ополосковых резонаторах: Препринт №774 Ф, Красноярск: Институт физики, 1997,30с.

23. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Шихов Ю.Г. Микрополосковый диплек-сер на двухмодовых резонаторах// Электронная техника. Сер. СВЧ-техника,1997, вып. 2(470), с.20-24. ■"

24. Автоматизированное проектирование устройств СВЧ / Под ред. Никольского В.В.- М.: Радио, и связь, Г98'2.-272 с.1. Л '

25. Никольский В.В. Вариационные методы для внутренних задач электродинамики. М.: Наука., 1967.- 460 с.

26. Миттра Р., Ли.С. Аналитические методы теории волноводов. М.: Мир, 1974,327с.

27. Неганов В.А., Нефедов Е.И., Яровой Г.П. Полосково-щелевые структуры сверх- и крайне высоких частот. -- М.: Наука, 1996. 304 с.

28. Веселов Г.И., Николаев М.А. Метод частичных областей в задачах моделирования и проектирования объемных интегральных схем СВЧ// Изв. ВУЗов, Сер.Радиоэлектроника, 1984, "т.27,.№ 11, с.3-9

29. Капралов Г.Н., Бичурин М.И:, Букашев Ф.И., Петров Р.В. Электродинамический расчет фильтров СВЧ на встречных стержнях //Труды Межд. форума по проблемам науки, техники и образования. Т. 1. М.: Акад. Наук о Земле, 2000. С. 108-109.

30. Капралов Г.Н., Бичурин М.И., Петров Р.В., Букашев Ф.И. Электродинамический анализ фильтров СВЧ//Вестн. Новг. гос. ун-та. Сер.: Ес-теств. и техн. науки. 2001, № 17. С. 3-6.

31. Капралов Г.Н., Бичурин М.И., Букашев Ф.И., Петров Р.В. Электродинамический расчёт элемента фильтра на связанных линиях передач / Новгородский гос. ун-т. Новгород, 2000. 17 с. Деп. ВИНИТИ №. 2875-В00 от 14.11.2000. ; ' "л „;

32. Бичурин М.И., Иванов Д.С., Петров В.М., Капралов Г.Н. Полосно-пропускающие фильтры на "встречных стержнях //Наука производству. 2000, №8, с. 38-40. Г :

33. Pucel R.A. etc. Losses-in. Microstrip // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1968, V. MTT-16, № 6. P. 342-350.

34. Welch J.D., Pratt H.J. Losses in Microstrip Transmission System for Integrated Microwave Cirquits //NEREM-Rec. 1966, V. 8. P. 100-108.

35. Беляев Б.А., Тюрнев B.B. Взаимодействие параллельных микропо-лосковых резонаторов // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника, 1990, вып. 4(428), с.25-30. • " ' ' :

36. Конструирование и расчет полосковых устройств. Справочник./ под ред. И.С. Ковалева. М.:' Сов. Радио, 19.74. - 320 с.

37. Справочник по элементам полосковой техники, под ред. А. Л. Фельдштейна. М.: Связь, 1979. - 336 е. :

38. Капралов Г.М., Бичурин. М.И., Давыдов В.М., Петров В.М. Проектирование диплексеров сантиметрового диапазона //Труды Межд. форума по проблемам науки, техники и образования. Т. 1. М.: Акад. Наук о Земле, 2000. С. 106-107. ;

39. Красноперкин В.М. и .др. К расчету матрицы частичных емкостей для многополосковых линий // Электронцая техника: Сер. Электроника СВЧ. 1980, № 2. С. 40-49.

40. Кравченко С.И., Бахтарев С.И. Расчет матрицы рассеяния многопроводных полосковых линий и устройств на их основе// Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общетехническая.-1978, вып.8, с.45-53.

41. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств/ Под ред. В. И. Вольмана. М.": Радио и связь, 1982. - 328 с.

42. Алексеев Л. В. , Знаменский А. В. Автоматизация проектирования фильтров СВЧ. М. Связь, 1977. - 446 с.

43. Гупта К., Гардж Р., Чаджа Р. Машинное проектирование СВЧ устройств. М.: Радио и связь, 1987. 432 е.

44. Радченко В.В. Анализ й оптимизация характеристик активных и пассивных микрополосковых СВЧ-устройств на персональных ЭВМ //4

45. Электронная техника: Сер. СВЧ-техйика, 1985, вып 2 (466). С. 45-53.

46. Капралов Г.Н., Бичурйн М.К> Букашев Ф.И., "Петров Р.В. Электродинамический расчёт элемента СВЧ-фильтра / Новгородский гос. Ун-т. Новгород, 2000. 22 с. Деп. Винити №> 244-B200I от 30.01.2001.

47. Капралов Г.Н., Бичурин М.И;} Фомин О.Г., Татаренко A.C. Сверхширокополосная согласованная нагрузка //Вестн. Новг. гос. ун-та. Сер.: Естеств. и техн. науки. 1999, "№13, с. 10-13

48. Бичурин М.И., Фомин О.Г., Татаренко A.C., Капралов Г.Н. Коаксиальная согласованная нагрузка //Наука производству. 2000, №8, с. 34-36.

49. Ратников А.Ю., Юрь£в Д.Н.,'Капралов Г.Н. Способ защиты речевой информации от прослушивания и записи:-Патент на изобретение № 2130697 // Бюлл. изобретений й открытий, 1999,- № 14.

50. Капралов Г.Н. Электронный "щит бт воздушного нападения //Военный парад. 1997, №6 (24), 'с. 114-115; :

51. Бичурин М.И., Капралов Г.Н. и др. Магнитоэлектрические микроволновые устройства // Тез. докл. Всероссийской конференции по магнитоэлектрическому взаимодействию в кристаллах (MEIPIC-4)./ НовГУ. Великий Новгород, 2001, с. 82-8.3. .•