автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Синтез и проектирование миниатюрных микроволновых фильтров дециметрового и сантиметрового диапазонов

КУБАЛОВА АННА РУДОЛЬФОВНА

СИНТЕЗ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИНИАТЮРНЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ ФИЛЬТРОВ ДЕЦИМЕТРОВОГО И САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНОВ

05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О з МАР

Санкт-Петербург 2011

4839870

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ТОМАШЕВИЧ Сергей Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ДЕГТЯРЕВ Владимир Михайлович кандидат технических наук, начальник отдела ОАО ВНИИРА, КУЗЬМИНЫХ Евгений Семенович

Ведущая организация: ОАО «Авангард»

Защита диссертации состоится 2011г.

в "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 « __/_> 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

В. В. Сергеев

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Современные фильтры СВЧ применяются в системах радионавигации, в телеметрии, радиорелейных и космических системах связи, в телевидении, радиоуправлении, в системах радиопротиводействия и др. Они предназначаются для частотной селекции принимаемых и передаваемых сигналов, развязки трактов приема и передачи, выделения полезных сигналов в различных частотных диапазонах и сложения сигналов в выходных мощных каскадах.

Разработка и исследование ГИС СВЧ приводят к задаче микроминиатюризации пассивных частотно-селективных цепей, которые в основном и определяют габариты всего модуля СВЧ. Одним из направлений микроминиатюризации является использование полосковых согласующих и фильтрующих цепей, имеющих полюса затухания на конечных частотах. Эти цепи имеют существенные преимущества перед полиномиальными цепями, так как позволяют реализовать требуемые характеристики гораздо более компактными структурами. При использовании фильтров с такими характеристиками (их называют эллиптическими или фильтрами Золотарева - Кауэра) 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. Или при одинаковых потерях в полосе пропускания (ПП) фильтр Золотарева при заданной переходной области обеспечивает почти на 50% более высокое затухание (эти обобщения сделаны для узкополосных фильтров с не-нагруженной добротностью резонатора я 2000). Вышеназванные преимущества обеспечиваются тем, что крутизну характеристики затухания переходной области у фильтра Золотарева 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 фильтров Золотарева 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 шгоге приводит к соответствующим затруднениям при серийном изготовлении, поэтому разработка новых структур полосковых фильтров с характеристиками Золотарева является важной проблемой современной микроволновой радиоэлектроники.

В связи с возросшим применением микроволновых эллиптических фильтров в сложных СВЧ системах актуальной задачей является развитие методов их синтеза. Поэтому представляет интерес разработка и исследование нового метода точного синтеза микроволнового ЭФ на типовых звеньях, реализованного на мик-рополосковой линии (МПЛ). Точный синтез фильтров СВЧ можно свести к синте-

зу цепи с сосредоточенными параметрами с дальнейшим переходом с помощью частотного преобразования Ричардса к цепи с распределенными параметрами.

Однако в большинстве случаев выгодно (с точки зрения объема вычислений) применять различные методы приближенного синтеза. В частности, при расчете узкополосных фильтров представляется целесообразным применение идеальных инверторов. Поэтому задача разработки нового метода приближенного синтеза микроволнового ЭФ с четвертьволновыми инверторами, реализованного на симметричной полосковой линии (СПЛ) является актуальной.

Важной задачей для миниатюризации микроволновой техники и существенного увеличения производительности труда инженеров-разработчиков СВЧ аппаратуры являются автоматизированное проектирование, моделирование и оптимизация микроволновых устройств и систем. Повышение частотной избирательности, уменьшение потерь и габаритов, а так же обеспечение совместимости с технологией изготовления интегральных схем - основное направление развития микроэлектронных устройств частотной селекции. Однако сочетание этих качеств представляется исключительно сложной проблемой, так как требования, предъявляемые к микроволновым фильтрам, являются противоречивыми: чем меньше геометрические размеры резонаторов, тем меньше их собственная добротность и тем ниже потенциальные селективные возможности фильтров. При прочих равных условиях наиболее высокой предельной частотной избирательностью обладают структуры ЭФ, реализующие частотные характеристики с полюсами затухания на конечных частотах. К таким структурам относятся лестничные цепи Золотарева - Кауэра, выполняемые на сосредоточенных элементах, а также фильтры на элементах с распределенными параметрами на основе ступенчатых структур на связанных линиях передачи.

Учитывая вышеизложенное, представляет интерес анализ, моделирование и оптимизация различных типов микроволновых фильтров в планарном и объемном исполнениях с помощью САПР (Microwave Office, HFSS и др.). Решению всех перечисленных выше актуальных для настоящего времени задач и посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка и исследование новых методов синтеза микроволновых эллиптических фильтров дециметрового и сантиметрового диапазонов, условий физической реализуемости этих фильтров и анализ, моделирование, оптимизация различных типов микроволновых фильтров с помощью САПР, а также экспериментальные исследования вышеназванных фильтров. В этой связи в работе решались следующие задачи: модернизация метода точного синтеза микроволнового эллиптического фильтра из типовых звеньев с реализацией на микрополосковой линии (МПЛ); разработка и исследование нового метода приближенного синтеза микроволнового эллиптического ППФ с четвертьволновыми инверторами сантиметрового диапазона с реализацией на симметричной полосковой линии (СПЛ); анализ, моделирование и проектирование миниатюрных полосковых и микрополосковых фильтров СВЧ с использованием пакетов программ Microwave Office и HFSS.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались аппарат анализа цепей с сосредоточенными и распределенными постоянными, теория матриц и многопроводных связанных линий. Имитационное моделирование СВЧ устройств выполнено с использованием пакетов программ Microwave Office и HFSS. Проверка теоретических положений выполнялась экспериментально.

Научная новизна: модернизирован метод точного синтеза миниатюрных эллиптических фильтров СВЧ из типовых звеньев с реализацией на микропо-лосковой линии, работающих в дециметровом и сантиметровом диапазонах; разработан новый метод приближенного синтеза микроволновых узкополосных эллиптических фильтров с четвертьволновыми инверторами с реализацией на симметричной полосковой линии; созданы инженерные методики и алгоритмы для автоматизированного проектирования с помощью пакетов программ Microwave Office (схемотехнические и электромагнитные модели) и HFSS разных типов микроволновых фильтров с реализацией на СПЛ и МПЛ, позволяющие рассчитывать различные электрические характеристики (АЧХ, ФЧХ, затухания, КСВН вх/вых, ГВЗ, коэффициента отражения) и массогабаритные показатели, а также их конструкции и топологии. При этом создаются двух- и трехмерные модели фильтров СВЧ и определяется их электрическая прочность.

Практическая ценность. Разработанные новые методы синтеза микроволновых эллиптических фильтров дают возможность создавать частотно-разделительные устройства в объемном и планарном исполнениях с наилучшими с точки зрения разработчика электрическими и массогабаритными показателями. Предложенные инженерные методики автоматизированного проектирования и созданные на их основе модели фильтров СВЧ позволяют значительно увеличить производительность труда и получать при расчетах результаты, недостижимые ранее (распределение электромагнитных полей, плотности токов на рабочих поверхностях, двух- и трехмерные конструкции и топологии и т. п.).

Основные научные положения, выносимые на защиту: модернизированный инженерный метод точного синтеза микрополосковых эллиптических фильтров из типовых звеньев; новый метод приближенного синтеза узкополосных миниатюрных эллиптических фильтров СВЧ с четвертьволновыми инверторами; инженерные методики и алгоритмы автоматизированного проектирования микроволновых фильтров, и их модели, созданные с помощью пакета программ Microwave Office и HFSS.

Реализация в промышленности. Результаты диссертационной работы внедрены в указанных организациях (имеются акты о внедрении).

1. Разработанные методы автоматизированного проектирования микроволновых устройств (фильтров СВЧ, делителей и сумматоров мощности, аттенюаторов, направленных ответвителей, согласующих цепей и цепей связи) использованы в учебном процессе (дипломное проектирование) и в научных разработках кафедры ТиМ СПбГУТ.

2. В ФГУП «Филиал НИИР-ЛОНИИР» внедрены: новый метод точного синтеза миниатюрных эллиптических фильтров СВЧ из типовых звеньев с реализацией на микрополосковой линии; новый метод приближенного синтеза

микроволновых узкополосных эллиптических фильтров с четвертьволновыми инверторами с реализацией на симметричной полосковой линии; инженерные методики и алгоритмы для автоматизированного проектирования с помощью пакетов программ Microwave Office и HFSS разных типов микроволновых фильтров с реализацией на МПЛ и СПЛ. Результаты диссертационной работы бьши использованы при разработке канальных субоктавных СВЧ фильтров для семейства генераторов испытательных сигналов в диапазоне до б ГГЦ.

3. В организации «Связьморпроекг» ОАО «Концерн» ЦНИИ «Электроприбор» внедрены инженерные методы синтеза, алгоритмы моделирования и оптимизации микроволновых миниатюрных эллиптических фильтров различного типа.

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на: VIII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», СПб., 2009 (5 докладов); 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» (4 доклада); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, СПб, 2004 - 2010 (14 докладов).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе: 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, изложена на 150 страницах, содержит 102 рисунка, 4 таблицы и 3 приложения, изложенных на 37 страницах и содержащих 39 рисунков и 1 таблицу. Список литературы содержит 126 наименований.

Краткое содержание работы

Во введении подчеркивается актуальность предлагаемой для исследования темы, дается характеристика существующих САПР микроволновых фильтров и анализируются достоинства и недостатки микроволновых эллиптических фильтров, применяемых в современных радиоэлектронных системах.

В первой главе разработана модернизация инженерного метода точного синтеза микроволнового эллиптического фильтра из типовых звеньев с реализацией на МПЛ. Если проектировщику фильтра задана АЧХ, то между нагрузкой и схемой прототипа с преобразованными по Ричардсу элементами можно включить практически любое (без учета потерь) число единичных элементов (ЕЭ), так как эти элементы не изменяют АЧХ. Дальнейший этап проектирования сводится к перемещению ЕЭ в схеме, с тем чтобы получить физически реализуемую структуру фильтра. Математически эта задача сводится к определению связи между параметрами двух четырехполюсников с использованием

обобщенных матриц. Из равенства элементов матриц передачи следуют расчетные выражения параметров четырехполюсника после перемещения ЕЭ. На основе полученных выражений составлена таблица основных эквивалентных преобразований, встречающихся при практических расчетах фильтров. Таким образом, используя эквивалентные преобразования и тождества Куроды - Леви, проектировщик может ввести в прототип любое число ЕЭ и расположить их в произвольных точках схемы так, чтобы получить каскадное соединение четырехполюсников с известными полосковыми структурами из типовых звеньев. Найти эквивалентную схему отрезков связанных линий одинаковой длины можно различными способами. Наиболее универсальным является использование конгруэнтного преобразования матрицы волновых проводимостей связанных линий с последующим введением идеальных трансформаторов. Известно, что в случае распространения в связанных линиях Т-волны и пренебрежимо малых потерь ток и напряжение в матричной форме можно выразить через волновые проводимости Су.

В диссертационной работе проанализированы и систематизированы в виде таблицы материалы отечественных и зарубежных авторов по типовым звеньям, реализованных с помощью связанных двухпроводных микрополосковых линий, применяемых при синтезе ЭФ. 20 типовых звеньев сведены в таблицу «Типовые звенья для связанной двухпроводной линии» в форме, удобной для разработчиков. Однако типовые звенья из отрезков связанных двухпроводных микрополосковых линий позволяют реализовать ограниченное количество простых схем, которые получаются при синтезе ЭФ. Проектирование фильтров с характеристиками Золотарева требует создания новых, более сложных структур для эффективной реализации.

Именно поэтому в диссертации была поставлена и решена задача разработки новых типовых звеньев с тремя связанными микрополосковыми линиями (три провода и земля). Эти звенья были рассчитаны, и результаты их исследований были представлены в таблице «Типовые звенья для связанной трехпро-водной линии», содержащей соотношения и топологии для 14 видов звеньев, используемых разработчиком при синтезе фильтров. Таким образом, тождества Куроды - Леви и таблица, содержащая новые типовые звенья для трехпровод-ной линии (табл. 1), позволяют провести проектирование фильтра СВЧ с помощью фильтра-прототипа.

Методика проектирования ЭФ проиллюстрирована на примере расчета ПЗФ с относительной шириной полосы задерживания 10%, центральной частотой /о =1,5 ГГц и затуханиями в ПЭП <0,1 дБ и в ПЭЗ> 40 дБ [2, 9]. Расчет проводится в последовательности, отраженной на рис. 1.

1. По заданным затуханиям и граничным частотам выбираются значения элементов прототипа С04-15-31 из [Зааль Р. Справочник по расчету фильтров. -М.: Радио и связь, 1983. Табл. П. 1.11] (рис. 1, а): 1[ = 0,8057 Ь'г =0,1382

С'г = 1,229 ¿'3 = 1,354 С; = 0,9311

Таблица 1

Типовые звенья для связанной трехпроводной линии

Схема с преобразованными по Ричардсу элементами

Эквивалентная полосковая структура

Расчетные соотношения

5

^ = £зз

(агъ-аъ 1+Г|2 ,

М 1-2з ) 5,1

С1 =0-023 ?'822 аъх+1

и =

£?23 '«31 +1

Таблица 3 [л5]

2

ГН>

=н

= §22

°12 *а23 + а13

д23 + а13 «12 '023+^13

•^зз1

П =

Таблица 3 [4]

2. Используется частотное преобразование: ш->—-рг, где

ю2 _ ио

а=~а—<о~ = И 0ПРеделяются элементы полосно-заграждающего прототипа

(рис. 1,6) ¿,=0,08058 =12,411 ¿2=15,945 С2 = 0,06018 ¿3 = 16,6156 С3 = 0,06272 ¿4 = 0,1354 С4 = 7,3855 4=10,74 С5 =0,09311

> ) 5 •

Ж {

3. Все элементы преобразуются по Ричардсу: О. -> ----—и в схему вво-

2 2-/о

дится пять ЕЭ (рис. 1, в).

4. Перемещая ЕЭ 2'г, и 2\ с помощью тождеств Куроды - Леви получаем схему, приведенную на рис. 1, г: г1=1, X, =25,86, ¿2 =24,82, Мп =25,82, С2 =0,03872, 22 =1,04, 23 =1,023, Ц =15,345, С3 =0,0608, 24 =0,9636, ¿4=16,61, С4 =0,0327, 25 = 1, ¿5 = 16,465, а/55 = 14,442, ¿6 = 13,486, С6 =0,06928, ¿7 =0,08996, С7 = 11,241.

5. На рис. 1, г пунктиром показаны схемы, для которых известны точные эквивалентные структуры (табл. 2).

На рис. 1, д показана топология центрального проводника полосковой линии проектируемого фильтра, полученная путем каскадного соединения стандартных типовых звеньев: = 0,963, =1,324, 200] =0,756, = о 933

гоег =1,292, 100г =0,788, г3 =1,002, 24 =0,936, =1,274, 2оа% =0,772, гоев= 1,384, г00б =0,663, 27 = 1,089, 28 =0,896, 29=0912> 20Сэ =1,402, ^,=0,777.

Таблица 2

стика затухания (сплошная линия) с нанесенными экспериментальными точками (рис. 1, е).

Таблица 3

Примеры матриц [а] и Щ для диагонализации матрицы волновых проводимостей [в]

приведенного выше. В этом случае от прототипа НЧ следует перейти к прототипу ППФ с помощью частотного преобразования:©-»—-Л—г- Рассмотрен-

в(«4].

ная методика расчета используется при относительной полосе фильтра меньше 10%. При более широкой полосе следует применять преобразование Ричардса

непосредственно к элементам прототипа НЧ (для ППФ - й-> для

2 /о

ПЗФ — £2 ^

1 л

у-' с; 4= 11 С, М Ч 1

=/г. г..-1-е, с. 4=

1 «к

Рис. 1. Структура и характеристика затухания ПЗФ из типовых звеньев В этом случае центральная частота полосы пропускания (задерживания) фильтра совпадает с частотой, при которой длина отрезков линий равна Х./4 и по-

лосовая характеристика получается за счет периодичности частотных характеристик цепей с распределенными параметрами.

Во второй главе разработан новый метод приближенного синтеза микроволнового узкополосного эллиптического ППФ с четвертьволновыми инверторами сантиметрового диапазона с реализацией на СПЛ. При разработке различных структур фильтров СВЧ широко используются инверторы. Инвертор - это четырехполюсник, у которого входные сопротивления являются обратной функцией сопротивления нагрузки. Если ввести понятие характеристического сопротивления инвертора К (или параметра инвертора), то входное сопротив-

2

ление связано с сопротивлением нагрузки 2Ю ■ = К . Инверторы позволяют преобразовывать электрическую схему фильтра, оставляя его АЧХ без изменения. Однако ФЧХ изменяется, так как инвертор обеспечивает сдвиг по фазе на ±90°. Если в схему ввести инвертор, то двухполюсник справа (нагрузку инвертора) необходимо заменить на обратный двухполюсник. Известно, что обратный двухполюсник легко найти, используя принцип дуальности. Инверторы позволяют от лестничной схемы перейти к схеме только с последовательными или только с параллельными ветвями (рис. 2). Существуют многочисленные формулы, позволяющие найти связь между параметрами инверторов и преобразуемыми сопротивлениями. Однако при расчете описываемого фильтра параметры инверторов задаются, и требуется найти преобразованное сопротивление '¿п через исходное .

к

О-^г-К\

Ки Кц

к

Рис. 2. Преобразование с помощью инверторов лестничной цепи в цепь, содержащую только параллельные ветви Эти соотношения получаются из приведенных на рис. 2 схемных преобразований:

г2

п - нечетное, п

•Я-

«; п -четное.

7' КпАг,..Х?2 ^ п~ г г*

Совершенно аналогичные формулы могут быть получены для схем, содержащих только последовательные ветви. Введение в схему инверторов позволяет получить определенную структуру фильтра, а достаточно произвольный выбор параметров инверторов Ку,- позволяет выполнить преобразования физической реализуемости. Однако идеальный инвертор не имеет физической реали-

зации, поэтому используются либо четырехполюсники с отрицательными элементами, которые уже после введения инвертора в схему компенсируются положительными элементами фильтра, либо реализуются четырехполюсником, имеющим свойства инвертора в ограниченном диапазоне частот. Если ввести в прототип (рис. 3, а) инверторы и перейти к схеме с параллельными ветвями, то получится цепь, состоящая из инверторов и резонансных контуров (рис. 3, б). Физическая реализация этих контуров осуществляется отрезками полосковых линий. Известно, что в случае узкого диапазона частот разомкнутый четвертьволновый отрезок линии имеет частотные характеристики последовательного резонансного контура с сосредоточенными параметрами. Если потребовать, чтобы у них совпадали резонансные частоты и были равны на этой частоте первые производные реактивного сопротивления (или равны параметры крутизны), то волновое сопротивление четвертьволнового резонатора равно:

2Х,А _ 4¿П0 ,

—г— --, где £ - безразмерный элемент резонансного контура протоК 7С

типа, По - нормированная резонансная частота контура, 11 - нормированное сопротивление фильтра. Можно показать, что добротности кон туров будут одинаковы, если Я является нагрузочным сопротивлением. Аналогично параллельный контур на сосредоточенных элементах можно реализовать в узком диапазоне частот полуволновым разомкнутым отрезком линии. При тех же требованиях, что и для четвертьволнового резонатора, волновое сопротивление

_ я

полуволнового разомкнутого отрезка равно „ ~ • , где С - безраз-

л 2С £2()

мерный элемент резонансного контура прототипа, П0 - нормированная резонансная частота контура, Л - нормированное сопротивление фильтра.

Рис. 3. К расчету полоскового ППФ: а) схема прототипа ПФ; 6) модифицированный фильтр; в) реализация эллиптического фильтра на полосковой линии

Таким образом, при реализации инверторов четвертьволновыми линиями, а параллельных ветвей полуволновыми и четвертьволновыми разомкнутыми отрезками, получится простая структура фильтра (рис. 3, в) без входной и выходной цепей. Далее рассматривается реализация входной цепи. При реализуемых значениях волновых сопротивлений резонаторов 2Х1г сопротивление К оказывается равным нескольким килоомам. Поэтому при обычно заданной нагрузке ^1=50...750м необходимо включить идеальный инвертор (рис. 4, а) К0] = урЩ . Следовательно, встает вопрос реализации этого инвертора (четвертьволновым отрезком линии нельзя, так как -^01 имеет порядок нескольких сотен Ом и с таким волновым сопротивлением линию физически не реализовать). Параллельный резонансный контур с высокоомной нагрузкой можно достаточно точно реализовать каскадным включением полуволнового

_ л .

отрезка линии с волновым сопротивлением - . , где С\ - безразмер-

" 2С1П1

ный элемент контура, П| - нормированная резонансная частота контура с сосредоточенными элементами, Я - нормированное сопротивление. Так как приближенно инвертор К01 логично реализовать зазором, то входная цепь будет иметь простую структуру (рис. 4, б). Контур следует реализовать линией с волновым сопротивлением ^ (это собственно и определит значение Я) и тогда зазор будет в линии с волновым сопротивлением '/0=К1. Расчетные формулы:

2 О

1г-1

-Л

1 2

3

п

I I т

Полуволновый резонатор 2-3 (рис. 4, б) следует укоротить на ф. Найденная реактивная проводимость Вм позволяет вычислить прибли-

2 Ъ

женные значения зазора Амм =—— Агс1Ь(еа); где 6ММ -расстояние между загс

ЗВтЯг10и „

земленными пластинами полосковой линии, сс --=-. Следует отметить,

¿мм^е/о

что приведенная формула приближенная и поэтому практически всегда необходимо проводить подстройку. Резонаторы фильтра реализуются разомкнутыми отрезками линий, поэтому требуется некоторое уменьшение длины, компенсирующее сосредоточенную емкость. Наиболее распространенная эмпириче-

С} .

екая формула для определения длины резонатора: I = /мм - 0,26^,--, где /мм

£

- теоретическая длина резонатора, Ьми - расстояние между пластинами полос-С/

ковой лшши, - нормированная краевая емкость одиночного стержня (Мат-

тей Д. Л., Янг А, Джонс Е. М. Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. -М.: Связь, 1971.-Т. 1.-С.439; 1972.-Т. 2.-С. 49). В заключение следует подчеркнуть, что созданный метод синтеза фильтра является приближенным и может применяться только для узкополосных фильтров.

Предлагаемая методика расчета рассматривается на числовом примере [1, 3,5,14]. Требуется спроектировать фильтр:

/о = 3 ГГц, 2ДГ=30МГц, Лпах^ОД дБ, А^ £ 40 дБ, Л1=500м.

Этим требованиям удовлетворяет прототип, приведенный на рис. 5, а [За-аль Р.: Справочник по расчету фильтров. - М.: Радио и связь, 1983]. Применяя полосовое частотное преобразование с постоянной а, получим полосовой прототип (рис. 5, б). Чтобы все узлы схемы имели емкость на землю, необходимо фильтр преобразовать (обычное линейное преобразование). Окончательная схема прототипа приведена на рис. 5, в, значения элементов равны: I, = 11,41 • 1СГ3, С, = 87,18, ¿2 = 44,76 • 10~3, С2 = 23,26, и, = 21,93 • 10"3, С3 = 45,59,

14 =42,99-10"3, С4= 22,34, ¿5 = 11,47-10", С5 = 87,64. Эти расчеты являются обыч-

, кг

ными и не требуют пояснения. Введем в схему инверторы (рис. 5, г)

1*2

= —^—; ь4 = А'3^12, Л- = К245К2гз—. На рис. 6, а приведен эскиз фильт-С3 К12С3 К 23 с5 к^Ак]2с5

ра, а на рис. 6, б - экспериментальная и теоретическая характеристики затухания (г, =50 Ом, 22 =166,5 Ом, Хъ = 95,70м, =160 Ом, =49,2 Ом,

2п = г23 = 734 = г45 = шси = як23 = ж34 = кк45 = 125 ом).

0,057 о = 4,027

НН

6)

-ППГУЧ,

'0.

к

С

Тс' I

С, 61.

ЧН

1

сЛь,

о

1С:

Рис. 5. Преобразование прототипа и введение инверторов: а) нормированный прототип НЧ; 6) нормированный полосовой прототип; в) нормированный полосовой прототип после преобразования веГГе; г) введение инверторов в схему

В третьей главе проведены проектирование, моделирование и оптимизация наиболее часто применяемых в СВЧ технике микроволновых шпилечных фильтров в микрополосковом исполнении в пакете программ Microwave Office: шпилечных фильтров четвертого и пятого порядков с U-образными резонаторами с помощью модулей схемотехнического и электромагнитного моделирования; шпилечного фильтра пятого порядка с W-образными резонаторами, используя модуль электромагнитного моделирования. Для шпилечного фильтра четвертого порядка результаты расчета и оптимизации сравниваются с экспериментальными данными. Рассчитаны следующие электрические характеристики вышеназванных фильтров: АЧХ, ФЧХ, затухания, КСВН вх/вых, ГВЗ, коэффициентов отражения на входе и выходе, а также распределения напряженности электрического поля в диэлектрике и плотностей токов на рабочих поверхностях фильтров в 2D и 3D представлениях. Приведены топологии и конструкции (двух- и трехмерных структур устройств) фильтров с указанием геометрических размеров.

В приложениях с помощью пакета программ HFSS были проведены анализ, моделирование, оптимизация и расчет электрических характеристик следующих микроволновых фильтров: ЭФ с инверторами с реализацией на СПЛ; ступенчатого ЭФ на решетке связанных прямоугольных стержней с четырьмя портами с реализацией на СПЛ; шпилечного фильтра с U-образными резонаторами пятого порядка в микрополосковом исполнении.

Заключение

Основные результаты диссертации

1. Модернизирован метод точного синтеза микроволновых ЭФ из типовых звеньев с реализацией на МПЛ.

2. Разработан новый метод приближенного синтеза ЭФ с четвертьволновыми инверторами с реализацией на СПЛ.

3. Представлены инженерные методы и алгоритмы анализа и моделирования (схемотехнического и электромагнитного) с помощью пакета программ MWO наиболее часто применяемых в СВЧ технике шпилечных фильтров: с U-образными резонаторами четвертого, пятого порядков и с W-образными резонаторами пятого порядка, обладающих качественными электрическими характеристиками и приемлемыми массогабаритными показателями.

4. Представлены результаты экспериментальных исследований эллиптического ПЗФ из типовых звеньев в микрополосковом исполнении, эллиптического ППФ с четвертьволновыми инверторами с реализацией на СПЛ и шпилечного ППФ четвертого порядка дециметрового диапазона в микрополосковом исполнении.

5. Разработаны модели, проведена оптимизация и рассчитаны основные электрические характеристики микрополосковых шпилечных фильтров с U-образными резонаторами четвертого и пятого порядков с помощью пакета программ MWO.

6. Проведены анализ, моделирование и оптимизация микроволнового ЭФ с инверторами с реализацией на СПЛ с помощью пакета программ HFSS.

7. Представлены анализ и моделирование микроволнового ступенчатого ЭФ на решетке связанных прямоугольных стержней с четырьмя портами и шпилечного фильтра с U-образными резонаторами пятого порядка в микрополосковом исполнении с помощью пакета программ HFSS.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации:

Статьи в научных изданиях, включенных в перечень ВАК РФ

1. Кубалова А.Р., Томашевич C.B. Синтез микроволнового эллиптического фильтра с четвертьволновыми инверторами // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. -2010.-№ 2-С. 59-67.

2. Кубалова А.Р., Томашевич C.B. Синтез и конструирование миниатюрных микроволновых эллиптических фильтров из типовых звеньев с реализацией на микрополосковой линии // Телекоммуникации. - 2010. - № 7 - С.45-51.

3. Кубалова А.Р., Максимов А.П., Томашевич C.B., Кубалов Р.И. Моделирование, конструирование и оптимизация микроволновых полосковых эллиптических фильтров с инверторами // Электросвязь. - 2010. - №9 - С. 10-13.

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

Другие публикации

5. Кубалова А.Р. Синтез и конструирование микрополосковых узкополосных эллиптических фильтров СВЧ с четвертьволновыми инверторами // VIII Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов»: Материалы конференции / СПбГУТ. - СПб., 2009. - С. 72.

6. Кубалова А.Р. Синтез и конструирование ступенчатых эллиптических фильтров СВЧ из двух параллельно соединенных решеток связанных резонаторов различной длины // VIII Между-

народная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов»: Материалы конференции / СП5ГУТ. - СПб., 2009. - С. 73.

7. Кубалова А.Р., Кубалов Р.И. Синтез и технология изготовления стержневых эллиптических фильтров СВЧ // VIII Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов»: Материалы конференции / СПбГУТ. - СПб., 2009. - С. 73-74.8. Кубалова А.Р., Кубалов Р.И., Томашевич C.B. Анализ и расчет микроволновых ступенчатых эллиптических фильтров дециметрового диапазона // VIII Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов»: Материалы конференции / СПбГУТ. - СПб., 2009. - С. 71.9. Кубалова А.Р., Кубалов Р.И., Томашевич C.B. Синтез микрополосковых эллиптических фильтров СВЧ из типовых звеньев // VIII Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов»: Материалы конференции. СПбГУТ. - СПб., 2009. - С. 71-72.10. Кубалова A.P., Крылова И.И., Томашевич C.B. Моделирование и оптимизация микроволновых микрополосковых шпилечных фильтров // 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 .24-28.

11. Максимов А.П., Кубалова А.Р., Кубалов Р.И. Анализ, моделирование и оптимизация микроволнового эллиптического фильтра с инверторами с помощью HFSS И 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. 29-33.

12. Кубалова A.P., Крылова И.И., Лапшин А С. Конструирование и моделирование микроволновых микрополосковых шпилечных фильтров // 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. 34-38.

13. Максимов А.П., Кубалова А.Р., Кубалов Р.И., Томашевич C.B. Конструирование и моделирование микроволнового ступенчатого эллиптического фильтра с четырьмя портами // Научно-технический семинар «Научно-технические проблемы в промышленности: итерированные 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. 39-42.

14. Кубалова А.Р. Приближенный метод синтеза узкополосного миниатюрного микроволнового эллиптического фильтра с четвертьволновыми инверторами сантиметрового диапазона // 62 Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: Материалы конференции / СПбГУТ. - СПб., 2010. - С. 278284.

15. Кубалова А.Р. Точный метод синтеза полосковых полосно-зшраждающих фильтров СВЧ // 56 Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: Материалы конференции / СПбГУТ. - СПб., 2004. - С. 72.

Подписано к печати 16.12.2010 Объем 1 печ. л. Тираж 80 экз. Отпечатано в СПбГУТ. 191186. СПб., наб. р. Мойки, 61

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СИНТЕЗ МИКРОВОЛНОВОГО ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО ФИЛЬТРА

ИЗ'ТИПОВЫХ ЗВЕНЬЕВ С РЕАЛИЗАЦИЕЙ НА МПЛ

ГЛАВА 2. МЕТОД ПРИБЛИЖЕННОГО СИНТЕЗА МИКРОВОЛНОВОГО ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО ППФ С ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫМИ ИНВЕРТОРАМИ САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА С РЕАЛИЗАЦИЕЙ НА

СИММЕТРИЧНОЙ ПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ, МОДЕЛИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПОЛОСКОВЫХ ФИЛЬТРОВ СВЧ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАКЕТА ПРОГРАММ MICROWAVE OFFICE

3.1. Обзор системы автоматизированного проектирования СВЧ устройств Microwave Office

3.1.1. Обзор программ по проектированию СВЧ устройств

3.1.2. Анализ возможностей программы Microwave Office

3.2. Автоматизированное проектирование микроволнового шпилечного фильтра пятого порядка в микрополосковом исполнении с помощью • пакета программ Microwave Office

3.2.1. Проектирование шпилечного фильтра пятого порядка с использованием модуля электромагнитного моделирования САПР Microwave Office

3.2.2. Проектирование микроволнового шпилечного фильтра пятого порядка; с использованием модуля схемотехнического моделирования САПР Microwave Office

3.3. Проектирование микроволнового шпилечного фильтра четвертого порядка в микрополосковом исполнении

3.3.1. Исходные данные

3.3.2. Проектирование шпилечного фильтра четвертого порядка с использованием модуля электромагнитного моделирования САПР Microwave Office

3.3.3. Проектирование шпилечного фильтра четвертого порядка с использованием модуля схемотехнического моделирования САПР Microwave

Office

3.4. Автоматизированное проектирование шпилечного фильтра пятого порядка (с W- образными резонаторами) с использованием модуля электромагнитного моделирования САПР Microwave Office

Широко распространенными в радиотехнических микроволновых системах (PJIC, системах спутниковой связи и телевидения) являются фильтры СВЧ. Они предназначаются для частотной селекции принимаемых и передаваемых сигналов, развязки трактов приема и передачи, выделения полезных сигналов в различных частотных диапазонах и сложения сигналов в выходных мощных каскадах[1-3]. СВЧ фильтры представляют особый интерес на частотах от 300МГц до 40 ГГц, так как на сегодняшний день этот участок частотного диапазона наиболее загружен электромагнитными волнами, а их длины соизмеримы с возможностями технологических процессов изготовления ГИС СВЧ (фотолитография, напыление, фрезерная обработка и т. п.)[5,6].

Разработка и исследование ГИС СВЧ приводят к задаче микроминиатюризации пассивных частотно-селективных цепей, которые в основном и определяют габариты всего модуля СВЧ. Одним из направлений микроминиатюризации является использование полосковых согласующих и фильтрующих цепей, имеющих полюса затухания на конечных частотах [7,10]. Эти цепи имеют существенные преимущества перед полиномиальными цепями, так как позволяют реализовать требуемые характеристики гораздо более компактными структурами. Так фильтрами с такими характеристиками (их называют эллиптические или фильтры Золотарева - Кауэра) 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. Или при одинаковых потерях в полосе пропускания (ПП) фильтр Золотарева при заданной переходной области обеспечивает почти на 50% более высокое затухание (эти обобщения сделаны для узкополосных фильтров с ненагруженной добротностью резонатора и 2000)[14,18]. Вышеназванные преимущества обеспечиваются тем, что крутизну характеристики затухания ПО у фильтра Золотарева 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 фильтров Золотарева в диапазоне СВЧ с использованием полосковой техники представляет значительные трудности, т. к. получаемые структуры, как правило, сложнее структур полиномиальных фильтров[118, 119, 123]. 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 серийном изготовлении. Разработка простых типовых структур полосковых фильтров с характеристиками Золотарева является важнейшей задачей ближайших лет и поэтому эта проблема исследована в первой главе диссертационной работы[24-28, 119]. Большое значение при проектировании современных устройств и систем имеют методы приближенного синтеза. Во второй главе предложен и исследован метод приближенного синтеза микроволнового ЭФ с четвертьволновыми инверторами, реализованного на симметричной полосковой линии (СПЛ)[117, 118, 123, 126]. Также очень важной задачей- для миниатюризации микроволновой техники и существенного увеличения производительности труда инженеров - разработчиков СВЧ аппаратуры являются автоматизированное проектирование, конструирование и технология изготовления микроволновых устройств и систем. С внедрением в разработку и исследованием САПР микроволновых систем производительность труда инженеров увеличивается в десятки и сотни раз[94-96]. В последнее время к микроволновым системам и фильтрам стали предъявлять трудновыполнимые и весьма противоречивые требования, т.к. передача цифровых сигналов накладывает жесткие ограничения на групповое время задерживания (ГВЗ), а его неравномерность напрямую связана с крутизной АЧХ. Традиционные методы расчета микроволновых фильтров неравномерность ГВЗ не оценивают, разработчик может это проделать только с помощью САПР. Физическая реализация микроволновых фильтров до настоящего времени остается довольно сложной инженерно-технической задачей, так как> конструктивное воплощение фильтра имеет множество вариантов, которые по тем или иным параметрам часто не удовлетворяют разработчиков (масса, габариты, технологии изготовления, возможность простой настройки)[100,102,103]. Разработчикам приходится искать компромисс между множеством характеристик фильтра и требованиями ТЗ, именно поэтому при использовании САПР применяют различные методы оптимизации, рассмотренные в работах[64,66].

Микроволновые фильтры приемной части радиолокационных систем должны быть миниатюрными и иметь минимальные потери в 1111, что достигается использованием планарных структур, а фильтры оконечных каскадов PPJI должны иметь высокую крутизну характеристик и способность пропускать мощности порядка сотен кВт, и поэтому они реализуются на объемных структурах. В связи с этим в диссертации подробно исследованы с помощью САПР MWO электрические характеристики, конструкции и технологии изготовления многочисленных микроволновых фильтров в планарном и объемном исполнениях[65,67].

В настоящее время имеется обширная литература по теории и методам синтеза различных типов фильтров СВЧ. Разработанные методы синтеза многих структур фильтров СВЧ (например, на основе фильтров-прототипов нижних частот, ступенчатых трансформаторов, использования частотного преобразования Ричардса) позволяют синтезировать фильтры с высокой точностью относительно электрических параметров (волновые сопротивления, электрические длины). Однако при переходе от электрических параметров фильтра к геометрическим параметрам топологии возникают определенные трудности, связанные с недостаточной точностью существующих моделей отрезков линий передач и различных неоднородностей, а также с проблемами учета дисперсии, влияния корпуса, проводимости материала проводников и т.п., особенно в верхней части СВЧ диапазона. Это приводит к необходимости экспериментальной отработки топологии на макетах фильтров[76,77].

С появлением программных продуктов, позволяющих выполнять анализ топологии устройств СВЧ на электродинамическом уровне, ситуация изменилась. Появилась возможность так смоделировать топологию проектируемого фильтра, чтобы экспериментальная характеристика хорошо совпадала с расчетной.

Одним из популярных программных продуктов, используемых для проектирования полосковых и микрополосковых устройств СВЧ, является Microwave Office (MWO) компании Applied Wave Research(AWR). Проектирование СВЧ фильтров в этом программном продукте в общем случае можно разделить на три этапа: выбор структуры фильтра в первом приближении, уточнение параметров выбранной структуры в линейном моделировании, окончательная доводка параметров топологии в электромагнитном моделировании[94,122,124].

Поскольку Microwave Office является программой анализа, для- начала работы в ней необходимо предварительно выбрать структуру фильтра и определить её параметры хотя бы в достаточно грубом приближении. Для некоторых структур фильтров, например, фильтров на четвертьволновых шлейфах, это сделать достаточно просто. Но для большинства структур (фильтров с боковыми электромагнитными связями, встречностержневых и др.) необходимо сделать какие-то предварительные расчеты. Для некоторых типов фильтров можно использовать встроенный в Microwave Office мастер синтеза фильтров (Filter Synthesis Wizard) или интегрированный модуль NuHertz Filter.

После выбора структуры фильтра создается электрическая схема фильтра с учётом неоднородностей и выполняется анализ созданной схемы. Затем изменяются параметры элементов схемы до получения требуемой характеристики. Для этого можно использовать оптимизацию схемы. Если полученная первоначально характеристика далека от требуемой, оптимизация может не сработать. В этом случае лучше использовать инструмент ручной настройки схемы, который сделан очень удобным и работает в. режиме реального времени.

Когда требуемая характеристика получена, создается электромагнитная структура топологии фильтра с учётом реальных размеров корпуса и материалов диэлектрика и проводника. Полученные в линейном моделировании размеры топологии округляются так, чтобы они бьщи кратными выбранным размерам клеток сетки электромагнитной структуры. Выполняется анализ созданной электромагнитной структуры. Полученная характеристика может довольно существенно отличаться от характеристики, полученной в линейном моделировании.

После этого делаются изменения (подбор) размеров топологии и выполняется анализ после каждого изменения до тех пор, пока не будет получена требуемая характеристика фильтра. Не всегда очевидно, какие параметры топологии нужно изменять и в какую сторону, чтобы приблизить полученную характеристику к требуемой[94]. Если необходимо сдвинуть-характеристику по частоте, ясно, что нужно изменить резонансную частоту резонаторов (т.е. их длину). Чтобы изменить ширину полосы пропускания, необходимо изменить величину связей между резонаторами (например, величину зазоров в фильтрах с электромагнитной связью). Обычно; чем ближе характеристика к желаемой, тем сложнее определить, что нужно изменить в, топологии, чтобы' правильно подобрать соотношения между резонансными частотами отдельных резонаторов, связями, между ними и волновыми сопротивлениями. Эта процедура кропотливого подбора размеров! топологии является наиболее трудоёмкой и длительной: Анализ электромагнитной- структуры* может занимать значительное время. Для ускорения процедуры электромагнитного моделирования можно

Л ( 1 рекомендовать вначале выполнить анализ с относительно крупной сеткой и меньшим числом частотных точек. Затем увеличить количество клеток в сетке, уменьшив их размер; и увеличить число частот.

При окончательной» доводки топологии: можно перейти от графика вносимого ослабления к графику коэффициента стоячей волны, который; более, чувствителен к изменениям параметров топологии. Затраченные усилия на кропотливый подбор размеров топологии окупаются высокой точностью моделирования, при которой отпадает необходимость в экспериментальной отработке или она сводится к минимуму. Следует отметить, что высокая точность электромагнитного моделирования обеспечивается при: условии; когда проводники топологии параллельны сетке разбиения; а размеры топологических форм кратны размерам клеток сетки.

Другим популярным программным продуктом, используемым для проектирования полосковых и микрополосковых устройств СВЧ, является HFSS (High: Frequency Structural? Simulator) — пакет программ, предназначенный для проектирования трехмерных СВЧ устройств, моделирования и?расчета характеристик СВЧ — устройств.

Пакет программ HFSS использует несколько методов1 расчета. HESS вычисляет многомодовые S-параметры (S, Y, Z), и электромагнитные поля: в трехмерных структурах произвольной пассивной формы., При помощи HFSS инженеры могут получать трехмерное изображение электромагнитных полей (в ближней и дальней зоне)[117, 120, 123, 125], создавать SPICE-модёли для эффективной оценки качества сигнала, оценивать потери в линиях передач, потери на отражение, возникающие вследствие разных импедансов, паразитные связи и излучения. Решения для электромагнитного поля, найденные из уравнений Максвелла, позволяют точно определить все характеристики; СВЧ устройства' с учетом: возникновения и преобразования одних типов волн в. другие, потерь в материалах и на излучение и т. д. Расчетный модуль HFSS использует метод; конечных элементов; для расчета электрического поведения высокочастотных и высокоскоростных компонентов, включающий адаптивное разбиение структуры на ячейки. Благодаря этому появляется возможность точного анализа структур, не поддающихся декомпозиции на элементы библиотек иных САПР, решающих задачи электродинамики с помощью теории цепей [96]. При решении важных практических задач повышенное внимание уделяется особенностям методов расчета и установке опций программы Ш^Б в ходе построения трехмерных моделей волноводных, полосковых, микрополосковых и антенных структур. Программа Ш^Б имеет интуитивный интерфейс, упрощающий описание проекта, мощную программу расчета электромагнитного поля, адаптированную к требуемой точности решения, и мощный постпроцессор для беспрецедентного представления электромагнитных характеристик.

Целью диссертации является разработка и исследование новых методов синтеза микроволновых эллиптических фильтров дециметрового и сантиметрового диапазонов, условий физической реализуемости этих фильтров и анализ, моделирование и конструирование различных типов микроволновых фильтров с помощью САПР, а также экспериментальные исследования вышеназванных фильтров[39-45].

Основные результаты диссертации:

1. Модернизирован метод точного синтеза микроволновых ЭФ из типовых звеньев с реализацией на микрополосковой линии (МПЛ).

2. Разработан метод приближенного синтеза ЭФ с четвертьволновыми инверторами с реализацией на симметричной полосковой линии (СПЛ).

3. Исследованы с помощью пакета программ М\\Ю инженерные методы анализа и моделирования (схемотехнического и электромагнитного) наиболее часто применяемых в СВЧ технике шпилечных фильтров: с И-образными резонаторами четвертого, пятого порядков и с \¥-образными резонаторами пятого порядка, обладающих качественными электрическими характеристиками и приемлемыми массогабаритными показателями.

4. Представлены результаты экспериментальных исследований эллиптического ПЗФ из типовых звеньев в микрополосковом исполнении, эллиптического НПФ с четвертьволновыми инверторами с реализацией на СПЛ и шпилечного НПФ четвертого порядка дециметрового диапазона в микрополосковом исполнении.

5. Разработаны модели, проведена оптимизация и рассчитаны основные электрические характеристики микрополосковых шпилечных фильтров с II-образными резонаторами четвертого и пятого порядков с помощью пакета программ MWO.

6. Проведены анализ, моделирование и оптимизация микроволнового ЭФ с инверторами с реализацией на СПЛ с помощью пакета программ Ш^.

7. Представлены анализ и моделирование микроволнового ступенчатого ЭФ на решетке связанных прямоугольных стержней с четырьмя портами и шпилечного фильтра с и-образными резонаторами пятого порядка в микрополосковом исполнении с помощью пакета программ Ш5^.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Маттей Д. Л., Янг А, Джонс Е. М. Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. М.: Связь, 1971. - Т. 1. - С. 439; 1972. - Т. 2. - С. 495.

2. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств. Пер. с англ. С. Д. Бродецкой. Под ред. В. Г. Шейнкмана. М.: Радио и связь, 1987.-С. 432.

3. Альтман Д. Ж. Устройства сверхвысоких частот. Пер. с англ. проф. И. В. Лебедева М.: Мир, 1968. - С. 484.

4. Микроэлектронные устройства СВЧ. Под ред. Проф. Г. И. Веселова. -М.:«Высшая школа, 1988. С. 280.

5. Бахарев С. И., Вольман В. И. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под ред. В. И. Вольмана. М.: Радио и связь, 1982. - С. 328.

6. Алексеев Л. В., Знаменский А Е., Лоткова Е. Д. Электрические фильтры метрового и дециметрового диапазонов. М.: Связь, 1976. — С. 280.

7. Справочник по расчёту элементов полосковой техники", под редакцией Фельдштейна. М.: Связь, 1979. - С. 336.

8. Jia-Sheng Hong, Lancaster M. J. Microstrip filters for RF/Microwave applications. — N. Y.: John Wiley & sons. Inc., 2001. C. 482.

9. Antti V. Radio engineering for wireless communication and sensor applications London: Artech House., 2003.

10. Hunter C. Theory and Design of Microwave Filters // IEEE Electromagnetic Waves Series (Hardcover). 2004.

11. The design, fabrication and measurement of microstrip filter and coupled circuits. From July 2002 High Frequency Electronics. Copyright © 2002 Summit Technical Media, LLC.

12. Design of microstrip bandpass filter using Advanced Numerical Models. From March 2004 High Frequency Electronics Copyright © 2004 Summit Technical Media, LLC.

13. Ozaki H., Ishii J. Synthesis of a class of strip-line filters. // IRE Trans, on Circuit Theory. June 1958. - Vol. CT-5. -pp. 104-109.

14. Schiffinan В. M. Matthaei G. L. Exact design of band-stop microwave filters. // IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques. January 1964. - Vol. MTT-12.-pp.6-15.

15. Richards P. I. Resistor transmission-line circuits. // Proc. IRE. February 1948. - Vol. 36. -pp. 217-220.

16. Уайлд Д. Методы поиска экстремума. М.: Наука, 1967.

17. Половинкин А. И. Алгоритмы оптимизации проектных решений. — М.: Энергия, 1976.

18. Роудс Д. Теория электрических фильтров. — М.: Советское радио, 1980. -С. 240.

19. De Los Santos HJ. Introduction to Microelectromechanical (MEM) Microwave Systems». Boston.: Artech House, 1999.

20. Saal R. Der Entwurf von Filtern mit Hilfe des Kataloges normierter Tiefpasse. (The design of filters using the catalogue of normalized low-pass filters). -Telefunken, G.M.B.H., Backnang/Württemberg, Western Germany, 1961.

21. Pawsey D. C., Element coefficients for symmetrical two-section filters having Tchebycheff response in both pass and stop bands. Skwirzynski J. K., Design Theory and Data for Electric Filters. London: Van Nostrand, 1965.

22. Wenzel R. J. Theoretical and practical applications of capacitance matrix transformations to ТЕМ network design. // IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques. December 1966. - Vol. MTT-14. - pp. 635-647.

23. Crystal E. G. Coupled circular cylindrical rods between parallel ground planes. // IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques. July 1964. - Vol. MTT-12.-pp. 428-439.

24. Кубалова A.P. Синтез и конструирование микрополосковых узкополосных эллиптических фильтров СВЧ с четвертьволновыми инверторами // VIII Международная научно-техническая конференция «Физика и технические