автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Улучшение параметров полосовых LC-фильтров путем преобразования мостовых звеньев в неуравновешанные лестничные

На правах рукописи

Тюменцев Александр Иванович

УЛУЧШЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛОСОВЫХ ЬС-ФИЛЬТРОВ ПУТЕМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОСТОВЫХ ЗВЕНЬЕВ В НЕУРАВНОВЕШАННЫЕ

ЛЕСТНИЧНЫЕ

Специальность 05.12.04 — Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 Я НОЯ 2013

Омск-2013

005539831

005539831

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» на кафедре «Радиотехнические устройства и системы диагностики» и в открытом акционерном обществе «Омский научно-исследовательский институт приборостроения».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Аржанов Валерий Андреевич

кандидат технических наук, профессор

Петров Виктор Петрович

доктор технических наук, профессор, начальник ИЛ, СибГУТИ

Никонов Игорь Валентинович

кандидат технических наук, доцент

ОАО «Центральное конструкторское бюро автоматики», г. Омск

Защита состоится «13» декабря 2013 года в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» по адресу: г. Омск, пр. Мира 11, ауд. 8-421.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГТУ. Автореферат разослан « 13 » г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира 11, Омский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.178.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.178.01 доктор технических наук

В.Л. Хазан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современной радиоэлектронной аппаратуре электрические фильтры играют важную роль, определяя в значительной степени ее параметры такие как: помехозащищенность, избирательность, быстродействие, устойчивость связи при жестких условиях эксплуатации, вес, габариты, динамический диапазон и т.д. Такие средства радиосвязи используют различные типы фильтров: LC-фильтры, пьезоэлектрические, ПАВ-фильтры, электромеханические, ARC и др. Наиболее широкое применение из указанных устройств частотной селекции находят LC-фильтры, так как позволяют работать в широком диапазоне частот (от нескольких кГц до единиц ГГц), реализуют относительные полосы пропускания от 3 до 200 %, а также позволяют работать с большими уровнями сигнала.

Такие фильтры находят применение в качестве входных цепей, преселекторов, перестраиваемых цепей частотного разделения, фильтров ПЧ и т.п. При этом, требования, предъявляемые к современным средствам связи приводят к необходимости реализовывать все более жесткие электрические и эксплуатационные параметры устройств частотной селекции.

Несмотря, на то, что теоретические вопросы синтеза LC-фильтров достаточно полно рассмотрены в работах отечественных и зарубежных ученых, ряд вопросов до сих пор остается не полностью исследованным.

К таким вопросам, прежде всего, относятся: поиск новых схемных решений и вывод для них расчетных соотношений, позволяющих определить значения элементов схемы; вопросы реализации перестраиваемых полосовых фильтров (ППФ), обеспечивающих больший коэффициент перестройки; создание интегральных фильтров, выполненных в объеме многослойных структур, а также определение их потенциальных возможностей. Настоящая работа посвящена решению этих вопросов.

Цели и задачи работы. Целью диссертационной работы является исследование вопросов реализации LC -фильтров с улучшенными параметрами.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Синтез полосовых фильтров лестничной структуры на основе преобразования исходных элементарных звеньев полосовых фильтров-прототипов симметричного мостового типа в неуравновешенные структуры.

2. Выводились расчетные соотношения для предложенных оригинальных схем и ряда их модификаций.

3. Разрабатывалась методика выбора исходных схем ППФ, основанная на анализе входных сопротивлений симметричных структур и позволяющая получить максимально-возможный коэффициент перекрытия по частоте перестройки.

4. Был предложен ряд оригинальных схем ППФ, содержащих минимальное число элементов перестройки, сопровожденный выводом соотношений для расчета элементов схемы.

5. Проводилась дифференциальная оценка влияния добротности элементов схемы на вносимое затухание всей цепи.

6. Исследовались возможности создания интегральных фильтров, выполненных в виде трехмерных структур. Анализировались полученные оригинальные схемные решения, позволяющие реализовать заданные требования.

Основные методы исследования:

1. Теоретические: методы теории электрических цепей, численные методы моделирования.

2. Экспериментальные: измерение зависимости параметров матрицы рассеяния от частоты.

Научная новизна работы:

1. Дополнена теория расчета ЬС-фильтров, полученная путем преобразования симметричных мостовых схем полосовых фильтров первого класса по затуханию в эквивалентные им неуравновешенные лестничные.

2. На основе проведенных преобразований получен ряд новых лестничных и Т-образно-мостовых схем ПФ, а также их модификаций с применением известных преобразований Нортона совместно с эквивалентными преобразованиями двухполюсников, входящих в преобразуемые схемы. Эти решения расширяют ряд известных ранее схем и позволяют в ряде случаев существенно улучшить конструктивно - технологические характеристики проектируемых фильтров.

3. Для полученных в работе вариантов схем Т-образно-мостовых ПФ путем введения в схему дополнительных «избыточных» емкостей получена методика их преобразования в более удобные для практического применения модификации.

4. При выборе методики построения полосовых перестраиваемых фильтров (НПФ) был использован анализ входного сопротивления XV симметричного реактивного четырехполюсника, с характеристическим сопротивлением характеристической фазой а, нагруженного на сопротивление Я.

Показано, что

ц, _ 2 2с&иха-]Ксо^а ' Я яп а - ]2С соб ее

В полосе пропускания на частотах, когда а = кл (к =1,2,...и) КсIV = К, \rnlV = 0.

Если в качестве исходной схемы ППФ выбрать схему второго класса по затуханию, то на средней частоте и частотах близких к ней а = кл, входное сопротивление на этих частотах не зависит от Тс и изменяется незначительно при смене рабочей частоты. Это позволяет расширить рабочий

диапазон рабочих частот ППФ без введения дополнительных цепей согласования на входе и выходе ППФ.

5. На основе предложенной методики и использовании схем ПФ, полученных при преобразовании симметричных фильтров - прототипов в лестничные предложены варианты схемных решений ППФ с применением в качестве элемента перестройки дискретных конденсаторов переменной емкости (ДКПЕ), конверторов обобщенных сопротивлений и варикапов.

6. При построении ПФ в диапазоне частот до нескольких ГГц проводилось исследования возможности их реализации в виде многослойных интегральных фильтров с применением различных технологий. Проведена оценка рабочего диапазона частот и реализуемых относительных полос пропускания.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

На основе проведенных исследований предложены инженерные методы проектирования ПФ и ППФ с применением дискретной элементной базы, а также высокочастотных интегральных ПФ, выполненных с применением различных интегральных технологий, которые были внедрены в ряде разработок различных типов ПФ и ППФ и использованы в современной профессиональной аппаратуре связи.

Так, например, полученные методы были использованы при разработке ПФ на частоты от нескольких МГц до нескольких ГГц с полосами пропускания от 10% до 40%.

Разработаны ППФ для диапазонов частот от 1,5 до 90 МГц с относительными полосами пропускания 5% в двух вариантах исполнения — с применением в качестве элементов коммутации рт-диодов и электронных реле.

Изготовленные и испытанные опытные образцы подтвердили состоятельность и эффективность предложенных в работе методов

проектирования таких устройств. Полученные при разработке образцы не уступают по характеристикам лучшим зарубежным аналогам.

Положения, выносимые на защиту:

1. Схемы полосовых фильтров лестничного и Т-образно-мостового типов, эквивалентные симметричным-мостовым фильтрам прототипам, полученные на основе предложенного в работе метода эквивалентных преобразований.

2. Методика расчета полученных модифицированных вариантов схем ПФ, и оценка их физической реализуемости.

3. ППФ с применением емкостных и индуктивных элементов перестройки.

4. Результаты исследования возможностей создания интегральных LC-фильтров, выполненных на основе многослойных структур.

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная научно-техническая конференция «Радиотехника, электроника и связь» (2011, Омск); VIII международная научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов и машин» (2012, Омск); I и II Всероссийские конференции «Микроэлектроника СВЧ» (2012, 2013 Санкт-Петербург,); III и IV общероссийской научно-технической конференции «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем» (2010, 2012 Омск); III студенческая научно-практическая конференция «Приборостроение и информационные технологии» (2010, Омск); II Региональная молодежная научно-техническая конференция «Омский регион — месторождение

возможностей» (2011, Омск); Региональная научно-практическая конференция ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященная Дню радио (2010, Омск).

Публикации:

Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 18 статьях и докладах, среди которых 7 публикаций в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК. Доклады обсуждались и получили одобрение на 7 международных, всероссийских и региональных конференциях. Основные положения защищены 6 патентами на изобретения и 2 положительными решениями на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами и заключения. Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, включает 71 рисунок, 5 таблиц и список литературы из 92 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы.

В первой главе рассмотрены общие методы синтеза фильтров - синтез фильтров по характеристическим параметрам и синтеза фильтров по рабочим параметрам, позволяющие решать достаточно широкий круг задач проектирования фильтров с заданными частотными характеристиками. Определены методы, наиболее подходящие для синтеза неперестраиваемых фильтров, в том числе интегральных, а также перестраиваемых фильтров, с минимальным содержанием числа элементов перестройки.

Во второй главе исследовались возможные реализации ЬС-структур для современной РЭА.

Было проведено преобразование симметричных мостовых ПФ первого класса по затуханию в эквивалентные им лестничные схемы. В качестве необходимых и достаточных условий физической реализуемости при выполнении таких требований были введены ограничения на коэффициент т, характеризующий полюс затухания и относительную ширину полосы пропускания у передаточной функции. Для четырех возможных вариантов исходных мостовых ПФ первого класса по затуханию были получены соответственно восемь вариантов эквивалентных лестничных схем, четыре варианта для значений т < 1 и четыре варианта для значений ш > 1.

На рис. 1а и 2а приведены две из четырех рассмотренных в работе схем исходных симметричных мостовых фильтров — прототипов.

и

с,

с,

1

а)

¿с - с,- с, йС

С;

£

2

— С;

2С0

ш|<1 ДС=Сз-С2

т?>\ + 2у, С„

С. (С,-С,)

С 2 — Су — С,

б)

В)

Рисунок 1.

На рис. 16,в и 26,в показаны полученные лестничные эквиваленты и указаны ограничения при выборе значений для т и у, необходимые для выполнения условий физической реализуемости.

-І-ЛЯР-

и ц

и и

.—ппр-рттр—•

т, <1

б)

а)

В)

Рисунок 2.

Подобные преобразования выполнены для Т-образно-мостовых фильтров первого и второго классов по затуханию.

С целью получения более удобных значений при реализации номиналов индуктивных (или емкостных) элементов рассмотрены возможные модификации этих схем, позволяющие проводить необходимую трансформацию величин элементов в достаточно широких пределах. На рис. 36 приведена одна из Т-образно-мостовых схем полосовых фильтров 2-го класса по затуханию, эквивалентная симметричной мостовой (рис. За), и

модифицированный ее вариант, показанный на рис. Зв. В модифицированном исполнении есть возможность получить равными значения индуктивностей 2£,

и — рис. 36.

т

н ь

с,

XX-

ЬтЧ

Сз - С 02

с4 = Со1 — С02 — С2

\ + т.т, 1 М =-1—- <

т\ + т2 V1 + У б

Т

-^"«Ч I-

с» С» с,

-I кн м ^

X

_ 11-.

"У2

X

'<М <

4г х/Г+7

Рисунок 3.

Для выполнения условий физической реализуемости схемы рис. Зв необходимо выбрать емкость Са>С,+С2+С4, эквивалентность схем рис. 36 и Зв выполняется при соблюдении следующих условий:

Г2Г

£ _ _'"0*^1_

(с, С2 — С4 Хс0 — С2 — С4 — с,)

г г

_ '-"»'•"г 20 ~ „ р >

О

Для получения величин-^- и 2£10 равными друг другу, необходимо чтобы _2(Сг+С4)

[Г '

2- р.

Конденсаторы С0 и Сз на входе и выходе модифицированной схемы позволяют ввести между емкостью Со и Т-образным фрагментом схемы идеальный трансформатор, с коэффициентом трансформации п < 1 и уменьшить импедансы всех элементов Т-образного фрагмента в п2 раз. При

этом п- = с" = 2(1 -М2).

Рассмотрен также ряд модификаций всех схем, полученных на первом этапе преобразований, выведены рабочие формулы для расчета элементов предложенных схем ПФ, а также оценочные формулы условий реализуемости с учетом необходимого диапазона номиналов элементов фильтра.

Полученные результаты проверены методом компьютерного моделирования с учетом величин добротностей катушек индуктивности. Проведена экспериментальная проверка лабораторных макетов и опытных образцов, которые подтвердили правильность предложенных решений.

Одна из таких схем, представленная на рисунке 4а, может использоваться для реализации фильтров с у = 2% и малыми потерями (3-4 дБ), АЧХ данного фильтра приведена на рисунке 46.

В главе 3 рассматривается метод построения 1111Ф на основе разработанных рекомендаций, позволяющий изменять частоту перестройки в более широких пределах без применения дополнительных согласующих цепей на входе и выходе фильтра. В этом случае входное сопротивление ППФ не зависит от 2С при смене /0.

Когда требуется уменьшить влияние близкого по частоте передатчика, частота отстройки которого составляет 10 - 15 %, необходимо обеспечить затухание при этих отстройках. Для данного случая получена оценочная формула для определения порядка проектируемого ППФ, удовлетворяющая этому требованию:

2Р'-Р'г-г-2 2ру

где К - коэффициент прямоугольное™ АЧХ ППФ по заданному уровню подавления помехи;

р - величина отстройки помехи от рабочей полосы пропускания ППФ, выраженная в процентах;

у - относительная ширина полосы пропускания ППФ. На основе полученных в главе 2 схем, были выбраны схемы, содержащие минимально возможное число конденсаторов (или катушек индуктивности), при этом в схему при этом вводятся соответственно либо дискретный

конденсатор переменной емкости (ДКПЕ), либо перестраиваемая индуктивность.

В частности схемы на рисунке 26,в включенные каскадно при введении в их состав ДКПЕ реализуют ППФ второго класса по затуханию с полюсами затухания на конечных частотах.

Для реализации квазиполиномиальной характеристики ППФ второго класса по затуханию предложена схема, приведенная на рис.5

Эта схема содержит четыре индуктивных элемента. Конденсаторы, входящие в ее состав, сгруппированы в виде П-образного звена, которое при использовании преобразования "треугольник - звезда" можно преобразовать в Т-образное, получив более удобные величины емкостей, и выполнить ДКПЕ в виде набора Т-образных секций, каждая из которых будет содержать два электронных ключа. Пара индуктивностей 11 и Ь2 позволяет использовать преобразование Нортона и при необходимости трансформировать величины емкостей ДКПЕ до приемлемого уровня. Коэффициент перекрытия по диапазону перестройки теоретически может быть равен 15 - 20, если при этом не учитывать добротности конденсаторов. Очевидно, что добротность конденсатора с подключением последовательно к нему электронного ключа уменьшается, что приводит к ухудшению АЧХ ПФ на нижней частоте перестройки. Влияние паразитных емкостей электронных ключей в открытом состоянии ухудшают АЧХ ППФ на верхнем участке диапазона перестройки. В результате этих ограничений данная схема может на практике обеспечить

Рисунок 5

коэффициент перекрытия 3-4. Диапазон перестройки может быть расширен до 5 путем увеличения числа разрядов ДКПЕ.

Компьютерное моделирование и экспериментальная проверка опытных образцов подтвердила достоверность теоретических результатов. В работе приведена методика расчета ДКПЕ этого типа и представлен алгоритм перестройки ДКПЕ. Можно отметить, что такое построение ППФ целесообразно проводить при использовании в качестве элементов коммутации электронных реле.

При необходимости применения в качестве ключей рт-диодов более практичной является схема, приведенная на рис. 6.

--ЛПГ^^—-^"¡ЛГ4—

¿г ___С _ С

II I

Рисунок 6.

Данная схема реализует квазиполиномиальную АЧХ ПФ второго класса по затуханию, элементы которого рассчитываются по формулам:

¿, "Г , с =

Здесь 2т - характеристическое сопротивление фильтра на средней частоте а>0 = ^а^ .

При введении вместо емкостей С соответствующих ДКПЕ и идеальных трансформаторов между Ь2 и С получаем удобную для реализации схему ППФ

с приведенными для заданного диапазона частот номиналами заземленных ДКПЕ. Схема данного ППФ технологична в том смысле, что не содержит трансформаторов и ДКПЕ имеют точку соединения с общей шиной, что упрощает введение в состав фильтра рт - диодов. Кроме того, как показывают результаты моделирования, только катушки индуктивности Ь2 требуют обеспечения их высокой добротности.

Кроме того были рассмотрены вопросы создания ППФ, в которых элементами перестройки являются индуктивности. Такой фильтр реализован на основе схем, рассмотренных в главе 2 и приведенных на рис. 16,в.

При этом в качестве перестраиваемой индуктивности использован конвертор обобщенных сопротивлений, выполненный на двух операционных усилителях (рис. 7).

индуктивным, с модулем пропорциональным в качестве которого может быть использован электронный потенциометр.

На рис. 8 показана схема однозвенного ППФ с применением указанного конвертора и обозначенного как ОКЬ.

Рисунок 7.

^ 2 ^

Входное сопротивление такого конвертора IV - ' 3

2224

является

ЛС=С2-С3 ЛС

X

т

окь

т

Рисунок 8.

Здесь использована схема и формулы для расчета элементов, приведенные на рис. 1а и 1в.

Так как при использовании конверторов обобщенного сопротивления можно реализовать индуктивности с добротностями, сопоставимыми с добротностью конденсаторов, то оказывается возможным существенно уменьшить вносимое затухание узкополосных ППФ.

При моделировании, а также при экспериментальной проверке были реализованы относительные полосы пропускания 2 - 3 %, при вносимом затухании 2-3 дБ. Кроме того в этом варианте упрощается выполнение устройства управления.

Схема ПФ, рассмотренная в главе 2 и приведенная на рис.2 б, может быть использована в качестве прототипа ППФ, в котором емкости заменяются либо, конверторами с варьируемыми при перестройке нагрузками и имитирующими емкостное входное сопротивление, либо варикапами.

В первом случае, возможно, реализовать более простое устройство управления, во втором - уменьшить энергопотребление, что очень важно для корреспондентской аппаратуры связи.

При использовании варикапов существенным моментом является приведение их номиналов к определенному значению. Часто величины емкостей, получаемые при расчет исходной схемы, требуется уменьшить. В этом случае могут быть использованы разработанные схемы, приведенные на

рис. 16 и 1 в, и их модификации, обеспечивающие возможность трансформации емкостей до необходимых номиналов. Поскольку схемы рис. 16 и рис. 1в имеют одинаковое характеристическое сопротивление, возможно их каскадное включение. Один из вариантов реализации двухзвенного ПФ второго класса по затуханию с полюсами затухания на конечных частотах представлен на рис.9

В четвертой главе проведен анализ известных и оригинальных схем позволяющий реализовывать ЬС фильтры в виде интегральных структур. Рассмотрены вопросы проектирования элементной базы таких фильтров, условия их применимости.

На основе численных методов проведено исследование диапазона рабочих частот, относительных полос пропускания известных и оригинальных схем ЬС фильтров в интегральном исполнении.

Результаты этого исследования позволили в зависимости от требований предъявляемых к фильтру оценить возможность использования той или иной схемы.

т

Рисунок 9.

Frequency (MHz)

а

б

Рисунок 10.

Рисунок 11 .

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в рамках диссертационной работы.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

2000 3000

Ргедиепсу (МНг)

В изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Тюменцев А.И. Полосовой СВЧ фильтр на основе ЬТСС технологии [текст] / А.И.Тюменцев, А.В.Шорохова // Успехи современной радиоэлектроники. - М.: Радиотехника, 2010, Вып. 12. - С. 62 - 66.

2. Тюменцев А.И. Анализ современных технология реализации СВЧ-устройств [текст] / А.И.Тюменцев, В.А.Аржанов // Омский научный вестник.-2011,- Вып. 1 (97). - С. 209-211.

3. Тюменцев А.И. Анализ дифференциальной системы, используемой при параллельной работе фильтров / А.И.Тюменцев, А.Н.Яковлев, И.М. Ясинский Ч Успехи современной радиоэлектроники. -М.: Радиотехника, 2011, Вып. 7. - С. 38-41.

4. Тюменцев А.И. Полосовой ЬС фильтр с компенсацией входных реактивных проводимостей [текст] / А.И.Тюменцев, А.Н.Яковлев, И.М. Ясинский // Успехи современной радиоэлектроники. -М.: Радиотехника, 2011, Вып. 11.-С. 61 -66.

5. Тюменцев А.И. Высокоизбирательный полосовой ¿С-фильтр [текст] / А.И.Тюменцев, А.Н.Яковлев, И.М. Ясинский, В.А.Аржанов // Омский научный вестник.-2012.- Вып. 2 (110). - С. 313 - 317.

6. Тюменцев А.И. Элементарные неуравновешенные звенья полосовых фильтров, эквивалентные симметричным мостовым [текст] / А.И.Тюменцев, А.Н.Яковлев, И.М. Ясинский // Успехи современной радиоэлектроники. -М.: Радиотехника, 2012,Вып. 11.-С. 71-77.

7. Хроленко Т. С. Реализация ЬС-фильтров в структуре многослойных печатных плат [текст] / Т.С. Хроленко, А.И. Тюменцев, А.Н. Яковлев, В.П. Кисмерешкин // Омский научный вестник.-2013.- Вып. 1. (117) — С. 248 - 253.

Другие статьи и материалы конференций:

8. Тюменцев А.И. Моделирование СВЧ фильтров на основе ЬТСС технологии [текст] / А.И.Тюменцев, А.Н.Лепетаев // Наука, образование, бизнес. Материалы регион, науч.-практ. конф. ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов пром. и связи, посвящ. Дню радио. -Омск: Изд-во КАН, 2010. - С. 229 - 231.

9. Тюменцев А.И. Полосовой СВЧ фильтр на основе ЬТСС технологии [текст] / А.И.Тюменцев, А.В.Шорохова // Техника радиосвязи. Труды ФГУП «Омский НИИ приборостроения». - М.: Радиотехника, 2010. С. 62 - 66.

10. Тюменцев А.И. Реализация полосовых ЬС фильтров на многослойных керамических структурах [текст] / А.И.Тюменцев, А.Н.Яковлев // Обмен опытом в области создания сверхширокополосных РЭС (СВЧ-2010).

Материалы III общероссийской научно-технической конференции. - Омск -2010. С. 179-180.

11. Тюменцев А.И. Средства моделирования многослойных СВЧ устройств [текст] // Приборостроение и информационные технологии. Материалы III студенческой научно-практической конференции. — Омск 2010. — С. 39-41

12. Тюменцев А.И. Электрические фильтры для современной радиоэлектронной аппаратуры [текст] / А.И.Тюменцев, А.Н.Яковлев, И.М. Ясинский // Материалы Международной научно-технической конференции «Радиотехника, электроника и связь» РЭиС -2011. Омск. Радиотехника, 2011. -С. 55-56

13. Тюменцев А.И. Современные частотные фильтры [текст] / А.И.Тюменцев, И.М. Ясинский, А.Н.Яковлев // Современная электроника. №8. - М.: СТА-ПРЕСС, 2011. - С. 26 - 27.

14. Тюменцев А.И. Исследование добротности печатных катушек индуктивности [текст] / Т.С.Дьяченко, А.И.Тюменцев // Сборник трудов всероссийской конференции «Микроэлектроника СВЧ». Том 2. СПб. - 2012. С. 234-238.

15. Тюменцев А.И. Исследование параметров катушек индуктивности, выполненных по ЬТСС технологии [текст] / Д.А.Борейко, Т.С.Дьяченко, А.И.Тюменцев // Техника радиосвязи. Выпуск 17. «Омский НИИ приборостроения». — Омск. - 2012. С. 73 — 83.

16. Тюменцев А.И. Оптимизация топологии толстопленочного фильтра СВЧ для улучшения характеристики в полосе задерживания [текст] / Т.С.Дьяченко, А.И.Тюменцев II Материалы IV общероссийской научно-технической конференции «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем (СВЧ 2012)». Омск, 2012. С. 65 - 67.

17. Тюменцев А.И. Фильтры нижних частот, выполненные в объеме комбинированной печатной платы [текст] / Т.С.Хроленко, А.И.Тюменцев // Техника радиосвязи. Выпуск 18. «Омский НИИ приборостроения». — Омск. -2012. С. 73-78.

18. Тюменцев А.И. Перестраиваемые полосовые фильтры [текст] // Материалы VIII международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин». Книга III. 0мск.-2012. С. 296 — 299.

19. Тюменцев А.И., Хроленко Т.С. Улучшение избирательности интегрального СВЧ фильтра [Электронный ресурс]: [Сборник трудов Всероссийской конференции «Микроэлектроника СВЧ»]. — Электрон, дан. и прогр. - СПб.: СПбГЭТУ, 2013. - 1 электрон, опт. диск (CD).

20. Патент № 2460207 РФ МПК: Н03Н1/00, Н01Р1/203. Полосовой сверхвысокочастотный фильтр./ Я.М.Перцель, А.И.Тюменцев, И.М.Ясинский, А.Н.Яковлев - Опубл. 27.05.2012., Бюл. №25.

21. Патент № 2466494 РФ МПК: НОЗН 7/01. Узкополосный перестраиваемый LC — фильтр./ И.М.Ясинский, А.Н.Яковлев, А.И.Тюменцев, Л.В.Насонова-Опубл. 2013., Бюл. №25.

22. Патент № 2493653 РФ МПК: Н04В 1/18, НОЗН 7/00. Многоканальный частотно-разделительный селектор./ И.М.Ясинский, А.Н.Яковлев, А.И.Тюменцев, Л.В.Насонова —Опубл. 2013., Бюл. №26.

23. Патент № 2495523 РФ МПК: НОЗН 9/00, НОЗН 7/12 Перестраиваемый режекторный LC — фильтр./ А.И.Тюменцев. — Опубл. 2013., Бюл. №28.

24. Патент № 2496226 РФ МПК: НОЗН 9/00, НОЗН 7/12. Многодиапазонный полосовой перестраиваемый LC-фильтр./ И.М.Ясинский, А.Н.Яковлев, А.И.Тюменцев, Л.В.Насонова-Опубл. 2013., Бюл. №29

25. Патент № 133667 РФ, МПК: НОЗН 7/00. Интегральный фильтр. /Хроленко Т.С., Тюменцев А.И., Борейко Д.А. - Опубл. 2013., Бюл. №29.

26. Заявка на полезную модель №2013123207 РФ: Н03Н 9/00. Интегральный фильтр [текст] / Т.С. Хроленко, А.И. Тюменцев, Д.А. Борейко -Положительное решение от 24.09.13.

27. Заявка на полезную модель №2013135347 РФ: Н03Н 11/12. Интегральный фильтр [текст] / Т.С. Хроленко, А.И. Тюменцев, Д.А. Борейко -Положительное решение от 24.09.13.

Подписано в печать 08.11.2013. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 625

Отпечатано в «Полиграфическом центре КАН» тел. (3812) 24-70-79, 8-904-585-98-84.

E-mail: pc_kan@mail.ru 644050, г. Омск, ул. Красный Путь, 30 Лицензия ПЛД № 58-47 от 21.04.97

Омский государственный технический университет

На правах рукописи

04201454260

Тюменцев Александр Иванович

УЛУЧШЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛОСОВЫХ ЬС-ФИЛЬТРОВ ПУТЕМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОСТОВЫХ ЗВЕНЬЕВ В НЕУРАВНОВЕШАННЫЕ

ЛЕСТНИЧНЫЕ

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор В.А.Аржанов

Омск - 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

ГЛАВА 1 МЕТОДЫ СИНТЕЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ.....................10

1.1 Синтез фильтров по характеристическим параметрам................................10

1.2 Синтез фильтров по рабочим параметрам....................................................18

1.3 Методы проектирования, применяемые в современной инженерной практике..................................................................................................................24

1.4 Выводы..............................................................................................................27

ГЛАВА 2 ВОЗМОЖНЫЕ РЕАЛИЗАЦИИ ПОЛОСОВЫХ ЬС СТРУКТУР......29

2.1 Элементарные неуравновешенные звенья полосовых фильтров, эквивалентные симметричным мостовым..........................................................30

2.2 Перекрытые Т-образно-мостовые схемы полосовых фильтров.................43

2.2.1 Т-образная схема, эквивалентная мостовой схеме, приведенной в табл. 2.1................................................................................................................44

2.2.2 Т-образно-мостовая схема, эквивалентная мостовой, приведенной в табл. 2.4................................................................................................................45

2.3 Полосовой Т-образно-мостовой фильтр второго класса по затуханию.....47

2.4 Т-образная-мостовая схема полосового фильтра, содержащая параллельный контур на входе.............................................................................58

2.5 Узкополосные ЬС-фильтры лестничной структуры....................................71

2.6 Выводы..............................................................................................................77

ГЛАВА 3 ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ ФИЛЬТРЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ.......................................................................78

3.1 Основные требования......................................................................................78

3.2 Определение класса НПФ по характеристическому сопротивлению и затуханию...............................................................................................................79

3.3 Схемы ППФ, не имеющие полюсов затухания на конечных частотах......82

3.4 Схемы полосовых ЬС-фильтров с полюсами затухания на конечных частотах...................................................................................................................96

3.5 Расчет дискретного конденсатора переменной емкости.............................99

3.6 Алгоритм настройки и работы устройства управления............................104

3.7 Полосовые перестраиваемые фильтры на основе обобщенных конверторов сопротивления...............................................................................106

3.8 Полосовые перестраиваемые фильтры с применением варикапов..........110

3.9 Выводы............................................................................................................118

ГЛАВА 4 ИНТЕГРАЛЬНЫЕ LC-ФИЛЬТРЫ.......................................................120

4.1 Элементы интегральных LC-фильтров.......................................................121

4.2 Анализ схем интегральных фильтров..........................................................123

4.3 Схемы интегральных LC-фильтров.............................................................126

4.3.1 Полиномиальные интегральные LC-фильтры......................................126

4.3.2 Интегральные LC-фильтры с полюсами на конечных частотах........132

4.4 Исследование диапазонов рабочих частот и реализуемых относительных полос пропускания...............................................................................................134

4.4.1 Полиномиальные схемы интегральных фильтров...............................135

4.4.2 Схемы с полюсами затухания на конечных частотах.........................139

4.5 Выводы............................................................................................................150

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................:.............151

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................................................163

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В современной аппаратуре радиосвязи электрические фильтры играют важную роль, определяя в значительной степени ее параметры: помехозащищенность, избирательность, быстродействие, устойчивость связи при жестких условиях эксплуатации, вес, габариты, динамический диапазон и т.д. В такой аппаратуре радиосвязи используют различные типы фильтров: LC-фильтры, пьезоэлектрические, ПАВ-фильтры, электромеханические, ARC и др. которые используются в качестве входных цепей, преселекторов, перестраиваемых цепей частотного разделения, фильтров ПЧ и т.п. [14, 26, 43, 55, 58, 61]. Из них LC-фильтры находят наиболее широкое применение, так как позволяют работать в широком диапазоне частот (от нескольких кГц до единиц ГГц) и реализовать полосы пропускания от 3 до 100 %, а также позволяют работать с достаточно большими уровнями сигнала. Потребности в производстве современных LC-фильтров возрастают как в России, так и за рубежом. Современные средства связи требуют от разработчиков элементной базы реализовывать все более жесткие требования по всей совокупности их электрических и эксплуатационных параметров.

Несмотря, на то, что теоретические вопросы синтеза LC-фильтров достаточно полно рассмотрены в работах отечественных и зарубежных ученых [1, 4, 6, 9, 10, 24, 28, 39] однако, ряд вопросов до сих пор остается не исследованным.

К числу таких вопрос относится поиск новых схемных решений, вывод решений для них, проектирование перестраиваемых фильтров с максимально возможным коэффициентом перестройки, исследование возможности создания интегральных фильтров.

Все эти решения позволяют определить различные схемы, из которых в каждом конкретном случае выбирается наиболее приемлемый (по совокупности предъявляемых к фильтру требований) вариант исполнения.

В данной работе предлагается синтез полосовых фильтров лестничной структуры на основе преобразования исходных элементарных звеньев полосовых фильтров-прототипов симметричного мостового типа в неуравновешенную структуру и тем самым расширить варианты реализации полосовых фильтров лестничного типа.

Наряду с улучшением электрических параметров радиоэлектронной аппаратуры одной из тенденций ее развития является миниатюризация. В связи с тем, что устройства частотной селекции в значительной мере определяют массогабаритные характеристики радиоаппаратуры, то одним из перспективных путей решения этого вопроса является применение интегральных фильтров. Однако как в отечественной, так и в зарубежной литературе этой проблеме уделено недостаточно внимания.

В связи с этим решение упомянутых вопросов представляются актуальным.

Цели и задачи работы. Целью диссертационной работы является исследование вопросов реализации ЬС-фильтров с высокими параметрами с применением методов компьютерного моделирования и выбора решений, наиболее приемлемых в инженерной практике, а также проработка ряда схемных решений и методов инженерного расчета, позволяющих наиболее полно удовлетворить исходные требования по их совокупности.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проведен синтез полосовых фильтров лестничной структуры на основе преобразования исходных элементарных звеньев полосовых фильтров-прототипов симметричного мостового типа в неуравновешенную структуру.

2. Получены расчетные соотношения для предложенных оригинальных

схем.

3. Разработаны оригинальные схемы ППФ, содержащие минимальное число элементов перестройки, выведены расчетные соотношения для элементов схемы и определена связь между коэффициентом прямоугольности (Кпр) и

относительной шириной полосы пропускания (у).

4. Предложена методика выбора исходных схем ППФ, основанная на анализе входных сопротивлений симметричных структур позволяющая получить максимально-возможный коэффициент перекрытия по частоте перестройки.

5. Проведена дифференциальная оценка влияния добротности элементов схемы на вносимое затухание всей цепи.

6. Исследованы возможности создания интегральных фильтров, выполненных в виде трехмерных структур, выполнен анализ полученных схемных решений, позволяющих реализацию заданных требований, предложены оригинальные конструкции и определены диапазоны их рабочих частот.

Основные методы исследования:

1. Теоретические: методы теории электрических цепей, численные методы моделирования.

2. Экспериментальные: измерение зависимости параметров матрицы рассеяния от частоты.

Научная новизна работы:

1. Дополнена теория расчета LC-фильтров, в части их преобразования и расчета ППФ.

2. Предложены оригинальные варианты схем полосовых фильтров лестничной структуры на основе преобразования исходных элементарных звеньев полосовых фильтров-прототипов симметричного мостового типа в неуравновешенную структуру.

3. Разработаны методы расчета ППФ с полюсами затухания на конечных частотах и большим коэффициентом перекрытия по сравнению с известными,

установлена зависимость между коэффициентом прямоугольности (Кпр) и

относительной шириной полосы пропускания (у).

4. Проведено исследование схемотехнических и конструкторских решений интегральных фильтров, определены условия их реализуемости в зависимости от предъявляемых требований. Предложен ряд оригинальных конструкций.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Выведены расчетные соотношения, позволяющие определить значения элементов предложенных оригинальных схем полосовых фильтров лестничной структуры.

2. Предложен ряд оригинальных схем полосовых перестраиваемых фильтров с максимально-возможным коэффициентом перекрытия по частоте.

3. Разработаны методики расчета 1111Ф позволяющие реализовать ПФ с полюсами затухания на конечных частотах и обладающие на 30 - 50 % большим коэффициентом перекрытия. Разработан алгоритм перестройки ДКПЕ.

4. Произведен анализ и предложены конструкции интегральных фильтров, позволяющие изготавливать миниатюрные частотно избирательные устройства. Определены условия их физической реализуемости в зависимости от заданных требований.

Положения, выносимые на защиту:

1. Полосовые фильтры лестничной структуры на основе преобразования исходных элементарных звеньев полосовых фильтров-прототипов симметричного мостового типа в неуравновешенную структуру.

2. Новые схемные решения ППФ, с минимальным числом элементов перестройки.

3. Результаты исследования диапазона частот и реализуемых полос пропускания интегральных фильтров, выполненных в виде многослойных структур.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе рассматриваются общие методы синтеза фильтров, решение аппроксимационных задач и вопросов схемной реализации, которые в дальнейшем используются при синтезе ряда конкретных типов фильтров.

Во второй главе проведен синтез полосовых фильтров лестничной структуры на основе преобразования исходных элементарных звеньев полосовых фильтров-прототипов симметричного мостового типа в неуравновешенную структуру и тем самым позволяющий расширить варианты реализации полосовых фильтров лестничного типа.

Выведены расчетные соотношения позволяющие определить значения элементов предложенных схем. Показаны возможности дальнейших трансформаций предложенных схемных решений, для реализации узкополосных фильтров с малыми вносимыми потерями.

В третье главе предложена методика выбора исходных схем ППФ, основанная на анализе входных сопротивлений симметричных структур позволяющая получить максимально-возможный коэффициент перекрытия по частоте перестройки. Установлена зависимость, связывающая Кпр и

относительную ширину полосы пропускания (у). Рассмотрены возможные способы построения полосовых перестраиваемых фильтров. Предложены варианты схемных решений и методик расчета ППФ, в том числе с применением ДКПЕ, конверторных реализаций и варикапов. Для предложенных схем выведены рабочие формулы для расчета их элементов.

В четвертой главе проведено исследование схемотехнических и конструкторских решений интегральных фильтров, определены условия их

реализуемости в зависимости от предъявляемых требований. Предложен ряд оригинальных конструкций.

ГЛАВА 1 МЕТОДЫ СИНТЕЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ

Методы синтеза электрических фильтров, применяемых в настоящее время, базируются на двух основных методах: синтез фильтров по характеристическим параметрам и синтез фильтров по рабочим параметрам, позволяющих решать достаточно широкий круг задач проектирования фильтров с заданными частотными характеристиками [2, 3, 9, 10, 13, 16, 21, 30, 32, 33, 41, 44, 60, 62, 75, 78, 80 - 82, 86 - 88, 92]. Эти методы используют достижения наилучшего, равномерного приближения функций, что дает возможность получить при реализации минимальное число элементов. При этом полученные решения могут быть оптимизированы при использовании методов компьютерного моделирования, когда оказывается возможным дифференцированно учитывать влияние потерь в элементах схемы. Используя изначально полученные решения и ряд эквивалентных преобразований, можно получить наиболее удобные для реализации модификации этих схем. Модифицированные схемы могут содержать большее число элементов по сравнению с исходными, но при этом будут наиболее приемлемыми при практическом использовании.

В настоящей главе кратко излагаются наиболее важные этапы синтеза фильтров. Приводимые результаты используются в дальнейшем при выборе схемных решений и разработке методик проектирования избирательных устройств.

1.1 Синтез фильтров по характеристическим параметрам

При синтезе фильтров по характеристическим параметрам основным отличительным моментом является то, что цепь, состоящая из нескольких каскадно-включенных реактивных четырехполюсников, каждый из которых имеет характеристическую постоянную передачи gci, будет иметь

характеристическую постоянную gc, равную сумме gc¡ четырехполюсников, входящих в состав этой цепи [3, 10, 33, 92]. Это условие выполняется, когда характеристические сопротивления четырехполюсников 2С1, входящих в состав этой цепи, одинаковы. Характеристическая постоянная передачи %с~ас + ]ЬС, где ас - характеристическое затухание, Ьс - характеристическая фаза. В полосе пропускания характеристические затухания отдельных четырехполюсников и всей цепи в целом равны нулю, в полосе задерживания они суммируются.

В пределах заданной полосы пропускания рабочее затухание не должно превышать величину А а, в полосе задерживание рабочее затухание должно быть больше величины а0.

Граничная частота полосы пропускания по уровню А а чаще всего обозначают как /с (для ФНЧ), граничную частоту характеристической полосы пропускания обозначают Частота /к обозначает частоту, выше которой ас > ас0 (здесь ас0 - гарантированное характеристическое затухание). Кроме того, далее будем использовать такие принятые в теории фильтров понятия, как

Л— Л

коэффициент использования полосы пропускания Л и коэффициент

/ /с

использования полосы задерживания к — — .

$к

Поскольку результатом проектирования фильтрующих цепей является удовлетворение требованиям к рабочим параметрам, то необходимо получить связь рабочих параметров с характеристическими. Такие соотношения были получены и используются для построения методов расчета [9, 10, 33, 44, 92].

Так для рабочего затухания симметричного фильтра в характеристической полосе пропускания

1, а = — 1п 2

1 + -

Д

Я

г.

Л2

БШ2 Ь„

С /

(1.1)

Так как бш2 Ьс< 1, то справедливо неравенство:

а < 1п

1

—<+-

(1.2)

Здесь/? - сопротивление нагрузки.

Для рабочего затухания в полосе задерживания используется неравенство:

а>аг — 0,7 неп

(1.3)

Для оценки отклонения рабочей фазы от характеристической в полосе пропускания А <р можно пользоваться известными соотношениями [61:

м=

г *

+ -

я

2 с — агМд

V / V

+

*

— + —

(1.4)

Соотношения (1.1 - 1.3) определяют методику решения аппроксимационной задачи, заключающуюся в выборе характеристического сопротивления 2С, определении частоты среза , класса фильтра по затуханию и частот бесконечного затухания .

Из выражения (1.2) следует, что уменьшение величины а в полосе

пропускания требует, чтобы максимальная величина

была

минимально возможной. В работе [6] показано, что это условие эквивалентно

условию минимального отклонения отношения — от единицы.

й

Характеристическое сопротивление ФНЧ первого класса, имеющего нулевое значение на частоте /с, определяется следующим образом:

(1.5)

О)

где О. = — - нормированная текущая частота, 2т - сопротивление ФНЧ на

нулевой частоте, называемое номинальным.

Требование приближения отношения —^ к единице приводит к тому, что

^т

номинальное сопротивление фильтра должно соответствовать условию:

2

я Мй^

(1.6)

Здесь % - коэффициент использования полосы пропускания Если это условие выполняется, тогда

Аа = 1п — 2

1 . +

1-х2

(1.7)

Коэффициент использования К определяется в в�