научная статья по теме ЧАСТОТНО-СЕЛЕКТИВНЫЕ СВОЙСТВА МНОГОЗВЕННЫХ ФИЛЬТРОВ НА РЕГУЛЯРНЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ РЕЗОНАТОРАХ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ЧАСТОТНО-СЕЛЕКТИВНЫЕ СВОЙСТВА МНОГОЗВЕННЫХ ФИЛЬТРОВ НА РЕГУЛЯРНЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ РЕЗОНАТОРАХ»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 11, с. 1315-1324

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

УДК 621.372

ЧАСТОТНО-СЕЛЕКТИВНЫЕ СВОЙСТВА МНОГОЗВЕННЫХ ФИЛЬТРОВ НА РЕГУЛЯРНЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ РЕЗОНАТОРАХ

© 2004 г. Б. А. Беляев, А. А. Лексиков, В. В. Тшрнев

Поступила в редакцию 01.09.2003 г.

Исследованы селективные свойства лестничных микрополосковых фильтров, имеющих от двух до шести регулярных полуволновых резонаторов. Установлено, что из всех конструктивных параметров фильтров наиболее сильное влияние на крутизну склонов амплитудно-частотной характеристики оказывает длина области связи полосковых проводников, с уменьшением которой крутизна низкочастотного склона растет, а высокочастотного падает. В квазистатическом приближении определены длины областей связи резонаторов, обеспечивающие симметричную форму амплитудно-частотной характеристики относительно центра полосы пропускания, а также характеристики с максимально крутым высокочастотным или низкочастотным склоном.

ВВЕДЕНИЕ

Частотно-селективные устройства, в частности фильтры, относятся к важнейшим элементам систем связи, радиолокации, радионавигации. Они также широко применяются в различной измерительной и специальной радиоаппаратуре. Качество любого фильтра, как известно, определяется в первую очередь его избирательностью, которую обычно оценивают коэффициентом прямоугольности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) [1]

О - Д/з„/Д/з,

(1)

К, -

Д / з/2

Д/, - Д/з/2

> Кн -

Д / з/2

Д/к - Д/з/2'

(2)

эффициентов крутизны склонов АЧХ можно получить из формул (1) и (2)

О = 1 Кг + Кн +1

2 КгКь

(3)

где Д/3 и Д/30 - ширина полосы пропускания фильтра, измеренная соответственно по уровню -3 и -30 дБ от уровня минимальных потерь. Однако, принимая во внимание тот факт, что большинство конструкций фильтров имеют асимметричную форму амплитудно-частотной характеристики относительно оси, проведенной через центр полосы пропускания, для количественной оценки и сравнения их селективных свойств удобнее пользоваться коэффициентами крутизны низкочастотного К, и высокочастотного Кн склонов АЧХ [2]

Здесь также Д/3 - ширина полосы пропускания фильтра по уровню -3 дБ, а Д/, = / -/ и Д/ = / -- /0 - ширины полос частот, измеренные от центра полосы пропускания /0 до соответственно низкочастотного /г и высокочастотного /н склонов АЧХ на уровне -30 дБ от уровня минимальных потерь. Очевидно, равенство коэффициентов крутизны Кг и Кн свидетельствует о симметричной форме амплитудно-частотной характеристики. Связь коэффициента прямоугольности и ко-

Следует отметить, что в случае, когда ширина полосы пропускания фильтра Д/30 в два раза превышает Д/3 (О = 2), а форма АЧХ симметричная, коэффициенты К, = Кн = 1. С увеличением крутизны склонов О —► 1, а К, и Кн неограниченно растут, поэтому они более "чувствительны" к изменению селективных свойств фильтров с высокой прямоугольностью АЧХ.

В настоящее время широкое распространение в радиоаппаратуре получили микрополосковые устройства благодаря некоторым своим достоинствам. В частности, эти устройства технологичны в производстве, отличаются миниатюрностью, простотой и удобством в настройке. К их достоинствам следует также отнести и хорошее совпадение с экспериментом скоростного численного анализа микрополосковых структур, проводимого в квазистатическом приближении, что позволяет создавать эффективные системы автоматизированного проектирования различных СВЧ-уст-ройств [3, 4], включая полосно-пропускающие фильтры [5]. Существующие конструкции микрополосковых фильтров (МПФ) перекрывают огромный диапазон частот - от десятков мегагерц до десятков гигагерц, при этом сравнительно просто реализуются устройства с относительной шириной полосы пропускания в пределах ~1.. .100%.

Важно отметить, что асимметрия формы амплитудно-частотной характеристики, присущая многим конструкциям МПФ, нередко приводит к тому, что выполнение заданной крутизны того или иного склона АЧХ сопровождается избыточ-

1Э15

3*

А!

Рис. 1. Лестничная конструкция микрополоскового фильтра.

ной крутизной противоположного склона. Собственная же добротность микрополосковых резонаторов, из которых конструируются фильтры, сравнительно невелика, поэтому наращивание числа звеньев в МПФ с целью повышения их селективности, как известно, приводит к недопустимому росту прямых потерь в полосе пропускания. Однако положительным моментом в микрополосковых фильтрах является тот факт, что крутизна склонов их АЧХ сильно зависит от многих конструктивных параметров [6-8]. Это обусловлено значительным влиянием данных конструктивных параметров на частотные зависимости коэффициентов индуктивной, емкостной и полной связи резонаторов [9, 10]. Знание закономерностей поведения формы АЧХ от параметров той или иной конкретной конструкции дает возможность создавать фильтры на минимальном числе звеньев, обладающие заданной асимметрией крутизны склонов АЧХ и необходимым затуханием в полосах заграждения. Другими словами, исследование селективных свойств от конструктивных параметров многозвенного фильтра, чему и посвящена настоящая работа, - важная задача, решение которой позволит получить исчерпывающую информацию о селективных возможностях выбранной конструкции.

1. МОДЕЛЬ И МЕТОД РАСЧЕТА

Рассмотрим широко распространенную в технике СВЧ конструкцию микрополоскового фильтра на связанных регулярных полуволновых резонаторах (рис. 1), содержащую от двух до шести звеньев. Центры полосковых проводников длиной 1Г имеют лестничное смещение относительно друг друга либо вправо (положительное направление), либо влево (отрицательное направление) на величину ±1а. При этом входная и выходная линии передачи с волновым сопротивлением 50 Ом подключены кондуктивно к проводникам наруж-

ных резонаторов на расстоянии 1С от их концов либо по малой, либо по большой "диагонали" рассматриваемой конструкции. Ширина проводников всех внутренних резонаторов одинакова и равна wвн, а ширина внешних проводников - ^внеш.

Селективные свойства МПФ исследовались с помощью экспертной системы "ИЬТЕХ" [5], предназначенной для автоматизированного проектирования полосно-пропускающих микрополосковых фильтров. В ней анализ микрополосковых структур проводится в квазистатическом приближении, при этом суммарные потери электромагнитной мощности учитываются введением собственной добротности микрополосковых резонаторов Q0, взятой из эксперимента. Система "ИЬТЕХ" осуществляет параметрический синтез микрополосковых фильтров методом оптимальной коррекции по заданной полосе пропускания и заданному уровню максимальных отражений СВЧ-мощности в полосе пропускания [11]. В этом методе для каждой конструкции фильтра, состоящей из N резонаторов, предварительно определяют N + 1 подстроечных параметров, от которых наиболее сильно зависит амплитудно-частотная характеристика в полосе пропускания устройства, и которые подбираются затем в процессе оптимизации.

Для двухзвенной конструкции рассматриваемого фильтра, подстроечными параметрами являются, например, длина полосковых проводников 1Г, от которой в основном зависит центральная частота полосы пропускания; величина зазора ^ между проводниками резонаторов, которая наиболее сильно влияет на ширину полосы пропускания и, наконец, положение точек кондуктивного подключения внешних линий к резонаторам 1С, которые определяют уровень отражений в полосе пропускания. Все остальные параметры конструкции будем называть основными, и они фиксированы в процессе оптимизации. К ним относятся: ширина проводников wвн и wвнеш; диэлектрическая проницаемость подложки е; ее толщина На, а при наличии экранирующей крышки еще и ее высота над подложкой На.

Для шестирезонаторного фильтра подстроечными параметрами, кроме трех перечисленных выше, являются еще зазоры между внутренними парами резонаторов 52 и 53 (см. рис. 1), которыми балансируются связи звеньев друг с другом, а также поправки к длинам проводников внутренних резонаторов 51 и 52, с помощью которых подгоняются резонансные частоты внутренних звеньев. Эти поправки могут быть как положительными, так и отрицательными.

Для определенности, поведение крутизны склонов АЧХ исследуемых фильтров от их основных конструктивных параметров изучалось при фиксированной центральной частоте полосы

с

пропускания /0 = 1 ГГц и фиксированном уровне максимумов обратных потерь в полосе пропускания Ьг = -14 дБ. Относительная ширина полосы пропускания МПФ варьировалась в пределах Д/з//о = 5.50%. Оптимизация подстроечных конструктивных параметров при автоматической настройке фильтров в системе "ИЬТЕХ" считается завершенной, если одновременно выполняются три условия. Во-первых, отклонение уровней всех максимумов обратных потерь в полосе пропускания не превышает ±0.2 дБ от -14 дБ, во-вторых, ширина полосы пропускания отличается от заданной не более чем на ±1% и, в-третьих, центральная частота полосы пропускания отклоняется от заданной не более чем на ±0.1% от требуемой ширины полосы пропускания. Благодаря последнему условию точность установки центральной частоты повышается при уменьшении ширины полосы пропускания.

2. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Ширина полосы пропускания фильтра, как известно, определяется коэффициентом взаимодействия его резонаторов к, который в случае микрополосковых устройств выражается через коэффициенты индуктивной кь и емкостной кс связей [12]

к-

к Ь + кс 1 + кькс'

(4)

В общем случае эти коэффициенты являются частотно-зависимыми и определяются распределением амплитуд высокочастотных токов и напряжений по длине полосковых проводников [9]. Однако вблизи собственных частот исследуемых микрополосковых структур (в области полос пропускания) их можно оценить через погонные параметры микрополосковых линий, образующих резонаторы [12]

кг -

-12

¿1

,г - ,

1 . ( ,г - \,а 81П П П

пп v ,,

,г - | ,а\

008I ПП

,г V ,

с

12

кс - С1 + с

12

+ 0081 ПП

1 • ( ,г - | ,а , — 81П ( П П Г - ' а' | + ПП V ,

(5)

Здесь и с1, Ь12 и с12 - соответственно погонные индуктивности и емкости, взаимные индуктивности и взаимные емкости пары связанных одинаковых микрополосковых л

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком