РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 11, с. 1397-1406
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ^^^^^^^^^^ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
УДК 621.372
СЕЛЕКТИВНЫЕ СВОЙСТВА МИКРОПОЛОСКОВЫХ ФИЛЬТРОВ НА НЕРЕГУЛЯРНЫХ РЕЗОНАТОРАХ
© 2004 г. Б. А. Беляев, С. В. Бутаков, Н. В. Лалетин, А. А. Лексиков, В. В. Тшрнев, О. Н. Чесноков
Поступила в редакцию 24.03.2004 г.
В квазистатическом приближении исследованы селективные свойства микрополосковых фильтров, содержащих от двух до шести нерегулярных четвертьволновых резонаторов, полосковые проводники которых имеют форму шпильки. Изучено поведение крутизны склонов амплитудно-частотных характеристик в зависимости от конструктивных параметров фильтров, а также от относительной ширины полосы пропускания и диапазона рабочих частот. Показана возможность реализации устройств как с симметричной амплитудно-частотной характеристикой, так и с максимальной крутизной либо низкочастотного, либо высокочастотного склона. Наблюдается хорошее согласие численного анализа рассмотренных микрополосковых структур с экспериментом.
ВВЕДЕНИЕ
Уменьшение размеров частотно-селективных устройств и, в частности, фильтров является одной из самых важных проблем современной радиотехники. Нередко именно фильтры определяют габариты и качество насыщенной ими аппаратуры в системах связи, радиолокации и радионавигации. Хорошо известно, что самыми миниатюрными из всех "электродинамических" фильтров являются микрополосковые фильтры (МПФ), получившие широкое распространение в сверхвысокочастотной (СВЧ) технике. Однако кроме миниатюрности микрополосковые устройства обладают еще рядом достоинств, к которым относятся надежность, технологичность в производстве, а также достаточно хорошее согласие с экспериментом скоростного квазистатического анализа разнообразных микрополосковых конструкций. Последнее обстоятельство позволяет создавать эффективные системы для автоматизированного проектирования микрополосковых устройств, в том числе и фильтров [1, 2].
Для уменьшения габаритов микрополосковых фильтров существует множество подходов, например, применение подложек с высокой диэлектрической проницаемостью £, использование плавных и ступенчатых нерегулярностей полосковых проводников, а также разнообразное сворачивание проводников резонаторов. Часто для достижения максимального эффекта разработчики используют сразу несколько способов уменьшения габаритов МПФ, получая в результате достаточно миниатюрные конструкции даже в метровом диапазоне длин волн [3]. Изучение поведения селективных свойств каждой конкретной конструкции фильтра с различным количеством резонаторов в ней при варьировании диапазона частот,
относительной ширины полосы пропускания, а также диэлектрической проницаемости подложки и других конструктивных параметров - важная прикладная задача. Такие исследования, во-первых, позволяют установить границы применимости выбранной конструкции, а во-вторых, они, несомненно, дают возможность создавать оптимизированные МПФ, удовлетворяющие конкретному техническому заданию при минимальном числе звеньев [4, 5].
В данной работе исследованы селективные свойства микрополосковых фильтров с числом звеньев N от двух до шести на резонаторах, имеющих форму нерегулярных шпилек (рис. 1), полосковые проводники которых состоят из регулярных участков различной ширины. Рассматриваемые конструкции обладают высокой степенью миниатюрности не только благодаря сворачиванию и ступенчатому изменению ширины полосковых проводников, но и применению в них четвертьволновых резонаторов. Отметим, что фильтры с четным N содержат встречно-направленные резонаторы одинаковой формы (рис. 1а), у которых с экраном соединены свободные концы узких участков проводников. А в фильтрах с нечетным N для сохранения зеркальной симметрии топологии проводников центральный резонатор имеет также зеркальную симметрию и состоит из двух "шпилек", соединенных вместе либо замкнутыми на экран участками (рис. 16), либо разомкнутыми (рис. 1в).
Очевидно, что в рассматриваемых резонаторах пучности высокочастотного тока находятся в точках соединения проводников с экраном, а пучности высокочастотного напряжения - на противоположных, свободных концах полосковых проводников. В результате на частоте первой моды
(а)
■0
БЕЛЯЕВ и др. )
(б)
I ■
(в)
„. I
■2
ГП I
_ ■ X
■
5
5
■
Рис. 1. Топология проводников нерегулярных микрополосковых резонаторов и фильтров на их основе с числом звеньев от двух до шести (2-6).
4
5
6
колебаний резонатора узкий регулярный участок его проводника играет роль распределенной индуктивности, а широкий регулярный участок - распределенной емкости. Поэтому при увеличении скачка ширины проводников не только уменьшаются габариты резонаторов и устройства в целом, но и существенно увеличивается ширина полосы заграждения фильтра вследствие смещения второй, паразитной полосы пропускания в область высоких частот.
1. МОДЕЛЬ И МЕТОД РАСЧЕТА
В рассматриваемых конструкциях фильтров длина областей связи проводников всех резонаторов одинакова и равна высоте "шпилек" 1Г (см. рис. 1). Ширина узких регулярных участков w0 также одинакова у всех резонаторов, а свободные концы проводников этих участков достигают краев подложки и именно в этих точках замыкаются на экран. Широкие регулярные участки проводников не доходят до краев подложки на величину ее толщины Н, а их ширина равна w1 - для крайних резонаторов, - для ближайших к ним и, наконец, w3 - для средних резонаторов в пяти- и шестизвенных фильтрах. Ширина регулярного участка, соединяющего широкий и узкий проводники в резонаторе, разделенные зазором равна ширине w0. Внешние линии передачи с волновым сопротивлением 50 Ом кондуктивно подключены к полосковым проводникам крайних резонаторов на расстоянии 1С от замкнутого на экран конца.
Численный анализ конструкций проводился на одномерных моделях, состоящих из последовательно соединенных регулярных отрезков одиночных и многосвязанных линий, погонные парамет-
ры которых вычислялись вариационным методом в квазистатическом приближении [6]. Топология полосковых проводников фильтров разбивалась на регулярные отрезки путем вертикальных и горизонтальных сечений в областях изгиба проводников, по их концам, а также по точкам кондук-тивного подключения линий передачи. В расчете принимались во внимание только волны основного типа. Амплитуды этих волн, а также амплитуды отраженной и прошедшей волны связаны с амплитудой падающей электромагнитной волны системой линейных уравнений, получающихся из условия непрерывности токов и напряжений на границах проводников всех регулярных отрезков модели. Диссипативные потери СвЧ-мощности учитывались введением собственной добротности микрополосковых резонаторов Q0, взятой из эксперимента.
Программы анализа, написанные для рассматриваемых фильтров, позволяют при фиксированных конструктивных параметрах микрополосковых структур рассчитывать в заданном диапазоне частотные зависимости прямых и обратных потерь, фазы и группового времени запаздывания прошедшей волны. При этом параметрами структур являются геометрические размеры проводников, толщина подложки и ее диэлектрическая проницаемость е, положение точек кондуктивно-го подключения линий передачи к крайним резонаторам, собственная добротность резонаторов Q0, а при наличии верхнего экрана - его высота над поверхностью подложки. Программы анализа использовались в экспертной системе РШех32, предназначенной для автоматизированного параметрического синтеза фильтров по заданной характеристике полосы пропускания, прототип ко-
торой описан в работе [2]. В техническом задании для синтеза фиксируются лишь центральная частота полосы пропускания /0, ее ширина по заданному уровню относительно уровня минимальных потерь фильтра, например по уровню -3 дБ (А/3), и уровень максимальных отражений СВЧ-мощ-ности в полосе пропускания Ьк, на котором у настроенного фильтра должны находиться все N - 1 максимумов обратных потерь. На рис. 2 приведены частотные зависимости прямых и обратных потерь настроенного фильтра на шести резонаторах.
Синтез фильтров проводился методом оптимальной коррекции [7]. В этом методе для каждой конструкции предварительно выделяются N + 1 подстроечных параметров, от которых наиболее сильно зависят характеристики в полосе пропускания фильтра и которые будут подбираться в процессе оптимизации. Для двухзвенной конструкции подстроечными параметрами являются высота "шпильки" 1Г, от которой в основном зависит центральная частота полосы пропускания, величина зазора 5 между проводниками соседних резонаторов, которая наиболее сильно влияет на ширину полосы пропускания, и, наконец, положение точек кондуктивного подключения линий к резонаторам 1С, которые определяют уровень отражений в полосе пропускания. Все остальные параметры двухзвенной конструкции фиксированы в процессе оптимизации, их будем называть основными. Для трехзвенного фильтра к подст-роечным параметрам добавляется еще один - ширина полоскового проводника среднего резонатора w2, изменением которой настраивается его собственная частота, зависящая и от величины связи с крайними. Эта частота должна совпадать с центральной частотой полосы пропускания, как и частоты крайних резонаторов. Для четырех-звенного фильтра к подстроечным параметрам добавляется величина зазора между проводниками средних резонаторов 52. Этим зазором достигается баланс связей между "наружными" и "внутренними" парами резонаторов. Для пятизвенно-го фильтра шестым подстроечным параметром является ширина полоскового проводника среднего резонатора w3, которой настраивается его собственная частота. И, наконец, для шестирезо-наторного фильтра, кроме всех перечисленных подстроечных параметров конструкции, добавляется седьмой параметр - зазор между проводниками центральных резонаторов 53, которым балансируется связь этих звеньев с остальными.
Оптимизация подстроечных конструктивных параметров при автоматической настройке фильтров в системе РШех32 считается завершенной, если одновременно выполняются три условия. Во-первых, отклонение уровней всех максимумов обратных потерь в полосе пр
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.