Синтез эллиптических фильтров СВЧ диапазона

• Автор: Седышев, Эрнест Юрьевич
• Шифр специальности: 05.12.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 136 с. : ил.

Глава 1. Общая методика синтеза СВЧ фильтров и создание математической модели синтеза ЭФ СВЧ диапазона

Глава 2. Общие вопросы синтеза ЭФ СВЧ

Глава 3. Методика синтеза эллиптических фильтров СВЧ на резонаторах одинаковой длины

Глава 4. Методика синтеза фильтра на резонаторах разной длины

Глава 5. Методика синтеза «гребенчатых фильтров»

Глава 6. Микрополосковые эллиптические фильтры СВЧ

Заключение

Список литературы. Приложение.

Широко распространенными в радиотехнических устройствах СВЧ диапазона (в системах РРЛ, РЛС, спутниковой связи и телевидения) остаются аналоговые фильтры. Они предназначаются для частотной селекции принимаемых и передаваемых сигналов, развязки трактов приема и передачи, выделения полезных сигналов в различных частотных областях и сложения сигналов в выходных мощных каскадах. СВЧ фильтры представляют особый интерес на частотах от 500 МГц до 27 ГГц, так как на сегодняшний день этот участок частотного диапазона наиболее загружен и длины волн соизмеримы с возможностями технологических процессов и оборудования (фотолитография, напыление, фрезерная обработка). Фильтр с наибольшей крутизной частотной характеристики сегодня может быть синтезирован на основе эллиптической аппроксимации, именно эллиптические функции позволяют создать самые большие значения крутизны, при относительно малых полосах пропускания (5-10%).Фильтры, чья амплитудно-частотная характеристика описывается эллиптическими функциями в полосе пропускания и запирания, называются эллиптическими (ЭФ). Достаточно широко сегодня используются Чебышевские фильтры, ФЧХ у них более равномерная, они технологичны и довольно просты, но крутизна фильтра Чебышева отличается от эллиптического (Золотарева, Кауэра) на десятки дБ при одинаковом количестве резонаторов. За «высокую крутизну» ЭФ разработчик платит «сложностью» расчета и «аккуратностью» при настройке.
В последнее время к СВЧ фильтрам этого диапазона стали предъявлять достаточно жесткие и весьма противоречивые требования, так как передача цифровых сигналов накладывает требования на групповое время запаздывания (ГВЗ), а его неравномерность напрямую связана с крутизной амплитудно-частотной характеристики. Традиционные методы расчета неравномерность ГВЗ не оценивают. В диапазоне сверхвысоких частот физическая реализация аналоговых фильтров до настоящего времени

остается сложной инженерно-технической задачей, так как конструктивное воплощение фильтра имеет множество вариантов, которые по тем или иным параметрам часто не удовлетворяют разработчика (масса, габариты, простота и возможность настройки). Разработчикам приходится искать компромисс между множеством характеристик фильтра и требованиями технического задания, именно поэтому задание и оптимизация целевой функции в таких разработках также представляет интерес. На настоящий момент не существует методик, в которых рассматривается подобная функция.
Эллиптические фильтры приемной части радиолокационных систем должны быть миниатюрны, и иметь минимальные потри в полосе пропускания, что достигается использованием планарных структур, а фильтры оконечных каскадов радиорелейных станций должны иметь высокую крутизну и способность пропускать мощности порядка сотен кВт, что на планарных структурах принципиально невозможно. Задача параметрического синтеза на сегодняшний день не решена и также представляет интерес. Эта задача может быть решена путем интеграции множества инженерных методик и их унификации, с последующим объединением в систему автоматического проектирования на ЭВМ. Синтез фильтра СВЧ с эллиптической характеристикой традиционным способом может занять огромное количество времени, при этом его физическая реализация с момента начала работы до расчета геометрических размеров элементов фильтра будет оставаться под вопросом. Интегрируя инженерные методики в единую систему разработки фильтров, необходимо унифицировать их и представить в виде совокупности блоков, подпрограмм с однотипными входными данными и результатами, представимыми в некотором стандартном виде. Решая эту задачу, будет достаточно легко организовать синтез не только фильтров с эллиптическими характеристиками, но и всеми существующими (Бесселя, Баттерворта, Чебышева и др.). Создание и анализ инженерных методик с их

«паспорт» разработки, который модифицируется в соответствии с требованиями оптимальности варианта по ТЗ. При этом неизменными в ней остаются только младшие координаты вектора А, хотя и они могут изменяться (так при крутизне фильтра 1 дБ/Мгц может иметь место ФПНЧ ,который не удовлетворяет ТЗ, тогда можно перейти к аналогичному ФПНЧ с крутизной 1.2 дБ/МГц ).
Рассмотрим предлагаемый алгоритм синтеза фильтров СВЧ в упрощенном виде с точки зрения общности отдельных процедур, алгоритм в виде блок схем изображен на рисунке 1.17.
После введения начальных данных программа анализирует их корректность, выбор прототипа осуществляется с учетом требований ГВЗ, программа выбирает прототип и предлагает разработчику визуально корректировать АЧХ, ФЧХ и ГВЗ. Далее элементы прототипа нормируются и программа подходит к своему ядру (расчет фильтра на резонаторах одинаковой длины), после удачного расчета фильтра программа выдает документацию и сопроводительные документы на фильтр. Если расчет приводит к неоптимальной целевой функции, то программа возвращает разработчика к тем этапам синтеза, которые влияют на нужный элемент целевой функции (об этом подробно в главах 2,6).
Программа синтеза ФПНЧ приведена в приложении, так как она имеет самостоятельное значение.
В результате вышеизложенного мы получаем способ для получения принципиальной схемы (нормированных элементов) прототипа НЧ, который может быть скорректирован с точки зрения требуемых рабочих параметров и ГВЗ. Ценность данного метода заключена в том, что он позволяет в считанные минуты получить низкочастотный прототип эллиптического фильтра, у которого можно корректировать ГВЗ ( корректировка осуществляется перемещением максимума ГВЗ по отношению к частоте среза). Тогда и отпадает необходимость пользоваться справочниками и номограммами, которые и в настоящее