авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Синтез и проектирование миниатюрных микроволновых фильтров дециметрового и сантиметрового диапазонов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

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

Санкт-Петербург

2011

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 ненагруженной добротностью резонатора 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 итоге 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 микрополосковой линии (МПЛ). Точный синтез фильтров СВЧ можно свести к синтезу 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 микрополосковой 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 были использованы при разработке канальных субоктавных СВЧ фильтров для семейства генераторов испытательных сигналов в диапазоне до 6 ГГЦ.

3. В организации «Связьморпроект» 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 .

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 трехпроводной 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 трехпроводной 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 =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): , , ,, .

Таблица 1

Типовые звенья для связанной трехпроводной линии

Схема с преобразованными по Ричардсу элементами Эквивалентная полосковая структура Расчетные соотношения

Таблица 3

Таблица 3



Pages:   || 2 | 3 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.