Введение к работе
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.
