Улучшение параметров полосовых LC-фильтров путем преобразования мостовых звеньев в неуравновешанные лестничные Тюменцев, Александр Иванович

Введение к работе

Актуальность темы. В современной радиоэлектронной аппаратуре электрические фильтры играют важную роль, определяя в значительной степени ее параметры такие как: помехозащищенность, избирательность, быстродействие, устойчивость связи при жестких условиях эксплуатации, вес, габариты, динамический диапазон и т.д. Такие средства радиосвязи используют различные типы фильтров: LC-фильтры, пьезоэлектрические, ПАВ-фильтры, электромеханические, ARC и др. Наиболее широкое применение из указанных устройств частотной селекции находят LC-фильтры, так как позволяют работать в широком диапазоне частот (от нескольких кГц до единиц ГГц), реализуют относительные полосы пропускания от 3 до 200 %, а также позволяют работать с большими уровнями сигнала.

Такие фильтры находят применение в качестве входных цепей, преселекторов, перестраиваемых цепей частотного разделения, фильтров ПЧ и т.п. При этом, требования, предъявляемые к современным средствам связи приводят к необходимости реализовывать все более жесткие электрические и эксплуатационные параметры устройств частотной селекции.

Несмотря, на то, что теоретические вопросы синтеза LC-фильтров достаточно полно рассмотрены в работах отечественных и зарубежных ученых, ряд вопросов до сих пор остается не полностью исследованным.

К таким вопросам, прежде всего, относятся: поиск новых схемных решений и вывод для них расчетных соотношений, позволяющих определить значения элементов схемы; вопросы реализации перестраиваемых полосовых фильтров (ППФ), обеспечивающих больший коэффициент перестройки; создание интегральных фильтров, выполненных в объеме многослойных структур, а также определение их потенциальных возможностей. Настоящая работа посвящена решению этих вопросов.

Цели и задачи работы. Целью диссертационной работы является исследование вопросов реализации LC -фильтров с улучшенными параметрами.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Синтез полосовых фильтров лестничной структуры на основе преобразования исходных элементарных звеньев полосовых фильтров-прототипов симметричного мостового типа в неуравновешенные структуры.

2. Выводились расчетные соотношения для предложенных оригинальных схем и ряда их модификаций.

3. Разрабатывалась методика выбора исходных схем ППФ, основанная на анализе входных сопротивлений симметричных структур и позволяющая получить максимально-возможный коэффициент перекрытия по частоте перестройки.

4. Был предложен ряд оригинальных схем ППФ, содержащих минимальное число элементов перестройки, сопровожденный выводом соотношений для расчета элементов схемы.

5. Проводилась дифференциальная оценка влияния добротности элементов схемы на вносимое затухание всей цепи.

6. Исследовались возможности создания интегральных фильтров, выполненных в виде трехмерных структур. Анализировались полученные оригинальные схемные решения, позволяющие реализовать заданные требования.

Основные методы исследования:

1. Теоретические: методы теории электрических цепей, численные методы моделирования.

2. Экспериментальные: измерение зависимости параметров матрицы рассеяния от частоты.

Научная новизна работы:

2. 1. Дополнена теория расчета LC-фильтров, полученная путем преобразования симметричных мостовых схем полосовых фильтров первого класса по затуханию в эквивалентные им неуравновешенные лестничные.

   2. На основе проведенных преобразований получен ряд новых лестничных и Т-образно-мостовых схем ПФ, а также их модификаций с применением известных преобразований Нортона совместно с эквивалентными преобразованиями двухполюсников, входящих в преобразуемые схемы. Эти решения расширяют ряд известных ранее схем и позволяют в ряде случаев существенно улучшить конструктивно – технологические характеристики проектируемых фильтров.

   3. Для полученных в работе вариантов схем Т-образно-мостовых ПФ путем введения в схему дополнительных «избыточных» емкостей получена методика их преобразования в более удобные для практического применения модификации.

   4. При выборе методики построения полосовых перестраиваемых фильтров (ППФ) был использован анализ входного сопротивления W симметричного реактивного четырехполюсника, с характеристическим сопротивлением Z_c, характеристической фазой , нагруженного на сопротивление R.

   Показано, что

   В полосе пропускания на частотах, когда , .

   Если в качестве исходной схемы ППФ выбрать схему второго класса по затуханию, то на средней частоте и частотах близких к ней , входное сопротивление W на этих частотах не зависит от и изменяется незначительно при смене рабочей частоты. Это позволяет расширить рабочий диапазон рабочих частот ППФ без введения дополнительных цепей согласования на входе и выходе ППФ.

   2. 5. На основе предложенной методики и использовании схем ПФ, полученных при преобразовании симметричных фильтров - прототипов в лестничные предложены варианты схемных решений ППФ с применением в качестве элемента перестройки дискретных конденсаторов переменной емкости (ДКПЕ), конверторов обобщенных сопротивлений и варикапов.

      6. При построении ПФ в диапазоне частот до нескольких ГГц проводилось исследования возможности их реализации в виде многослойных интегральных фильтров с применением различных технологий. Проведена оценка рабочего диапазона частот и реализуемых относительных полос пропускания.

      Практическая ценность работы состоит в следующем:

      На основе проведенных исследований предложены инженерные методы проектирования ПФ и ППФ с применением дискретной элементной базы, а также высокочастотных интегральных ПФ, выполненных с применением различных интегральных технологий, которые были внедрены в ряде разработок различных типов ПФ и ППФ и использованы в современной профессиональной аппаратуре связи.

      Так, например, полученные методы были использованы при разработке ПФ на частоты от нескольких МГц до нескольких ГГц с полосами пропускания от 10% до 40%.

      Разработаны ППФ для диапазонов частот от 1,5 до 90 МГц с относительными полосами пропускания 5% в двух вариантах исполнения – с применением в качестве элементов коммутации pin-диодов и электронных реле.

      Изготовленные и испытанные опытные образцы подтвердили состоятельность и эффективность предложенных в работе методов проектирования таких устройств. Полученные при разработке образцы не уступают по характеристикам лучшим зарубежным аналогам.

      Положения, выносимые на защиту:

      1. Схемы полосовых фильтров лестничного и Т-образно-мостового типов, эквивалентные симметричным-мостовым фильтрам прототипам, полученные на основе предложенного в работе метода эквивалентных преобразований.

      2. Методика расчета полученных модифицированных вариантов схем ПФ, и оценка их физической реализуемости.

      3. ППФ с применением емкостных и индуктивных элементов перестройки.

      4. Результаты исследования возможностей создания интегральных LC фильтров, выполненных на основе многослойных структур.

      Апробация работы:

      Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная научно-техническая конференция «Радиотехника, электроника и связь» (2011, Омск); VIII международная научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов и машин» (2012, Омск); I и II Всероссийские конференции «Микроэлектроника СВЧ» (2012, 2013 Санкт-Петербург,); III и IV общероссийской научно-технической конференции «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем» (2010, 2012 Омск); III студенческая научно-практическая конференция «Приборостроение и информационные технологии» (2010, Омск); II Региональная молодежная научно-техническая конференция «Омский регион – месторождение возможностей» (2011, Омск); Региональная научно-практическая конференция ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященная Дню радио (2010, Омск).

      Публикации:

      Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 18 статьях и докладах, среди которых 7 публикаций в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК. Доклады обсуждались и получили одобрение на 7 международных, всероссийских и региональных конференциях. Основные положения защищены 6 патентами на изобретения и 2 положительными решениями на полезную модель.

      Структура и объем диссертации

      Похожие диссертации на Улучшение параметров полосовых LC-фильтров путем преобразования мостовых звеньев в неуравновешанные лестничные

      Развитие теории энергетических функций реактивных четырехполюсников и ее приложение к анализу и синтезу LC-фильтровСергеев, Валерий Варламович

      Интегральные LC-фильтры ВЧ и СВЧ диапазонов на основе современных материаловХроленко, Татьяна Сергеевна

      

      Исследование и разработка методов расчета LC-фильтров по энергетическим и массогабаритным критериямСтанкеев Михаил Евгеньевич

      

      Исследование и разработка конструктивно-технологических методов улучшения параметров силовых планарных МОП транзисторов Швец Александр Валерьевич

      

      Методы улучшения параметров цифровой системы видеонаблюдения при передаче цветовой информацииСухов Тимофей Михайлович

      

      Улучшение параметров двухтактного ДВС путем применения непосредственного впрыскивания бензина и совершенствования процесса смесеобразованияЛодня Вячеслав Александрович

      

      Улучшение параметров сверхвысокочастотных устройств с протяженными кольцевыми резонаторамиСлаповская, Юлия Петровна

      

      Повышение эффективности нестационарных компрессорных установок карьеров путем улучшения параметров пневмосети горных машин Кобелев Николай Сергеевич

      

      Улучшение параметров излучательной рекомбинации инжекционных лазеров на основе гетероструктур с активной областью квазинулевой размерности : В системах А3В5 и А2В6Копчатов Владимир Ильич

      УЛУЧШЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТОПЛИВОПОДАЧИ ДИЗЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ НА СМЕСЕВОМ РАПСОВО-МИНЕРАЛЬНОМ ТОПЛИВЕАверьянов Александр Сергеевич