Метод проектирования аналоговых радиочастотных фильтров диапазона очень высоких частот на сосредоточенных элементах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат наук Гуров Егор Владимирович

• Гуров Егор Владимирович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Гуров Егор Владимирович

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ ФИЛЬТРОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Применение аналоговых фильтров

1.2 Анализ особенностей электрических фильтров

1.3 Методы проектирования аналоговых ЬС-фильтров

1.4 Постановка задачи проектирования аналогового фильтра

1.5 Выводы по главе

ГЛАВА 2. МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ ЬС-ФИЛЬТРОВ ДИАПАЗОНА ОВЧ

2.1 Описание метода проектирования аналогового фильтра

2.2 Оценка минимально необходимого порядка фильтра нижних частот

2.3 Применение режекторных звеньев в фильтрах нижних частот

2.4 Компоненты аналоговых фильтров

2.5 Выбор материала подложки

2.6 Математическая модель аналогового фильтра

2.7 Оценка точности рассматриваемых моделей аналогового фильтра

2.8 Выводы по главе

ГЛАВА 3. АЛГОРИТМ ПОИСКА НОМИНАЛОВ КОМПОНЕНТОВ. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ ФИЛЬТРОВ

3.1 Постановка задачи поиска номиналов компоненты

3.2 Алгоритм поиска номиналов компонентов

3.3 Оценка допусков на номинальные значения параметров компонентов

3.4 Методика проектирования аналоговых ЬС-фильтров

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕДЛОЖЕННОГО МЕТОДА

4.1 Полосовой фильтр 265.. .295 МГц №1

4.2 Полосовой фильтр 265.295 МГц №2

4.3 Полосовой фильтр 114.126 МГц

4.4 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акт внедрения

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика. ЗФ - заграждающий фильтр (режекторный фильтр). МШУ - малошумящий усилитель.

ОВЧ - очень высокие частоты (радиочастотный диапазон 30... 300 МГц).

ОУ - операционный усилитель.

ПАВ - поверхностные акустические волны.

ПФ - полосовой фильтр.

СВЧ - сверхвысокие частоты.

ФНЧ - фильтр нижних частот.

ESR - equivalent series resistance (эквивалентное последовательное сопротивление).

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод проектирования аналоговых радиочастотных фильтров диапазона очень высоких частот на сосредоточенных элементах»

Актуальность темы

Аналоговые фильтры являются неотъемлемой частью радиоприемных и радиопередающих устройств. Их применяют в качестве преселекторов во входных цепях радиоприёмников, в супергетеродинных трактах используются для подавления зеркального канала и других нежелательных составляющих в спектре сигнала. При работе с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, аналоговые фильтры необходимы для выделения требуемой зоны Найквиста.

Теория синтеза аналоговых фильтров на распределенных параметрах для диапазона сверхвысоких частот имеет хорошую проработку в связи с широким применением в коммерческих целях: мобильная, спутниковая связь, навигация, беспроводные интерфейсы связи Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX и др.

В диапазоне очень высоких частот (ОВЧ, 30.300 МГц) длина волны составляет от 1 до 10 метров, что приводит к большим габаритам фильтров на распределенных параметрах, так как их размеры соизмеримы с длиной волны. Поэтому, аналоговые фильтры в данном диапазоне целесообразно строить на пассивных сосредоточенных элементах, таких как катушки индуктивности и конденсаторы.

Данный диапазон использовался в основном для теле- и радиовещания, где не предъявлялись высокие требования к чувствительности радиоприемников и уровням побочного излучения радиопередатчиков. Это привело к отсутствию необходимости применения аналоговых фильтров высокой селективности и, как следствие, недостаточной проработанностью теории проектирования. Однако, в настоящее время этот диапазон также используется в устройствах специального назначения: радиосвязь, аппаратура для поиска и спасания, радиолокация и радионавигация, что указывает на актуальность использования данного диапазона частот и необходимость более высоких требований к качеству приёмопередающей аппаратуры.

Существенный вклад в разработку теории синтеза аналоговых фильтров внесли в первой половине XX века такие ученые как Идворский Михаил Пупин, Рональд Мартин Фостер, Стефан Баттерворт, Вильгельм Кауер и другие. Во второй половине XX века написано много книг, содержащих главы по проектированию аналоговых фильтров с идентичным содержанием, например, работы Ричарда Даниелса, Стива Виндера, Гарри Лэма и др. Все они используют метод аппроксимации АЧХ, заключающийся в аппроксимации частотной характеристики фильтра передаточной функцией в аналитическом виде, из которой получают схему и номинальные значения параметров компонентов.

На сегодняшний день процесс синтеза фильтров полностью автоматизирован и реализован в коммерческих программных пакетах, таких как MathWorks - Matlab; Nuhertz Technologies - FilterSolutions; Keysight Technologies - Genesys, Advanced Design System; Spectrum Software - Micro-Cap и многих других. Они также используют метод аппроксимации АЧХ.

В диапазоне частот от нескольких десятков мегагерц на частотную и фазовую характеристики цепей начинают оказывать заметное влияние паразитные параметры компонентов и топологии. Метод аппроксимации АЧХ предполагает использование идеальных компонентов произвольных номиналов и не учитывает влияние топологии. В реальности мы имеем ещё и дискретный набор номинальных значений параметров компонентов с допусками, что дополнительно усложняет процесс синтеза.

Применение подстроечных компонентов усложняет выпуск серийной аппаратуры, содержащей в своем составе аналоговые фильтры в связи с необходимостью использования контрольно-измерительной аппаратуры, персонала по регулировке, что увеличивает финансовые и временные издержки. Схема с подстроечными компонентами имеет пониженную устойчивость к внешним факторам, таким как тряска, вибрация, колебания температуры, что особенно критично для бортовой аппаратуры летательных аппаратов.

Возникает проблема, заключающаяся в противоречии между необходимостью проектирования аналоговых фильтров диапазона очень высоких

частот на реальных компонентах, минимальных габаритов, не требующих подстройки и отсутствием в настоящее время методов и средств эффективного решения данной задачи.

Целью работы является повышение эффективности проектирования аналоговых фильтров ОВЧ (метрового) диапазона на сосредоточенных не подстраиваемых элементах.

Основные задачи, решаемые в работе

1. Обзор и анализ методов проектирования аналоговых фильтров;

2. Разработка метода проектирования фильтров ОВЧ диапазона на сосредоточенных элементах;

3. Оценка влияния паразитных параметров компонентов и топологии фильтра на их частотную характеристику;

4. Разработка математической модели и алгоритма для расчета номинальных значений параметров компонентов аналоговых фильтров;

5. Разработка алгоритма для оценки допусков на параметры компонентов фильтра;

6. Разработка методики проектирования аналоговых фильтров на основе компьютерного моделирования;

7. Апробация, экспериментальная проверка и внедрение результатов исследования.

Объектом исследования является процесс проектирования аналоговых фильтров ОВЧ диапазона.

Предметом исследования является метод проектирования аналоговых фильтров ОВЧ диапазона, математическая модель и алгоритм расчёта номинальных значений параметров компонентов фильтра, а также программно-методическое обеспечение процесса его проектирования. Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались методы математического моделирования, в частности, методы дискретной оптимизации, метод имитационного моделирования Монте-Карло, метод моментов для

электромагнитного моделирования с использованием функции Грина. Рассмотрен широко распространенный метод аппроксимации АЧХ для синтеза фильтров. Достоверность полученных результатов оценивалась методом сравнения экспериментальных данных и результатов моделирования. Новые полученные результаты:

1. Разработан метод проектирования аналоговых фильтров, отличающийся от метода аппроксимации АЧХ уточнённой математической моделью, что позволяет сократить временные затраты на настройку и регулировку опытных образцов и издержки при серийном выпуске аппаратуры за счет исключения подстроечных компонентов.

2. Разработана математическая модель аналоговых фильтров, отличающаяся от модели, полученной методом аппроксимации АЧХ, учетом влияния паразитных параметров компонентов и топологии печатной платы, что позволяет снизить погрешность моделирования.

3. Разработан алгоритм расчёта номинальных параметров компонентов аналогового фильтра из дискретного набора значений, учитывающий паразитные параметры и влияние топологии печатной платы, позволяющий получить требуемую частотную характеристику.

4. Разработан алгоритм расчета допусков на номинальные параметры компонентов аналоговых фильтров.

5. На основе компьютерного моделирования предложена инженерная методика проектирования аналоговых фильтров без применения подстроечных компонентов, которая учитывает паразитные параметры компонентов и топологию печатной платы.

Практическая ценность работы

1. Предложенная методика проектирования аналоговых фильтров позволяет упростить и ускорить процесс их разработки.

2. Отсутствие подстроечных компонентов в составе аналоговых фильтров снижает временные и финансовые издержки при серийном выпуске радиоэлектронной аппаратуры.

3. Отсутствие подстроечных компонентов в составе аналоговых фильтров повышает устойчивость к внешним воздействиям, таким как тряска, вибрация, колебания температуры, что актуально для бортовой аппаратуры летательных аппаратов.

Теоретическая значимость состоит в развитии теории проектирования аналоговых радиочастотных фильтров диапазона ОВЧ на сосредоточенных элементах с нерегулируемыми параметрами. При этом учитываются их паразитные характеристики, допуски и топология фильтра. Реализация и внедрение

1. Результаты исследований внедрены в производственный процесс предприятия АО «МКБ» Компас».

2. Полученные новые теоретические результаты внедрены в курсы, читаемые студентам и аспирантам в институте радиотехнических и телекоммуникационных систем ФГБОУ ВО «МИРЭА - Российский технологический университет».

Положения, выносимые на защиту

1. Метод проектирования аналоговых фильтров позволяет сократить суммарное время разработки с нескольких дней до нескольких часов за счет уменьшения временных затрат на регулировку опытного образца.

2. Разработанная математическая модель АФ позволяет увеличить соответствие между экспериментальными результатами и результатами моделирования в 5-10 раз.

3. Алгоритм дискретного поиска номинальных параметров компонентов снижает время поиска приемлемых результатов, по сравнению с методом полного перебора, до приемлемого времени, определяемого пользователем, за счет сокращения количества вариаций номиналов и количества варьируемых компонентов.

4. Предложенная методика позволяет проектировать аналоговые фильтры в ОВЧ диапазоне, не требующие подстройки, на выпускаемой промышленностью элементной базе.

Апробация работы

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях:

1. Научно-практическая конференция «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий» (г. Сочи, 2016-2018).

2. IX международная научно-практическая конференция «Информационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и производстве» (г. Протвино, 2016).

3. Пятая всероссийская научно-техническая конференция (г. Каменск-Уральский, 2016).

4. II Международная научно-практическая конференция «Инновационные внедрения в области технических наук» Эвенсис (г. Москва, 2017).

5. Ежегодная межвузовская научно-техническая конференция студентов, имени Е.В.Арменского (г. Москва 2016 - 2018).

6. XL-th IEEE-SPIE Joint Symposium on Photonics, Web Engineering, Electronics for Astronomy and High Energy Physics Experiments (г. Вильга, Польша, 2017).

7. 18th Conference on Optical Fibers and Their Applications (г. Наленчув, Польша, 2018).

8. Международная научно-практическая конференция «Информационные инновационные технологии» (г. Прага, Чешская Республика, 2019). Публикации

По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ [1]-[8], из них 2 в журналах из перечня изданий, рекомендованных ВАК РФ [1]-[2], 2 в изданиях, индексируемый в Scopus и Web of Science [3], [4].

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Текст диссертации изложен на 121 странице машинописного текста, иллюстрирован 116 рисунками, 11 таблицами, список литературы включает 91 наименований.

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ ФИЛЬТРОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Применение аналоговых фильтров

Электрические фильтры служат для выделения желаемых компонентов спектра сигнала и подавления нежелательных. Имеют широкое применение: источники питания, обработка звука, телефония, проводная связь, радиоприёмная и радиопередающая аппаратура и др. Для каждой задачи имеются свои уникальные требования к фильтрации сигнала. В зависимости от формы частотной характеристики различают фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры высоких частот (ФВЧ), полосовые фильтры (ПФ), режекторные (заграждающие) фильтры (ЗФ) и фазовые фильтры. На рисунке 1 показаны амплитудно-частотные характеристики различных видов фильтров. Фазовые фильтры пропускают все частоты с минимальным ослаблением, интерес представляет фазовая характеристика.

stop pass

Рисунок 1 - Виды фильтров по виду частотной характеристики

Диапазону очень высоких частот (ОВЧ) соответствует полоса 30.. .300 МГц [9].

Первые попытки применения аналоговых фильтров были осуществлены ещё в 1880-х годах применительно к телеграфии для обеспечения многоканальной связи за счёт частотного разделения сигналов [10]. Проектирование основывалось на известных частотных зависимостях катушек индуктивности и конденсаторах, что положило начало развитию теории LC и RC-фильтров.

Аналоговые фильтры оказываются незаменимыми в радиоприёмных устройствах. С их помощью выделяют желаемую радиостанцию и подавляют остальные [11]. Сужение полосы приёма приводит к уменьшению мощности шума, в связи с чем возникает необходимость применения избирательных узкополосных фильтров для достижения высокой чувствительности [12, с. 433], [13, с. 102], [14]. Мощность выходного шума в дБм определяется по формуле:

Ьы =-174 + Ж +101§ В

(1)

где минус 174 (дБм) - мощность теплового шума при температуре 290 K в полосе 1 Гц;

Ж - коэффициент шума радиоприёмной цепи, дБ; В - полоса принимаемых частот, Гц.

В супергетеродинном радиоприемнике (рисунок 2) аналоговые фильтры применяются для подавления зеркального канала и выделения промежуточной частоты. Даже при условии отсутствия внешнего излучения на зеркальной частоте, без фильтра чувствительность радиоприёмника будет хуже на 3 дБ [14, с. 7].

Рисунок 2 - Структурная схема супергетеродинного радиоприёмника

При высокой зашумлённости эфира, например, в крупных городах, большое число мощных источников увеличивают коэффициент шума входного

малошумящего усилителя (МШУ). В [1] показано, что при установке фильтра до МШУ во входной цепи радиоприёмника, удавалось получить чувствительность на 15 дБ выше, чем в случае, когда фильтр устанавливался после входного усилителя. Такой же эксперимент в лабораторных условиях без мощных внеполосовых сигналов показал, что при установке усилителя на входе и фильтра после усилителя, чувствительность оказывалась выше.

Ещё одна важная сфера применения аналогового фильтра - выделение желаемой зоны Найквиста при работе с цифро-аналоговыми и аналого-цифровыми преобразователями. Рассмотрим следующий пример, приведённый в [15, с. 50]. Имеется следующий набор дискретных значений, оцифрованных с частотой : 0; 0.866; 0.866; 0; -0.866; -0.866; 0. Отсчёты изображены на графике на рисунке 3. Через данные точки проведены две различные синусоиды, что говорит о неоднозначности восстановления аналогового сигнала из дискретных отсчётов.

Рисунок 3 - Дискретные отсчёты последовательности и проведённые через них синусоиды

Таких синусоид может быть бесконечное количество. Они должны

удовлетворять условию:

х(п) = sin (2xf0nts) = sin (2n{fo + kfs )nts) (2)

где f0 - любая из возможных частот синусоидального сигнала, соответствующая данной последовательности;

1

ts - интервал времени дискретизации, ts = —;

fs

к - целое число, к = 0, ±1, ±2 ...

Отсюда следует, что результат оцифровки с частотой дискретизации / частоты /о и частот (/0 + /) даст одинаковые дискретные отсчёты и одна и та же последовательность может иметь различное непрерывное представление.

Согласно общеизвестной теореме Найквиста-Шеннона-Котельникова, ширина полосы частот В, которую можно оцифровать с частотой / не должна превышать ширину/¡/2, что наглядно изображено на рисунке 4 [16, с. 55].

Рисунок 4 - Спектры непрерывного и дискретного сигналов, наложение спектров

При наличии нежелательного сигнала выше половины частоты дискретизации, произойдёт наложение спектров. В данном случае, условие теоремы Найквиста-Шеннона-Котельникова не будет выполнено, так как необходимо учитывать спектр всего сигнала, поступающего на вход, а не только желаемого. В случае наложения, от нежелательных составляющих становится невозможно избавиться с помощью цифровой обработки, за исключением отдельных случаев, например, фазового подавления зеркального канала. Перед оцифровкой спектр сигнала необходимо ограничить с помощью аналогового фильтра. Применение полосового фильтра позволяет осуществить полосовую дискретизацию, то есть, спектр сигнала не обязательно должен лежать в полосе

-/¡/2 < В < ¿¡/2. Можно оцифровать полосу -к • /2 < В < к • /2 , где к - целое число. В данном случае, без полосового аналогового фильтра не обойтись, причём, может потребоваться высокий порядок, если сигналы помех или иных нежелательных составляющих спектра будут достаточно близки по частоте или иметь большую амплитуду.

Аналогично полосовой дискретизации, можно выполнить обратную операцию с помощью цифро-аналогового преобразователя и, применением аналогового фильтра, получить сигнал со спектром, ширина которого не превышает половину частоты дискретизации на несущей частоте, превышающей частоту дискретизации [16].

1.2 Анализ особенностей электрических фильтров

Рассмотрены основные виды фильтров, используемые в настоящее время.

Пассивные ЯС-фильтры, состоящие из резисторов и конденсаторов, применяются для фильтрации слаботочных сигналов. Они имеют небольшие габариты и низкую стоимость, однако, не подходят для получения высокой избирательности. Каскадное соединение ухудшает частотную характеристику, так как входное сопротивление каждого звена служит существенной нагрузкой предыдущего. Даже установка буферных усилителей не даёт существенного выигрыша [12, с. 263]. Низкие потери возможны только в случае, когда сопротивление нагрузки значительно выше сопротивления резисторов.

ЬС-фильтры позволяют осуществлять каскадное включение для увеличения избирательности. Из-за отсутствия активных элементов имеют значительно меньшую рассеиваемую мощность, что позволяет работать с большими токами и низким сопротивлением нагрузки. Потери в таких фильтрах обусловлены преимущественно неидеальностью катушек индуктивности и конденсаторов. Пример принципиальной схемы и внешнего вид таких фильтров изображен на рисунках 5 и 6. На низких частотах требуются катушки с большой индуктивностью и, как следствие, большими габаритами, массой и стоимостью.

С увеличением рабочей полосы частот уменьшаются значения номиналов катушек индуктивности и конденсаторов. Ближе к СВЧ диапазону, они уменьшаются настолько, что становится затруднена их физическая реализация [18], [19, с. 123]. Как известно, линии передачи имеют собственные погонную ёмкость и индуктивность, причём, их величины зависят от геометрических размеров. Это позволяет строить фильтры на отрезках микрополосковых линий [20, с. 10]. Для проектирования таких фильтров применяют метод эквивалентных схем, который заключается в синтезе фильтра методом аппроксимации АЧХ и последующей замене элементов (катушек, конденсаторов, ЬС-резонаторов) отрезками микрополосковых или коаксиальных линий. Электрическая схема и внешний вид показаны на рисунках 7 и 8.

Геометрические размеры такого фильтра соизмеримы с длиной волны. Микрополосковые линии могут иметь длину, кратную длине волны (например, Н, У) [20, с. 12], [21]. Размеры полосового фильтра 5ого порядка с полосой пропускания 2.4 ± 0.1 ГГц могут составлять 24x84 мм [21, с. 26]. Такой же фильтр с полосой пропускания в 10 раз ниже (240 ± 10 МГц) будет иметь размеры в 10 раз больше, то есть 24x84 см. Применение материалов с очень высокой диэлектрической проницаемостью для уменьшения длины волны может привести к значительному удорожанию печатной платы.

С помощью операционных усилителей (ОУ) можно получить характеристику КЬС-цепи без использования катушек индуктивности. Такие фильтры называются активными. Электрическая схема и внешний вид показаны на рисунках 9 и 10. Имитация катушек осуществляется с помощью таких схемных сегментов, как гираторы [22] и конверторы отрицательного полного сопротивления. Для построения таких фильтров важно правильно выбрать операционный усилитель. Наиболее значимым параметром является его частотная характеристика с разорванной обратной связью. Коэффициент усиления ОУ должен быть не менее чем на 40 дБ выше, чем коэффициент передачи фильтра на наивысшей частоте в полосе пропускания для получения ошибки не более 1% [23]. Данное ограничение значительно ограничивает область применения таких фильтров до частот в

несколько единиц или десятков мегагерц в связи с ограниченным быстродействием современных операционных усилителей. Например, на ОУ AD8021 фирмы Analog Devices с частотой единичного усиления 1 ГГц можно построить фильтр с полосой пропускания до 10 МГц. Для использования более высоких частот необходим учёт частотной характеристики ОУ.

Рисунок 5 - LC-фильтр: электрическая схема

Рисунок 6 - LC-фильтр: внешний вид

Рисунок 7 - Микрополосковый фильтр: электрическая схема

Рисунок 8 - Микрополосковый фильтр: внешний вид. Источник [17]

Рисунок 9 - Активный фильтр: электрическая Рисунок 10 _ Активный фильтр: внешний вид

(ЬТС1563-3)

схема

Рисунок 11 - Фильтр на переключаемых конденсаторах: функциональная схема

Рисунок 12 - Фильтр на переключаемых конденсаторах: внешний вид (LTC1569-7)

Ещё одним вариантом исполнения активных фильтров являются фильтры на переключаемых конденсаторах, которые выполняют роль резисторов [12, с. 281].

Исполняются обычно в виде интегральных микросхем и являются программируемыми [24]. Коммутации происходят на частоте на один - два порядка выше, чем частота рассматриваемого сигнала. В связи с этим, на выходе имеется нежелательный сигнал с частотой коммутации, который необходимо подавлять отдельно. Данная реализация имеет более высокую температурную стабильность, повторяемость, занимает меньше места на печатной плате, однако, область применения ограничена частотами в несколько сотен килогерц.

Помимо пассивных RC, LC и активных фильтров, широко используются фильтры на кварцевых и керамических резонаторах. Их принцип работы основан на пьезоэффекте [27]. В 60-х годах получили распространение элементы, использующие волны, распространяющиеся по поверхности твёрдого тела, которые были названы поверхностными акустическими волнами (ПАВ, в англоязычной литературе обозначается как SAW - Surface Acoustic Wave). Имеется достаточно много работ, посвящённых вопросам их проектирования [28], [29], которые продолжаются и по настоящее время [30], [31]. Принципиальная схема и внешний вид фильтров на керамических резонаторах показаны на рисунках 13 и 14. Структурная схема и внешний вид ПАВ фильтров показаны на рисунках 15 и 16.

Фильтры на резонаторах и поверхностных акустических волнах могут выполнится только в виде полосовых или режекторных, характеризуются высокой избирательной способностью и низкими потерями при узкой полосе пропускания. Увеличение полосы пропускания приводит к увеличению потерь. Обратная ситуация происходит с LC-фильтрами. Поэтому, если требуется широкая полоса пропускания, целесообразно использовать LC-фильтры, если узкая, то фильтры на резонаторах или ПАВ фильтры.

Номенклатура ПАВ фильтров и резонаторов весьма обширна, но ограничена. Для получения уникальной частотной характеристики, требуется разработка новых фильтров, что может занять длительное время и стоит относительно дорого, может оправдать себя только в крупносерийном производстве. Подстройка кварцевых и керамических фильтров с помощью внешних компонентов может выполняться

лишь в очень небольшом диапазоне частот. Кроме того, зачастую требуется применение согласующих цепей.

Рисунок 13 - Фильтр на основе керамических резонаторов: электрическая схема. Источник [25]

Рисунок 14 - Фильтр на основе керамических резонаторов: внешний вид

Рисунок 15 - Структура ПАВ фильтра. Источник [26]

Рисунок 16 - Внешний вид ПАВ фильтров на печатной плате

Даже при использовании готовых элементов, возникает проблема с их доступностью. Поставка может занимать продолжительное время, некоторые типы фильтров доступны только оптом, в количестве 1000 и более штук, что может оказаться экономически нецелесообразным для изготовления опытных образцов или мелкосерийного производства.

Пассивные и активные ЯС-фильтры, фильтры на переключаемых конденсаторах используются обычно на частотах ниже 10 МГц. Микрополосковые фильтры актуальны в диапазоне СВЧ. В диапазоне ОВЧ целесообразно применять кварцевые и керамические резонаторы, ПАВ фильтры и пассивные ЬС-фильтры. На ЬС-фильтрах можно получить фильтр любого типа (ФНЧ, ФВЧ, полосой, заграждающий, фазовый, специальной формы), на любые частоты, в то время как частотные характеристики резонаторных и ПАВ ограничены доступной номенклатурой.

1.3 Методы проектирования аналоговых LC-фильтров

Впервые необходимость применения аналоговых фильтров была обусловлена попытками осуществить одновременную передачу нескольких независимых сообщений по одной телеграфной линии передачи с помощью частотного разделения каналов. В одной из работ Хевисайда [32] было предложено использовать добавочные индуктивности к линии передачи для улучшения пропускной способности. Эта идея была практически реализована Джорджом Кэмпбеллом (George Campbell) из компании American Telephone and Telegraph (AT & T), вставляя нагрузочные катушки с некоторым интервалом вдоль линии передачи [33]. Было обнаружено, что, наряду с улучшением характеристик линии передачи, существует определённая частота, выше которой сигналы передаются со значительным ослаблением. Полученная структура представляла из себя LC-фильтр нижних частот высокого порядка. Заменив распределённую ёмкость линии передачи конденсаторами, был получен первый LC-фильтр нижних частот с сосредоточенными параметрами. Его реализация принесла большую выгоду компании [34].

Метод проектирования фильтров, использованный Кэмпбеллом, в англоязычной литературе называется Image-Parameter Method [35], [36]. Он заключается в преобразовании бесконечной цепочки одинаковых LC-звеньев (представление длинной линии передачи) в конечное число. Причём, волновое сопротивление такого LC-фильтра равно волновому сопротивлению соответствующей линии передачи.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гуров Егор Владимирович, 2019 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гуров Е.В. Влияние радиочастотного фильтра на ухудшение соотношения сигнал/шум малошумящего усилителя: экспериментальная оценка // Журнал Технологии ЭМС. 2017. № 2. С. 49-55

2. Гуров Е.В., Увайсов С.У., Увайсова А.С., Увайсова С.С. Алгоритм дискретной параметрической оптимизации для решения задач синтеза аналоговых фильтров диапазона очень высоких частот // Качество. Инновации. Образование. 2019. № 2 С. 53-63.

3. Gurov E., Uvaysov S., Wojcik W., Uvaysova S. Evaluation of the minimum necessary order of a passive analog low-pass filter in VHF band using untunable SMD components // 18th Conference on Optical Fibers and Their Applications, 2018, Naleczow, Poland, 15 March 2019. DOI: 10.1117/12.2522416

4. Gurov E., Uvaysova A., Uvaysov S., Ivanov I. Analysis of the Parasitic Parameters Influence on the Analog Filters Frequency Response // International Scientific -Practical Conference «Information Innovative Technologies», Prague, Czech Republic, April 2019.

5. Гуров Е.В. Улучшение частотных характеристик аналоговых фильтров за счет применения в их составе режекторных фильтров // Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. М.: 25 января 2017 г. С. 6-9.

6. Гуров Е.В. Оптимизация параметров БИХ-фильтров с помощью алгоритма роя частиц / Увайсова С.С., Ковалев В.В., Увайсова А.С. // Конференция «Инновационные, информационные и коммуникационные технологии» (01.10.2017 — 10.10.2017 Россия, Сочи). Сочи, 2017. С. 552-553

7. Гуров Е.В. Метод проектирования аналоговых фильтров УКВ диапазона на сосредоточенных постоянных элементах / Увайсова С.С., Шедреева И.Б., Карнакова Г.Ж. // Конференция «Инновационные, информационные и коммуникационные технологии» (01.10.2017 — 10.10.2017 Россия, Сочи). Сочи, 2017. С. 552-553

8. Гуров Е.В. Экспериментальная оценка чувствительности радиоприемника при различных структурах входной цепи / Роткевич А.С. // Ежегодная межвузовская научно-техническая конференция студентов, имени Е.В. Арменского (19.02.2018 - 01.03.2018 Россия, г. Москва, НИУ ВШЭ, ул. Таллинская, 34). Москва, 2018. С. 135-136

9. ГОСТ 24375-80 Радиосвязь. Термины и определения // Государственный стандарт. М.: Издательство стандартов, 1980

10. Pupin M.I. Wave transmission over non-uniform cables and long-distance airlines. Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, May 19, 1900.

11. Paarmann. L.D. Design and Analysis of Analog Filters: A Signal Processing Perspective. Wichita State University, Kansas. 2001.

12. Horowitz P., Hill W. The Art of Electronics. 2nd edition. New York: The Press Syndicate of the University of Cambridge, 1989. DOI: 10.2277/0521370957

13. Хибель М. Основы векторного анализа цепей. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. - пер. с нем. С. М. Смольского; под ред. У. Филипп. Hiebel M. Fundamentals of Vector Network Analysis. 3rd ed., München 2008.

14. IF Digitizing Subsystem AD9874 // Analog Devices Inc URL: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheetsZAD9874.pdf (дата обращения: 15.05.2019).

15. Lyons R.G. Understanding Digital Signal Processing. 3rd ed. New Jersey: Prentice Hall, 2010. 992 pp.

16. Chen Y.S., Kim S.N., Rabaey J. M. Multi-mode sub-nyquist rate digital-to-analog conversion for direct waveform synthesis // 2008 IEEE Workshop on Signal Processing Systems. Washington, DC, USA: IEEE, 2008. С. 112-117.

17. Reject the Second Harmonic with Microstrip Side-Coupled Filters // Informa USA, Inc. URL: https://www.mwrf.com/passive-components/reject-second-harmonic-microstrip-side-coupled-filters (дата обращения: 11.05.2019).

18. Behagi A.A. RF and Microwave Circuit Design a Design Approach Using (ADS). USA: Keysight Technologies, 2015.

19. Клич С.М., Кривенко А.С., Носикова Г.Н., Павлов В.Н., Сарафов Б.В., Сиверс А.П., Соколов Ю.П., Станкевич Ю.А., Степанов Ю.П., под ред. Сиверса А.П. Проектирование радиоприемных устройств. М.: Советское радио, 1976. 487 с.

20. Халяпин Д.Б. Коаксиальные и полосковые фильтры сверхвысоких частот. М.: Связь, 1969.

21. Hassan A.H. Design and Size Reduction Analysis of Micro Strip HBP Filters. Master's Program in Electronics/Telecommunications. Sweden, Gavle: University of Gavle, January 2015.

22. Deboo G. J. Gyrator type circuit. Patent US, no. 3493901, 1970.

23. Kugelstadt T., Mancini R. Op Amps for Everyone. Design Reference. Chapter 16: Active Filter Design Techniques. Dallas: Texas Instruments, August 2002.

24. Markell R. Take the Mystery Out of the Switched-Capacitor Filter: The System Designer's Filter Compendium // Linear Technology Application Note 40. March 1990.

25. Quartz Crystal Bandpass Filter Design // changpuak.ch URL: https://www.changpuak.ch/electronics/Quartz Crystal Filter Designer 3.php (дата обращения: 11.05.2019).

26. SAW Products // Microsemi Corporate URL: http://micro.apitech.com/pdf/whitepapers/SAW-Filter-WhitePaper.pdf (дата обращения: 11.05.2019).

27. Nye J. F. Physical properties of crystals: their representation by tensors and matrices. Clarendon Press, Oxford, 1964.

28. Suchanek J. The influence of electrodes on frequency of piezoelectric crystal resonators // Ferroelectrics. 1982. Vol. 43, no. 1., pp. 17-23. DOI: 10.1080/00150198208202000

29. Koga I. Thickness Vibrations of Piezoelectric Oscillating Crystals // Journal of Applied Physics. 1932. Vol. 3, no 2, pp. 70-80. DOI: 10.1063/1.1745085

30. R. Banu Priya, Venkatesan T., Haresh M Pandya. Modelling, Simulation and Validation of Surface Acoustic Wave (SAW) Delay Line by P Matrix Model // Journal of Scientific Research and Advances. January 2017. Vol 4, pp. 419-424.

31. Liu Yu., Liu J., Lam C. S. A Novel Structure to Suppress Transverse Modes in Radio Frequency TC-SAW Resonators and Filters // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. February 2019. pp. 1-3 DOI: 10.1109/LMWC.2019.2898730

32. Heaviside O. Electromagnetic Induction and its propagation // The Electrician. 3 June 1887.

33. Brittain J.E. The Introduction of the Loading Coil: George A. Campbell and Michael I. Pupin // The Johns Hopkins University Press. Technology and Culture. Vol. 11, no. 1, January 1970, pp. 36-57. D0I:10.2307/3102809

34. Bray J. Innovation and the Communications Revolution // Institute of Electrical Engineers, p. 62, 2002

35. History of Filter Theory // Quadrivium. URL: http://www.quadrivium.nl/history/history.html (дата обращения 12.05.2019)

36. Darlington S. Synthesis of reactance 4-poles which produce prescribed insertion loss characteristics // Journal of Mathematics and Physics, vol 18, pp.257-353, September 1939.

37. Paarmann. L.D. Design and Analysis of Analog Filters: A Signal Processing Perspective. Wichita State University, Kansas. 2001.

38. Daniels R.W. Approximation Methods for Electronic Filter Design: With Applications to Passive, Active and Digital Networks. McGraw-Hill Inc., US. 1974.

39. Winder. S. Analog and Digital Filter Design. EDN Series for Design Engineers. Elsevier Science. USA. 2002.

40. Zumbahlen H. Basic Linear Design. Chapter 10: Passive components // Analog Devices, Inc., 2007. URL: https: //www. analo g. com/medi a/en/trai nin g-seminars/design-handbooks/Basic-Linear-Design/Chapter10.pdf (дата обращения: 21.01.2019).

41. Butterworth, S. On the Theory of Filter Amplifiers // Wireless Engineer. Vol. 7 1930. pp. 536-541.

42. Физический смысл групповой задержки фильтра. Цифровые фильтры с линейной фазочастотной характеристикой // Теория и практика цифровой обработки сигналов URL: http: //www. dsplib. ru/content/filters/linphase/linphase. html (дата обращения: 13.05.2019).

43. IIR and Analog Filters - Basic Types // Nuhertz Technologies URL: https://www.nuhertz.com/response/iir-and-analog-filters-basic-types (дата обращения: 14.05.2019).

44. Bennett B.J. A new filter synthesis technique-the hourglass // IEEE Transactions on Circuits and Systems. December 1988. Vol. 35, no. 12. pp. 1469-1477. DOI: 10.1109/31.9910

45. Смирнов А.В. Метод одновременной оптимизации характеристик электрических фильтров в частотной и временной областях // Российский технологический журнал. 2018. Том 6. №6. С. 13-27. DOI: 10.32362/2500-316X-2018-6-6-13-27

46. Singh N., Potnis A. A review of different optimization algorithms for a linear phase FIR filter // 2017 International Conference on Recent Innovations in Signal processing and Embedded Systems (RISE). India, Bhopal. 2017. pp. 44-48. DOI: 10.1109/RISE.2017.8378122

47. Атабеков Г. И. Теоретические основы электротехники. Линейные электрические цепи: учебное пособие. 7-е изд., стер. СПб.: Издательство «Лань», 2009. - 592 с.

48. Дистрибьютер электронных компонентов «Premier Farnell UK Limited». Официальный сайт URL: https://uk.farnell.com/c/passive-components/

49. Yaya D. D., Allassem D., Youssouf M., Siblini A., Chatelon J. P., Rousseau J. J. Design, Manufacturing and characterization of integrated inductors with magnetic layers for DC-DC converter // IEEE Advanced Electromagnetics. August 2012. DOI: 10.7716/aem.v1i2.47

50. Winslow T. A. Conical inductors for broadband applications // IEEE Microwave Magazine. 18 March 2005. Vol. 6. Issue 1, pp. 68-72. DOI: 10.1109/MMW.2005.1418000

51. Basic Facts about Inductors [Lesson 2] Roles of Inductors 1- "Inductors for high-frequency range" // Murata Manufacturing Co., Ltd. URL: https: //www. murata. com/en-sg/products/emiconfun/inductor/2011/03/14/en-20110314-p1 (дата обращения: 04.04.2019).

52. ГОСТ Р 57437-2017 Конденсаторы. Термины и определения // Национальный стандарт Российской Федерации. М.: Стандартинформ, 2017

53. ГОСТ 20718-75 Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определения // Межгосударственный стандарт.

54. Gatous O. M. O., Pissolato J. Frequency-dependent skin-effect formulation for resistance and internal inductance of a solid cylindrical conductor in IEE Proceedings - Microwaves, Antennas and Propagation. 21 June 2004. Vol. 151, no. 3, pp. 212-216. doi: 10.1049/ip-map:20040469

55. Raven, Malcolm. Experimental measurements of the skin effect and internal inductance at low frequencies // Acta Technica CSAV (Ceskoslovensk Akademie Ved). 2015. no. 60, pp. 51-69.

56. Wojda R. P. Winding resistance and power loss for inductors with litz and solid-round wires // 2016 IEEE International Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC), Varna, 2016, pp. 860-865. DOI: 10.1109/EPEPEMC.2016.7752107

57. Hubbard J. C. On the Effect of Distributed Capacity in Single-layer Solenoids // Physical Review, 1917, Vol. 9, p. 529.

58. Palermo A. J. Distributed Capacity of Single-layer Coils // Proc. I. R. E., 1934, Vol. 22, p. 897

59. Morecroft J. H. Resistance and Capacity of Coils at Radio Frequencies // Proc. I. R. E., 1922, Vol. 10, p. 261.

60. Medhurst R. G. (GEC Research Labs.) H. F. Resistance and Self-Capacitance of Single-Layer Solenoids // Wireless Engineer, February 1947. pp. 35-43.

61. Knight. D. The self-resonance and self-capacitance of solenoid coils: applicable theory, models and calculation methods. May 2016. DOI: 10.13140/RG.2.1.1472.0887.

62. L. Green. RF-inductor modeling for the 21st century. // EDN. September 2001. URL: https://m.eet.com/media/1142818/19256-159688.pdf (дата обращения: 04.04.2019).

63. Caspers F. RF engineering basic concepts: S-parameters // CERN Yellow Report CERN-2011-007, January 2012. pp. 67-93.

64. Inductors (Coils): S-parameter & Equivalent Circuit Model // TDK Product Center URL: https://product.tdk.com/info/en/technicalsupport/tvcl/general/ind.html (дата обращения: 04.04.2019).

65. S-parameters and SPICE models // Coilcraft, Inc URL: https://www.coilcraft.com/models.cfm (дата обращения: 04.04.2019).

66. Керамические конденсаторы MLCC: особенности применения // АО «КОМПЭЛ» URL: https://www. compel.ru/lib/articles/keramicheskie-kondensatoryi-mlcc-osobennosti-primeneniya (дата обращения: 04.04.2019).

67. Jeffrey Cain (AVX Corporation). Parasitic inductance of multylayer ceramic capacitors. February 2002. URL: https://www.avx.com/docs/techinfo/CeramicCapacitors/parasitc.pdf (дата

https://product.tdk.com/info/en/technicalsupport/tvcl/general/mlcc.html (дата обращения: 05.04.2019).

71. Johnson H., Graham M. High-Speed Digital Design - A Handbook of Black Magic. New Jersey: Prentice Hall, 1993.

72. Кечиев Л. Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М.: ООО «Группа ИДТ», 2007.

73. Holloway L. C., Kuester E. F. Net and Partial Inductance of a Microstrip Ground Plane. // IEEE Transactions on electromagnetic compatibility, vol. 40, no. 1, February 1998. DOI: 10.1109/15.659518

74. Nelatury, S. R., Sadiku M. N. O., Devabhaktuni V. K. CAD models for estimating the capacitance of a microstrip interconnect: Comparison and improvisation // PIERS Proceedings, 18-23, Prague, Czech Republic, Aug. 27-30, 2007.

75. Schneider, M. V. Microstrip lines for microwave integrated circuits // Nokia Bell Systems Tech. J., Vol. 48, No. 5, pp. 1421-1444, 1969. DOI: 10.1002/j.1538-7305.1969.tb04274.x

76. Gonfalves R., Magueta R., Pinho P., Carvalho N. B. Dissipation Factor and Permittivity Estimation of Dielectric Substrates Using a Single Microstrip Line Measurement // Applied Computational Electromagnetics Society Journal, Vol. 31, No. 2, pp. 118 - 125, February, 2016

77. Campbell E. Bluetooth Radio Design Considerations for Cellular Handset Application // Wireless Design Online. April 2001. URL: https://www.wirelessdesignonline.com/doc/bluetooth-radio-design-considerations-for-cel-0001 (дата обращения: 09.04.2019)

78.Hageman S. What PCB material do I need to use for RF? // European Documentary Network. October 2012. URL:

https://www.edn.com/design/analog/4398951/1/What-PCB-material-do-I-need-to-use-for-RF- (дата обращения 09.04.2019)

79. Momentum Theory of Operation // Keysight Knowledge Center URL: http://edadocs.software.keysight.com/pages/viewpage.action?pageId=481868171 (дата обращения: 08.04.2019).

80. Химмельблау Д. М. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975. - пер. с англ. Быховская И. М., Вавилова Б. Т.; под ред. Быховского М. Л. Himmelblau D. M. Applied Nonlinear Programming. Austin, Texas 1972

81. Optimization Methods // Keysight Knowledge Center URL: http://edadocs.software.keysight.com/pages/viewpage.action?pageId=481866837 (дата обращения: 13.04.2019)

82. Galarnyk M. Explaining the 68-95-99.7 rule for a Normal Distribution // Towards Data Science. June 2018. URL: https://towardsdatascience.com/understanding-the-68-95-99-7-rule-for-a-normal-distribution-b7b7cbf760c2 (дата обращения 15.04.2019)

83. Соболь И.М. Популярные лекции по математике. Метод Монте-Карло. Выпуск 46. М.: Наука, 1968. 64 с.

84. Применяемые технологии производства печатных плат // ООО "Резонит" URL: https: //www. rezonit. ru/support/technolo gy/urgent/index. php (дата

http://edadocs.software.keysight.com/pages/viewpage.action?pageId (дата обращения: 17.04.2019).

90. How to create sub-circuits in GENESYS // Keysight Knowledge Center URL: http://edadocs.software.keysight.com/pages/viewpage.action?pageId=6914424 (дата обращения: 18.04.2019).

91. Радиовещание в России в 2017 году. Состояние и перспективы развития. Отраслевой доклад. Москва 2018.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акт внедрения