Проектирование пассивных устройств СВЧ на основе фильтрующих структур со ступенчатыми резонаторами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.01, кандидат технических наук Данилов, Александр Александрович

• Данилов, Александр Александрович
• кандидат технических наук
• 1998

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Проектирование пассивных устройств СВЧ на основе фильтрующих структур со ступенчатыми резонаторами»

Астуашъдшстгь темы,

Создание современной радиотехнической аппаратуры (РТА) и вычислительной техники для радиосвязи, радиолокационной, радиоастрономический, радиобиологической и других областей техники требует наличия большого числа фильтрующих структур, представляющих собой один из основных элементов многих радиотехнических устройств. Современная традиционная техника сверхвысоких частот (СВЧ) и развивающаяся техника крайневысоких частот (КВЧ) располагает огромным опытом в проектировании самых разнообразных фильтров СВЧ /1=30/. В диапазоне СВЧ в качестве резонаторов полоснопропускающих фильтров (1111Ф) обычно применяются отрезки однородных передающих линий. При относительной простоте проектирования и изготовления эти фильтры часто не удовлетворяют современным требованиям по уровню конструктивно» технических и параметрических показателей, а именно: о практически все фильтры на отрезках регулярных линий передачи имеют паразитные полосы пропускания (ШЛИ), что значительно снижает качественные показатели РТА на их основе; о в большинстве случаев невозможно создание фильтров с большой крутизной АЧХ, что приводит к увеличению числа звеньев и потерь в полосе пропускания; о фильтры на основе однородных резонаторов имеют большие

Указанные недостатки в значительной степени могут быть преодолены при проектировании фильтров СВЧ на основе новой элементной базы -отрезков нерегулярных линий передачи, то есть линий передачи с изменяющимися параметрами вдоль направления распространения энергии. В этом направлении в последнее время появилось ряд работ. Так в /31/ предложен подход к решению задачи синтеза фильтров СВЧ с широкими полосами заграждения с заменой одного из однородных резонаторов на многоступенчатую короткозамкнутую линию. Принцип действия таких ППФ основан на взаимной компенсации полюсов и нулей входных сопротивлений однородных резонаторов и неоднородного резонатора на кратных частотах, при этом на основной частоте полюса входных сопротивлений однородного резонатора и неоднородного резонатора совпадают. Подобный подход к построению к ППФ с широкой полосой заграждения получил развитие в /32/. В /33/ рассматривались вопросы проектирования ППФ СВЧ на связанных плавно» и ступенчатонерегулярных полосковых и микрополосковых линий передачи. В /34/ приведена оценка уровня подавления ППП для фильтров, у которых подавление осуществляется путем разноса паразитных резонансных частот. В /35/ предложен метод определения уровня подавления ППП в фильтрах с четвертьволновыми связями и резонаторами, в которых подавление ППП осуществляется компенсацией резонансных и противорезонансных частот. Однако до настоящего времени, на наш взгляд, не обоснован выбор неоднородных резонаторов с точки зрения получения оптимальных параметров фильтра СВЧ: характер неоднородности (плавный или ступенчатый); не оптимизировано число ступенек и т.д. Здесь необходимо отметить, что при проектировании фильтрующих структур, как правило, использовали неоднородные отрезки полосковых и микрополосковых линий передачи.

Что касается строгой постановки синтеза фильтрующих структур на основе неоднородных резонаторов с учетом всех полюсов передаточной функций, то она отсутствует. Дело в том, что при строгой постановке синтеза фильтрующих структур СВЧ (особенно это касается ППФ) для того чтобы учесть полюса и нули в полосе заграждения необходимо использовать процедуру Кауэра=Золотарева, которая хорошо отработана для ФНЧ с сосредоточивши параметрами. Для ППФ СВЧ с частотными характеристиками, для которых априори отсутствует симметрия относительно центральной частоты пропускания, невозможен переход к ФНЧ=прототипу по известным формулам частотного преобразования. Вторая трудность с которой сталкивается разработчик при проектировании фильтрующих структур СВЧ -проблема вычислений волновых сопротивлений линии передачи СВЧ диапазона. Особенно это касается новых типов линий передач: связанных полосковых линий, волноводно-щелевой линии передачи и др. Здесь только отметим, что значение волнового сопротивления зависит от его определения /1/. Это обстоятельство существенно затрудняет проектирование фильтрующих структур СВЧ. С другой стороны математический аппарат теории сингулярных интегральных уравнений (СИУ), развитый в /36=39/, позволяет унифицировано подойти к проблеме вычисления волновых сопротивлений линий передачи. В частности, в первой главе диссертации введены функционалы, позволяющие достаточно просто определить волновое сопротивление.

Неоднородные резонаторы в качестве элементной базы могут быть использованы при конструировании не только фильтров СВЧ, но и других функциональных устройств. Например, на их основе возможно проектирование широкополосных переходов с одной линии передачи на другую. Такие переходы будут обладать свойствами ППФ с увеличенным затуханием в полосе заграждения. Очевидно также, что представляет большой интерес проектирование устройств СВЧ на основе неоднородных отрезков других типов линий передачи, в том числе со сложным поперечным сечением (Ы -волновод, щелевая линия, колланарный волновод и т.д.) /14, 40, 41/. Эти вопросы, к сожалению, практически не отражены в современной научно= технической литературе.

Щвлиыкго работы является: разработка синтеза фильтрующих структур СВЧ на основе ступенчатых резонаторов из отрезков линий передачи, включающего в себя учет полюсов и нулей входного сопротивления резонаторов и электродинамическое определение волновых сопротивлений отрезков линий передачи через стационарные функционалы, а также проектирование пассивных устройств СВЧ на его основе.

СРшотшы© мшдтатошшмс, юышкохшмы® шш защитите

4. Синтез широкополюсных переходов с различными линиями передачи на основе ступенчатых резонаторов, базирующийся на разработанном синтезе для ППФ СВЧ. о ППФ СВЧ с расширенной полосой пропускания и подавленными 111111; о широкополосные переходы с одной линии передачи на другую с улучшенными АЧХ (переход с полосковой линии передачи на щелевую линию; межслойный переход с несимметричной микрополосковой линии передачи на щелевую линию, переход с Н~волновода на коаксиальную линию и т.д.); о высокодобротная экранированная щелевам линия с повышенной помехозащищенностью; о малогабаритные устройства суммирования и деления мощности на отрезках стандартных коаксиальных кабелей; б„ Автоматизированный способ испытаний параметров СВЧ-четырехполюсников, более чувствительный к изменению его параметров по сравнению с известными методами измерений.

ШЬучишм шкшмшзшш заключается в том , что:

1 . Разработан новый метод расчета волновых сопротивлений полосково-щелевых волноведущих структур, основанный на введении стационарных функционалов относительно либо функций распределения тока на полосках, либо функции распределения тангенциального электрического поля в щелях между полосками.

2. Предложен метод расширения полосы пропускания и подавления ПНИ фильтрующих структур СВЧ на основе ступенчатых резонаторов, основанный на взаимной компенсации нулей и полюсов входного сопротивления неоднородных резонаторов.

3. Обобщён синтез ППФ СВЧ на основе связанных ступенчатых микрополосковых резонаторов, включающий в себя анализ входных сопротивлений резонаторов, определение волновых сопротивлений отрезков

4. Разработан синтез широкополосных переходов с различными линиями на щелевую линию, переход с б. Предложена и иееледов; на коаксиальную линию и т.д. ли переходом полученных в диссертации аналитических решений в предельных юты использо! щелевых волноведущих структур бых устройств СВЧ и КВ1 с о о о о содержащих отрезки полосково-щелевых линий передачи, а также при проектировании плоскостных и объемных ИС СВЧ. 2. Разработанный синтез ППФ СВЧ позволил существенно улучшить их АЧХ: расширить диапазон реализации полос пропускания, максимально удалить ШЛЯ, увеличить крутизну АЧХ и т.д. коаксиальную линию и т.д.).

4. Разработан и внедрен в РТА целый ряд пассивных устройств СВЧ: ППФ СВЧ, широкополосные переходы, устройства суммирования и деления и т.д., о чем свидетельствуют соответствующие акты внедрения.

Диссертация выполнена в рамках НИР, проводимых в НИИ «Экран»: НИР «Корректор — К» (1990 г.), НИР «Смычек » (1990 г.), НИР «РИТМ - 1» (1991), НИР «Разработка алгоритма синтеза схем полосковых селективных устройств СВЧ» (Гос. Регистр. №? У67690 от 18.10.90, 1992г.).

Основные результаты диссертационной работы докладывались на IV Всесоюзной научно-технической конференции «Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных и вычислительных систем СВЧ и КВЧ на объемных интегральных схемах (ОИС)» (г. Волгоград, 1991 г.), на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы применения СВЧ энергии» (г. Саратов, 1993 г.), на V Международной научно-технической конференции «Математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки! информации на объемных интегральных схемах (ОИС) СВЧ и КВЧ» (г. Сергиев Посад, 1995 г.), на VIII Международной школе

- семинаре «Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ» (г. Охотино, 1996 г.), на I Международном симпозиуме «Биофизика полей и излучений и биоинформатика» (г. Тула, 1996 г.), на IX Международной школе-семинаре «Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ» (г. Самара, 1997 г„) на IV Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь» (г. Воронеж, 1998 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ПИИРС (г. Самара, 1994=1998 гг.).

В ткврмкй ошш© развит метод расчета волновых сопротивлений регулярных полосково-щелевых линий передачи. Подход основан на определении волнового сопротивления через передаваемую мощность и заданное напряжение (ток) в области щелей (на полосках) структуры. Были получены унифицированные формулы для волновых сопротивлений волноводно-щелевых линий передачи, представляющие собой стационарные функционалы относительно либо тангенциального распределения электрического поля в щелях, либо относительно плотности поверхностного тока на полосках. В главе рассмотрены экранированная несимметричная полосковая линия, двухсторонняя симметричная волноводно-щелевая линия, волноводно-щелевая линия, связанные мшкрополосковые линии. Для всех этих волноведущих структур приведены рассчитанные по предложенному методу частотные зависимости волновых сопротивлений при различных значениях геометрии поперечных сечений линий передачи.

Во шторам глаш© описан предложенный автором синтез ППФ СВЧ на связанных микрополосковых ступенчатых резонаторах, который состоит из двух этапов. Fla первом этапе на основе анализа входных сопротивлений неоднородных резонаторов проводится предварительный расчет ступенчатых резонаторов; при этом жестко определяется только часть геометрических и физических параметров резонаторов. Уже на этом этапе существенно увеличивается полоса пропускания и увеличивается ослабление в полосе заграждения. В частности, можно устранить первую ХШП. Второй этап включает в себя известную процедуру синтеза фильтров СВЧ с определением волновых сопротивлений отрезков линий передачи ступенчатых резонаторов по методике, описанной в первой главе. Здесь же приведены результаты синтеза конкретных ППФ СВЧ и даны результаты сравнений экспериментальных характеристик устройств СВЧ с теоретическими результатами.

В третьей кшшю© разработан синтез широкополосных переходов с одной линии передачи на другую на основе связанных ступенчатых резонаторов. Синтез основан на математическом аппарате, развитым во второй главе для ППФ СВЧ и новом подходе в определении волновых сопротивлений отрезков линий передачи, описанном в первой главе. В этой главе приводятся результаты проектирования различных переходов с улучшенными АЧХ и ФЧХ: переход с полосковой линии на щелевую линию; межслойный переход с несимметричной микрополосковой линии передачи на щелевую линию; межслойный переход с несимметричной микрополосковой линии на несимметричную микрополосковую линию, расположенные между слоями диэлектриков; переход с Н=волновода на коаксиальную линию.

В оттертой ошв© описываются результаты применения математических методов, разработанных в первых трех главах, при проектировании пассивных устройств различных диапазонов. Это одноступенчатый согласующий трансформатор, малогабаритные устройства деления мощности метрового диапазона, малогабаритные устройства суммирования и деления мощности на отрезках стандартных кабелей. Особой оригинальностью отличается конструкция высокодобротной экранированной щелевой линии с повышенной помехозащищенностью, на которую получен патент РФ. В эту главу включен и раздел, в котором описывается предложенный автором способ испытаний параметров СВЧ= четырехполюсников, обладающий большей чувствительностью к изменению его параметров. На основе этого способа проведено большинство измерений разработанных автором устройств СВЧ и других диапазонов.

В мюбдотвшшш приводятся основные выводы диссертационной работы.

ГШублшташщм. По материалам диссертации! опубликовано 24 работы, в том числе 4 статьи, учебное пособие, 18 тезисов докладов на различных научно-технических конференциях и семинарах, 1 патент РФ. Две статьи в настоящее время находятся в центральной печати (ж. Радиотехника).

Структура ш (0)§ъ©м дштещтащшм. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Она ©одержит 203 страницы текста, включая 69 страниц рисунков, список использованных источников из 91 наименования и акты внедрения.