Синтез и проектирование миниатюрных микроволновых фильтров дециметрового и сантиметрового диапазонов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Кубалова, Анна Рудольфовна

• Кубалова, Анна Рудольфовна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кубалова, Анна Рудольфовна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СИНТЕЗ МИКРОВОЛНОВОГО ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО ФИЛЬТРА

ИЗ'ТИПОВЫХ ЗВЕНЬЕВ С РЕАЛИЗАЦИЕЙ НА МПЛ

ГЛАВА 2. МЕТОД ПРИБЛИЖЕННОГО СИНТЕЗА МИКРОВОЛНОВОГО ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО ППФ С ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫМИ ИНВЕРТОРАМИ САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА С РЕАЛИЗАЦИЕЙ НА

СИММЕТРИЧНОЙ ПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ, МОДЕЛИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПОЛОСКОВЫХ ФИЛЬТРОВ СВЧ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАКЕТА ПРОГРАММ MICROWAVE OFFICE

3.1. Обзор системы автоматизированного проектирования СВЧ устройств Microwave Office

3.1.1. Обзор программ по проектированию СВЧ устройств

3.1.2. Анализ возможностей программы Microwave Office

3.2. Автоматизированное проектирование микроволнового шпилечного фильтра пятого порядка в микрополосковом исполнении с помощью • пакета программ Microwave Office

3.2.1. Проектирование шпилечного фильтра пятого порядка с использованием модуля электромагнитного моделирования САПР Microwave Office

3.2.2. Проектирование микроволнового шпилечного фильтра пятого порядка; с использованием модуля схемотехнического моделирования САПР Microwave Office

3.3. Проектирование микроволнового шпилечного фильтра четвертого порядка в микрополосковом исполнении

3.3.1. Исходные данные

3.3.2. Проектирование шпилечного фильтра четвертого порядка с использованием модуля электромагнитного моделирования САПР Microwave Office

3.3.3. Проектирование шпилечного фильтра четвертого порядка с использованием модуля схемотехнического моделирования САПР Microwave

Office

3.4. Автоматизированное проектирование шпилечного фильтра пятого порядка (с W- образными резонаторами) с использованием модуля электромагнитного моделирования САПР Microwave Office

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез и проектирование миниатюрных микроволновых фильтров дециметрового и сантиметрового диапазонов»

Широко распространенными в радиотехнических микроволновых системах (PJIC, системах спутниковой связи и телевидения) являются фильтры СВЧ. 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[1-3]. СВЧ фильтры представляют особый интерес на частотах от 300МГц до 40 ГГц, так как на сегодняшний день этот участок частотного диапазона наиболее загружен электромагнитными волнами, а их длины соизмеримы с возможностями технологических процессов изготовления ГИС СВЧ (фотолитография, напыление, фрезерная обработка и т. п.)[5,6].

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 [7,10]. Эти цепи имеют существенные преимущества перед полиномиальными цепями, так как позволяют реализовать требуемые характеристики гораздо более компактными структурами. Так фильтрами с такими характеристиками (их называют эллиптические или фильтры 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 и 2000)[14,18]. Вышеназванные преимущества обеспечиваются тем, что крутизну характеристики затухания ПО 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, т. к. получаемые структуры, как правило, сложнее структур полиномиальных фильтров[118, 119, 123]. 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. Разработка простых типовых структур полосковых фильтров с характеристиками Золотарева является важнейшей задачей ближайших лет и поэтому эта проблема исследована в первой главе диссертационной работы[24-28, 119]. Большое значение при проектировании современных устройств и систем имеют методы приближенного синтеза. Во второй главе предложен и исследован метод приближенного синтеза микроволнового ЭФ с четвертьволновыми инверторами, реализованного на симметричной полосковой линии (СПЛ)[117, 118, 123, 126]. Также очень важной задачей- для миниатюризации микроволновой техники и существенного увеличения производительности труда инженеров - разработчиков СВЧ аппаратуры являются автоматизированное проектирование, конструирование и технология изготовления микроволновых устройств и систем. С внедрением в разработку и исследованием САПР микроволновых систем производительность труда инженеров увеличивается в десятки и сотни раз[94-96]. В последнее время к микроволновым системам и фильтрам стали предъявлять трудновыполнимые и весьма противоречивые требования, т.к. передача цифровых сигналов накладывает жесткие ограничения на групповое время задерживания (ГВЗ), а его неравномерность напрямую связана с крутизной АЧХ. Традиционные методы расчета микроволновых фильтров неравномерность ГВЗ не оценивают, разработчик может это проделать только с помощью САПР. Физическая реализация микроволновых фильтров до настоящего времени остается довольно сложной инженерно-технической задачей, так как> конструктивное воплощение фильтра имеет множество вариантов, которые по тем или иным параметрам часто не удовлетворяют разработчиков (масса, габариты, технологии изготовления, возможность простой настройки)[100,102,103]. Разработчикам приходится искать компромисс между множеством характеристик фильтра и требованиями ТЗ, именно поэтому при использовании САПР применяют различные методы оптимизации, рассмотренные в работах[64,66].

Микроволновые фильтры приемной части радиолокационных систем должны быть миниатюрными и иметь минимальные потери в 1111, что достигается использованием планарных структур, а фильтры оконечных каскадов PPJI должны иметь высокую крутизну характеристик и способность пропускать мощности порядка сотен кВт, и поэтому они реализуются на объемных структурах. В связи с этим в диссертации подробно исследованы с помощью САПР MWO электрические характеристики, конструкции и технологии изготовления многочисленных микроволновых фильтров в планарном и объемном исполнениях[65,67].

В настоящее время имеется обширная литература по теории и методам синтеза различных типов фильтров СВЧ. Разработанные методы синтеза многих структур фильтров СВЧ (например, на основе фильтров-прототипов нижних частот, ступенчатых трансформаторов, использования частотного преобразования Ричардса) позволяют синтезировать фильтры с высокой точностью относительно электрических параметров (волновые сопротивления, электрические длины). Однако при переходе от электрических параметров фильтра к геометрическим параметрам топологии возникают определенные трудности, связанные с недостаточной точностью существующих моделей отрезков линий передач и различных неоднородностей, а также с проблемами учета дисперсии, влияния корпуса, проводимости материала проводников и т.п., особенно в верхней части СВЧ диапазона. Это приводит к необходимости экспериментальной отработки топологии на макетах фильтров[76,77].

С появлением программных продуктов, позволяющих выполнять анализ топологии устройств СВЧ на электродинамическом уровне, ситуация изменилась. Появилась возможность так смоделировать топологию проектируемого фильтра, чтобы экспериментальная характеристика хорошо совпадала с расчетной.

Одним из популярных программных продуктов, используемых для проектирования полосковых и микрополосковых устройств СВЧ, является Microwave Office (MWO) компании Applied Wave Research(AWR). Проектирование СВЧ фильтров в этом программном продукте в общем случае можно разделить на три этапа: выбор структуры фильтра в первом приближении, уточнение параметров выбранной структуры в линейном моделировании, окончательная доводка параметров топологии в электромагнитном моделировании[94,122,124].

Поскольку Microwave Office является программой анализа, для- начала работы в ней необходимо предварительно выбрать структуру фильтра и определить её параметры хотя бы в достаточно грубом приближении. Для некоторых структур фильтров, например, фильтров на четвертьволновых шлейфах, это сделать достаточно просто. Но для большинства структур (фильтров с боковыми электромагнитными связями, встречностержневых и др.) необходимо сделать какие-то предварительные расчеты. Для некоторых типов фильтров можно использовать встроенный в Microwave Office мастер синтеза фильтров (Filter Synthesis Wizard) или интегрированный модуль NuHertz Filter.

После выбора структуры фильтра создается электрическая схема фильтра с учётом неоднородностей и выполняется анализ созданной схемы. Затем изменяются параметры элементов схемы до получения требуемой характеристики. Для этого можно использовать оптимизацию схемы. Если полученная первоначально характеристика далека от требуемой, оптимизация может не сработать. В этом случае лучше использовать инструмент ручной настройки схемы, который сделан очень удобным и работает в. режиме реального времени.

Когда требуемая характеристика получена, создается электромагнитная структура топологии фильтра с учётом реальных размеров корпуса и материалов диэлектрика и проводника. Полученные в линейном моделировании размеры топологии округляются так, чтобы они бьщи кратными выбранным размерам клеток сетки электромагнитной структуры. Выполняется анализ созданной электромагнитной структуры. Полученная характеристика может довольно существенно отличаться от характеристики, полученной в линейном моделировании.

После этого делаются изменения (подбор) размеров топологии и выполняется анализ после каждого изменения до тех пор, пока не будет получена требуемая характеристика фильтра. Не всегда очевидно, какие параметры топологии нужно изменять и в какую сторону, чтобы приблизить полученную характеристику к требуемой[94]. Если необходимо сдвинуть-характеристику по частоте, ясно, что нужно изменить резонансную частоту резонаторов (т.е. их длину). Чтобы изменить ширину полосы пропускания, необходимо изменить величину связей между резонаторами (например, величину зазоров в фильтрах с электромагнитной связью). Обычно; чем ближе характеристика к желаемой, тем сложнее определить, что нужно изменить в, топологии, чтобы' правильно подобрать соотношения между резонансными частотами отдельных резонаторов, связями, между ними и волновыми сопротивлениями. Эта процедура кропотливого подбора размеров! топологии является наиболее трудоёмкой и длительной: Анализ электромагнитной- структуры* может занимать значительное время. Для ускорения процедуры электромагнитного моделирования можно

Л ( 1 рекомендовать вначале выполнить анализ с относительно крупной сеткой и меньшим числом частотных точек. Затем увеличить количество клеток в сетке, уменьшив их размер; и увеличить число частот.

При окончательной» доводки топологии: можно перейти от графика вносимого ослабления к графику коэффициента стоячей волны, который; более, чувствителен к изменениям параметров топологии. Затраченные усилия на кропотливый подбор размеров топологии окупаются высокой точностью моделирования, при которой отпадает необходимость в экспериментальной отработке или она сводится к минимуму. Следует отметить, что высокая точность электромагнитного моделирования обеспечивается при: условии; когда проводники топологии параллельны сетке разбиения; а размеры топологических форм кратны размерам клеток сетки.

Другим популярным программным продуктом, используемым для проектирования полосковых и микрополосковых устройств СВЧ, является HFSS (High: Frequency Structural? Simulator) — пакет программ, предназначенный для проектирования трехмерных СВЧ устройств, моделирования и?расчета характеристик СВЧ — устройств.

Пакет программ HFSS использует несколько методов1 расчета. HESS вычисляет многомодовые S-параметры (S, Y, Z), и электромагнитные поля: в трехмерных структурах произвольной пассивной формы., При помощи HFSS инженеры могут получать трехмерное изображение электромагнитных полей (в ближней и дальней зоне)[117, 120, 123, 125], создавать SPICE-модёли для эффективной оценки качества сигнала, оценивать потери в линиях передач, потери на отражение, возникающие вследствие разных импедансов, паразитные связи и излучения. Решения для электромагнитного поля, найденные из уравнений Максвелла, позволяют точно определить все характеристики; СВЧ устройства' с учетом: возникновения и преобразования одних типов волн в. другие, потерь в материалах и на излучение и т. д. Расчетный модуль HFSS использует метод; конечных элементов; для расчета электрического поведения высокочастотных и высокоскоростных компонентов, включающий адаптивное разбиение структуры на ячейки. Благодаря этому появляется возможность точного анализа структур, не поддающихся декомпозиции на элементы библиотек иных САПР, решающих задачи электродинамики с помощью теории цепей [96]. При решении важных практических задач повышенное внимание уделяется особенностям методов расчета и установке опций программы Ш^Б в ходе построения трехмерных моделей волноводных, полосковых, микрополосковых и антенных структур. Программа Ш^Б имеет интуитивный интерфейс, упрощающий описание проекта, мощную программу расчета электромагнитного поля, адаптированную к требуемой точности решения, и мощный постпроцессор для беспрецедентного представления электромагнитных характеристик.

Целью диссертации является разработка и исследование новых методов синтеза микроволновых эллиптических фильтров дециметрового и сантиметрового диапазонов, условий физической реализуемости этих фильтров и анализ, моделирование и конструирование различных типов микроволновых фильтров с помощью САПР, а также экспериментальные исследования вышеназванных фильтров[39-45].

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Кубалова, Анна Рудольфовна

Основные результаты диссертации:

1. Модернизирован метод точного синтеза микроволновых ЭФ из типовых звеньев с реализацией на микрополосковой линии (МПЛ).

2. Разработан метод приближенного синтеза ЭФ с четвертьволновыми инверторами с реализацией на симметричной полосковой линии (СПЛ).

3. Исследованы с помощью пакета программ М\\Ю инженерные методы анализа и моделирования (схемотехнического и электромагнитного) наиболее часто применяемых в СВЧ технике шпилечных фильтров: с И-образными резонаторами четвертого, пятого порядков и с \¥-образными резонаторами пятого порядка, обладающих качественными электрическими характеристиками и приемлемыми массогабаритными показателями.

4. Представлены результаты экспериментальных исследований эллиптического ПЗФ из типовых звеньев в микрополосковом исполнении, эллиптического НПФ с четвертьволновыми инверторами с реализацией на СПЛ и шпилечного НПФ четвертого порядка дециметрового диапазона в микрополосковом исполнении.

5. Разработаны модели, проведена оптимизация и рассчитаны основные электрические характеристики микрополосковых шпилечных фильтров с II-образными резонаторами четвертого и пятого порядков с помощью пакета программ MWO.

6. Проведены анализ, моделирование и оптимизация микроволнового ЭФ с инверторами с реализацией на СПЛ с помощью пакета программ Ш^.

7. Представлены анализ и моделирование микроволнового ступенчатого ЭФ на решетке связанных прямоугольных стержней с четырьмя портами и шпилечного фильтра с и-образными резонаторами пятого порядка в микрополосковом исполнении с помощью пакета программ Ш5^.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кубалова, Анна Рудольфовна, 2011 год

1. Маттей Д. Л., Янг А, Джонс Е. М. Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. М.: Связь, 1971. - Т. 1. - С. 439; 1972. - Т. 2. - С. 495.

2. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств. Пер. с англ. С. Д. Бродецкой. Под ред. В. Г. Шейнкмана. М.: Радио и связь, 1987.-С. 432.

3. Альтман Д. Ж. Устройства сверхвысоких частот. Пер. с англ. проф. И. В. Лебедева М.: Мир, 1968. - С. 484.

4. Микроэлектронные устройства СВЧ. Под ред. Проф. Г. И. Веселова. -М.:«Высшая школа, 1988. С. 280.

5. Бахарев С. И., Вольман В. И. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под ред. В. И. Вольмана. М.: Радио и связь, 1982. - С. 328.

6. Алексеев Л. В., Знаменский А Е., Лоткова Е. Д. Электрические фильтры метрового и дециметрового диапазонов. М.: Связь, 1976. — С. 280.

7. Справочник по расчёту элементов полосковой техники", под редакцией Фельдштейна. М.: Связь, 1979. - С. 336.

8. Jia-Sheng Hong, Lancaster M. J. Microstrip filters for RF/Microwave applications. — N. Y.: John Wiley & sons. Inc., 2001. C. 482.

9. Antti V. Radio engineering for wireless communication and sensor applications London: Artech House., 2003.

10. Hunter C. Theory and Design of Microwave Filters // IEEE Electromagnetic Waves Series (Hardcover). 2004.

11. The design, fabrication and measurement of microstrip filter and coupled circuits. From July 2002 High Frequency Electronics. Copyright © 2002 Summit Technical Media, LLC.

12. Design of microstrip bandpass filter using Advanced Numerical Models. From March 2004 High Frequency Electronics Copyright © 2004 Summit Technical Media, LLC.

13. Ozaki H., Ishii J. Synthesis of a class of strip-line filters. // IRE Trans, on Circuit Theory. June 1958. - Vol. CT-5. -pp. 104-109.

14. Schiffinan В. M. Matthaei G. L. Exact design of band-stop microwave filters. // IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques. January 1964. - Vol. MTT-12.-pp.6-15.

15. Richards P. I. Resistor transmission-line circuits. // Proc. IRE. February 1948. - Vol. 36. -pp. 217-220.

16. Уайлд Д. Методы поиска экстремума. М.: Наука, 1967.

17. Половинкин А. И. Алгоритмы оптимизации проектных решений. — М.: Энергия, 1976.

18. Роудс Д. Теория электрических фильтров. — М.: Советское радио, 1980. -С. 240.

19. De Los Santos HJ. Introduction to Microelectromechanical (MEM) Microwave Systems». Boston.: Artech House, 1999.

20. Saal R. Der Entwurf von Filtern mit Hilfe des Kataloges normierter Tiefpasse. (The design of filters using the catalogue of normalized low-pass filters). -Telefunken, G.M.B.H., Backnang/Württemberg, Western Germany, 1961.

21. Pawsey D. C., Element coefficients for symmetrical two-section filters having Tchebycheff response in both pass and stop bands. Skwirzynski J. K., Design Theory and Data for Electric Filters. London: Van Nostrand, 1965.

22. Wenzel R. J. Theoretical and practical applications of capacitance matrix transformations to ТЕМ network design. // IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques. December 1966. - Vol. MTT-14. - pp. 635-647.

23. Crystal E. G. Coupled circular cylindrical rods between parallel ground planes. // IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques. July 1964. - Vol. MTT-12.-pp. 428-439.

24. Кубалова A.P. Синтез и конструирование микрополосковых узкополосных эллиптических фильтров СВЧ с четвертьволновыми инверторами // VIII Международная научно-техническая конференция «Физика и технические