Материал: Расчет параметров полосового фильтра с Чебышевской характеристикой затухания на одиночной полосковой линии с зазорами для заданных параметров фильтра

Расчет параметров полосового фильтра с Чебышевской характеристикой затухания на одиночной полосковой линии с зазорами для заданных параметров фильтра

Введение

Использование диапазонов сантиметровых волн для создания систем связи, локации, навигации, проведение сложных научных экспериментов позволяет получать результаты, недостижимые в других частотных диапазонах.

За последние годы резко возросли уровень и объем требований, предъявляемых к частотным характеристикам устройств, в которых используется диапазон сверхвысоких частот (радиорелейные линии, радиолокаторы, радиотелескопы и др.). Соответственно росту требований усложнился тракт, направляющий энергию от генератора СВЧ колебаний к нагрузке; в настоящее время направляющая система, помимо собственно фидера (волновода, коаксиальной линии и т.п.), включает большое число различных фидерных устройств: фильтрующих, согласующих, ответвляющих, суммирующих и др.

Фильтры - основной элемент многих радиотехнических устройств. Они используются для разделения или сложения сигналов разных частот в многоканальных системах связи или в узлах радиотехнических устройств. Спектр электромагнитных колебаний ограничен, и его отдельные участки необходимо отделить один от другого; фильтры используются для того, чтобы излучения радиопередатчиков были ограничены заданными пределами спектра; и наоборот, другие фильтры используются для защиты приемников от помех, расположенных вне их рабочей полосы частот.

Частотные характеристики фильтров должны удовлетворять жестким требованиям; соответствующий этим требованиям расчет систем называют синтезом.

При решении задач синтеза СВЧ устройств использование прямых электродинамических методов чрезвычайно затруднительно. Поэтому на практике используется приближенный компромиссный метод, дающий достаточно хорошие результаты.

Компромиссный метод состоит в том, что исходные позиции ограничиваются определенным кругом изученных простейших фидерных элементов, например, отрезков линий, диафрагм, штырей и др., обладающих некоторыми известными конструктивными и электрическими параметрами. Параметры этих элементов определяются методами электродинамики. Сложное соединение таких элементов рассчитывается с помощью матричного аппарата теории цепей в предположении, что матрицы, описывающие эти элементы, остаются неизменными при любом сложном соединении элементов. При этом предполагается, что зона возмущенного поля вблизи неоднородности в фидере локализована в непосредственной близости от элемента, а взаимодействие элементов осуществляется лишь на основном типе волны.

Цепь СВЧ с заданной частотной характеристикой строится из заранее выбранных звеньев. Особым типом звена является отрезок однородного фидера. Каскадное соединение таких отрезков с различными волновыми сопротивлениями широко применяется при синтезе.

В сложном процессе совершенствования радиотехнических систем СВЧ диапазона широко используются новейшие достижения в области электроники СВЧ, современной элементной базы и материаловедения в сочетании с комплексным подходом к проектированию и оптимизации параметров систем и устройств. Хотя за последние годы предложено большое число конкретных вариантов СВЧ фильтров, тем не менее интенсивный поиск новых типов фильтров продолжается и в настоящее время. Данное обстоятельство отражает два принципиальных момента:

. Исключительно разнообразие требований, предъявляемых к фильтрам (вносимое затухание, избирательность, побочные полосы пропускания, допустимый уровень СВЧ мощности, габаритные размеры, устойчивость при изменении внешних механико - климатических условий и т. д.), что порождает соответствующее разнообразие конструкций.

. Объективные трудности проектирования универсального фильтра, обеспечивающего “ абсолютное ” решение проблемы.

В этой ситуации задачу проектирования оптимального СВЧ фильтра целесообразно рассматривать как реализацию компромисса между отдельными, часто противоречивыми требованиями в пространстве соответствующих показателей качества. Особенно остро здесь стоит проблема создания узкополосных фильтров, обладающих минимальными потерями и габаритными размерами, высоким уровнем подавления паразитных полос пропускания при повышенной избирательности. Немаловажную роль играют также вопросы улучшения технологичности конструкций фильтров, высокой устойчивости и воспроизводимости их электрических характеристик, простота настройки.

Необходимость формирования заданных частотных характеристик фильтров, при жестких ограничениях на габаритные размеры и массу существенно осложняют задачи разработки и проектирования их как в теоретическом, так и экспериментальных аспектах.

Учитывая общую тенденцию миниатюризации радиотехнических СВЧ систем, увеличение концентрации энергии электромагнитного поля и непрерывное повышение требований в части электромагнитной совместимости (ЭМС), комплексное решение задач проектирования и практической реализации оптимальных СВЧ фильтров, а также обобщение накопленного опыта их проектирования представляется весьма актуальными.

1.
Аналитический обзор

Электрические фильтры - четырехполюсники, обладающие избирательными свойствами; они пропускают токи в определенной полосе частот с наибольшим затуханием (полоса пропускания, или прозрачности), а токи с частотами, лежащими вне этой полосы, - с большим затуханием (полоса затухания или задерживания).

В современной радиотехнике под фильтрацией сигналов на фоне помех понимают любое выделение параметров случайных процессов, отражающих полезную информацию (сообщение). Вместе с тем сохраняется и традиционное, более узкое представление о фильтрации, связанное с частотной селекцией сигналов.

Под электрическим фильтром в традиционном смысле понимается цепь, обладающая избирательностью реакции на внешнее воздействие. Характеристики фильтра могут задаваться во временной или частотной областях, в последнем случае требования к фильтру обычно подразумевают определенную избирательность в заданном диапазоне частот.

Электрические фильтры можно классифицировать по различным признакам. По способу построения и используемой элементной базе различаются следующие типы фильтров: фильтры на сосредоточенных элементах (LC-фильтры), кварцевые и керамические, электромеханические фильтры, фильтры на отрезках длинных линий (СВЧ-фильтры), активные RC-фильтры на сосредоточенных и распределенных элементах, коммутируемые и цифровые фильтры, фильтры на поверхностных акустических волнах.

Под пассивным фильтром далее подразумевается реактивный четырехполюсник (четырехполюсник без потерь), нагруженный со стороны выходных зажимов на сопротивление нагрузки R2, а со стороны входных - на внутреннее сопротивление генератора R1 (рис. 1).

Рисунок 1 - Реактивный четырехполюсник

При расчете таких фильтров для их описания вводят два коэффициента - коэффициент передачи мощности и коэффициент отражения, определяемые по формулам:

K_u(jw) = U_вых(jw)/U_вх(jw)

K_p(jw) = K_u(jw)*K_u(-jw) = |K_u(jw)|^2

2. Выбор и обоснование структурной схемы устройства сложения

В зависимости от количества суммируемых радиопередатчиков, мощности радиопередатчиков, разноса между их несущими частотами используют различные типы устройств сложения. В настоящее время применяются следующие основные типы устройств сложения:

звёздное устройство;

балансное устройство;

комбинированное устройство (мультиплексер).

Балансный сумматор является комбинацией фильтров и 3-дБ ответвителей. Один модуль состоит из двух ППФ и двух 3-дБ ответвителей. Один из входов узкополосный (NB), в соответствии с полосой пропускания ППФ. Другой вход широкополосный соответственно диапазону 3-дБ ответвителя.

При сравнении с другими типами сумматоров, балансный сумматор имеет ряд преимуществ:

простота установки составных сумматоров посредством каскадирования нескольких модулей;

весьма высокая развязка между узкополосными входами каскада;

широкополосное согласование на всех входах;

простота наращивания имеющихся сумматоров путем добавления новых модулей.

Балансный сумматор работает следующим образом. Сигнал, подводимый к узкополосному входу (NB), делится при помощи 3-дБ НО (1) на две части, которые проходят через ППФ к 3-дБ НО (2), и затем суммируются в равных фазах на его выходе в результате действия НО. На широкополосном входе (ВВ) два частичных сигнала складываются в противофазе, и, таким образом, сигнал на этом входе практически не появляется. Широкополосный вход развязан с узкополосным через направленный ответвитель, но это зависит также от ППФ, которые настраиваются идентично.

Частота сигнала, подводимого к широкополосному входу (ВВ), лежит в пределах полосы задерживания ППФ. Сигнал разделяется на две части в 3-дБ НО (2), полностью отражается от ППФ и после синфазного суммирования протекает к выходу. Узкополосный вход развязан с широкополосным при помощи НО, как описано выше, но здесь появляется дополнительная развязка вследствие ослабления в полосе задерживания ППФ. Составные сумматоры формируются каскадным соединением нескольких модулей, выход каждого из которых возбуждается со входа последующего модуля. Количество частотных каналов, возможное в данной полосе частот, ограничивается только минимальным частотным интервалом между каналами.

Структурная схема УСС приведена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 - Структурная схема балансного сумматора

Выбор и обоснование порядка и схемы каждого фильтра устройства.

Проектирование фильтра начинается с задания технических характеристик фильтра в виде требований к АЧХ в полосе пропускания и полосе подавления, ширине переходной полосы, требований к ФЧХ или характеристики группового времени запаздывания а также другим параметрам, например, к сопротивлению нагрузки внутреннему сопротивлению источника, уровню сигнала и т.п.

На втором этапе решается задача нахождения подходящей передаточной функции, удовлетворяющей заданным требованиям. Эта задача сводится к выбору аппроксимирующей функции. То есть к выбору фильтра соответствующего типа.

Третий этап - схемная реализация выбранной на втором этапе передаточной функции. Решение этой задачи для основных типов фильтров (Баттерворта, Чебышева, эллиптических), реализуемых как в виде пассивных LC - схем, так и в виде активных четырехполюсников на базе операционных усилителей (ОУ). Тем самым в инженерных приложениях второй и третий этапы сводятся к виду типа фильтров (вида аппроксимирующей функции) и определению по таблицам и графикам соответствующих коэффициентов передаточной функции, определяющих в конечном итоге параметры элементов фильтра.

Четвертый этап - анализ фильтра, то есть исследование его характеристик на соответствие требуемым допускам, чувствительность к изменению параметров схемы, возможностям настройки и т.п.

Сначала такой анализ выполняется при номинальных значениях параметров, чтобы проверить правильность расчетов, проведенных на втором и третьем этапах. Затем учитываются погрешности элементов. Необходимость этого объясняется следующими причинами. При изготовлении спроектированного фильтра невозможно абсолютно точно подобрать его элементы. Разброс параметров реальных резисторов. Конденсаторов и катушек индуктивности обычно находится в пределах нескольких процентов. В связи с этим анализ должен дать ответ о допустимом разбросе параметров элементов фильтра, при котором еще выполняется техническое задание на проектирование.

Кроме того, в процессе эксплуатации неизбежно изменение параметров элементов фильтра за счет старения. Изменения климатических условий и т.п. Анализ позволяет учесть и этот фактор и принять соответствующие меры для стабилизации характеристик фильтра.

При достаточно большом числе элементов фильтра такой анализ выполнять вручную весьма сложно, а порой и просто невозможно (например, при попытках учесть случайный характер ухода параметров элементов). Поэтому эти расчеты и моделирование выполняют на ЭВМ.

На следующей стадии проектирования осуществляется сравнение технических требований с характеристиками, рассчитанными на этапе анализа. Если требования не выполняются, необходимо изменить параметры фильтра выбрать другой тип или снизить требования к характеристикам и повторить расчеты.