Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор материалов и постановка задачи 10
1.1. Варианты построения многополосных фильтров 10
1.2. Многополосные фильтры с независимой настройкой центральных частот полос пропускания 24
1.3. Двухканальные частотно-разделительные устройства СВЧ 28
1.4. ФЧХ многополосных фильтров и диплексеров 35
1.5. Постановка задачи исследований 39
Глава 2. ФЧХ диплексеров и многополосных фильтров 40
2.1. Фазочастотные характеристики диплексера 41
2.2. Фазочастотные характеристики многополосных фильтров 55
2.3. ФЧХ двухполосного фильтра 62
2.3.1. ФЧХ двухполосного фильтра с бесконечным числом реактивных элементов 62
2.3.2. ФЧХ двухполосного фильтра с конечным числом реактивных элементов 69
Глава 3. Многополосные фильтры и диплексеры СВЧ 74
3.1 СВЧ многополосные фильтры с независимой настройкой 75
центральных частот и полос пропускания 75
3.1.1. Теория двухчастотного крестообразного резонатора 75
3.1.2 Влияние геометрии многочастотного резонатора на его рабочие характеристики 82
3.2. Пример реализации двухполосного фильтра на основе 94
двухчастотных резонаторов крестообразной топологии 94
3.3. Пример реализации диплексера на основе двухчастотных резонаторов крестообразной топологии 98
3.4. СВЧ диплексер на основе фильтров нижних и высоких частот с нулями передачи в полосах задерживания 102
3.4.1. СВЧ фильтр нижних частот с дополнительными нулями передачи в полосе задерживания 102
3.4.2. СВЧ фильтр высоких частот с дополнительными нулями передачи в полосе задерживания 104
3.4.3. СВЧ диплексер на основе СВЧ ФНЧ и СВЧ ФВЧ 111
3.5. Выводы по результатам исследований в главе 3 115
Глава 4. Разработка и экспериментальное исследование 116
4.1. Диплексеры для системы ГЛОНАСС и GPS 118
4.1.1. Диплексер на паре ФВЧ и ФНЧ 118
4.1.2. Диплексер на четвертьволновых полосно-пропускающих фильтрах 120
4.1.3. Диплексер на полуволновых полосно-пропускающих фильтрах 124
4.2. Двухполосный фильтр для системы ГЛОНАСС и GPS 129
4.3. Выводы по результатам исследований в главе 4 132
Заключение 133
Список литературы 136
- Многополосные фильтры с независимой настройкой центральных частот полос пропускания
- Фазочастотные характеристики многополосных фильтров
- Влияние геометрии многочастотного резонатора на его рабочие характеристики
- Диплексер на четвертьволновых полосно-пропускающих фильтрах
Введение к работе
Актуальность темы. В подавляющем большинстве современные радиосистемы являются многодиапазонными. Например, телекоммуникационные системы: WLAN работает на центральных частотах 2.4ГГц/5ГГц, сотовая связь — 850МГц/ 900МГц/950МГц/1800МГц, глобальные спутниковые системы позиционирования ГЛОНАСС, GPS, Galileo поддерживают два диапазона L1 и L2. Аппаратура должна обеспечивать уверенную работу одновременно со всеми поддерживаемыми диапазонами, что накладывает дополнительные требования к радиочастотному тракту приемо-передатчика. Помимо всего прочего, массогабаритные показатели устройства должны быть минимально-возможными. Современные мобильные телефоны имеют размер не больше человеческой ладони и массу, не превышающую 300 граммов. В связи с этим, количество функциональных блоков, расположенных на заданной площади печатной платы, становится все больше, а их размеры меньше. Чтобы достичь желаемых размеров устройства необходимо обеспечить компактность многодиапазонных элементов антенно-фидерного тракта со всеми его цепями согласования и фильтрами.
Разработка многополосных фильтрующих СВЧ устройств и частотных мультиплексоров для систем телекоммуникаций и навигации представляет комплекс сложных задач, решение которых требует проведения дальнейших исследований, особенно в свете поиска новых перспективных схемотехнических и конструктивных решений, позволяющих уменьшить габариты этих устройств, упростить их проектирование, изготовление и настройку. Использование в телекоммуникационных и навигационных системах широкополосных сигналов требует разработки фильтрующих устройств не только обеспечивающих заданное подавление внеполосного излучения, но и вносящих минимальные фазовые искажения, что крайне актуально при использовании сложных видов амплитудно-фазовой модуляции с уплотнением спектра, типа OFDM. В литературе опубликовано большое число работ, посвященных методикам синтеза многополосных фильтров и частотных мультиплексеров СВЧ по амплитудно-частотным характеристикам (АЧХ), но практически отсутствуют работы, в которых исследуются фазочастотные характеристики (ФЧХ) многополосных фильтров и мультиплек-серов, влияние полос пропускания друг на друга при их взаимно близком расположении. Исследование ФЧХ таких цепей представляет сложную задачу, решение которой назрело к настоящему времени.
Для практики представляется важным найти и исследовать структуры многочастотных резонаторов на отрезках линий передачи, которые обладали бы свойством развязанности резонансных частот, позволяя реализовывать многополосные фильтры и диплексеры СВЧ с
4 раздельной настройкой полос пропускания, предложить перспективные для различных физических реализаций структуры многополосных фильтров и диплексеров.
Традиционные схемно-конструктивные решения фильтров высоких частот (ФВЧ) не удобны для реализации частотных диплексеров СВЧ. Представляется необходимым найти и исследовать простые в реализации структуры на отрезках линий передачи, с полосовой АЧХ, имеющие нули передачи в полосах задерживания, которые могли бы использоваться в качестве ФВЧ в диплексерах на паре ФНЧ-ФВЧ и обладали бы малым затуханием в полосе пропускания.
Решению всех перечисленных выше актуальных для настоящего времени задач и посвящена настоящая диссертационная работа.
Цель работы и задачи исследований. Цель диссертационной работы заключается в разработке теории и исследовании характеристик ФЧХ и группового времени задерживания (ГВЗ) многополосных фильтров и диплексеров СВЧ, исследовании перспективных схемно-конструктивных решений для многочастотных резонаторов с развязкой резонансных частот, на основе которых могли бы быть реализованы многополосные фильтры и диплексеры, поиску новых решений для структур, которые могли бы использоваться в качестве ФВЧ в дип-лексерах на паре ФНЧ-ФВЧ.
Для достижения этих целей необходимо было решить задачи:
исследовать ФЧХ идеальных многополосных фильтров с бесконечным числом реактивных элементов и фильтров с конечным числом элементов;
определить предельные параметры по взаимному расположению полос пропускания многополосных фильтров с конечным числом элементов, при которых начинают проявляться искажения ФЧХ и выработать рекомендации по выбору порядков фильтра;
исследовать поведение ФЧХ частотных диплексеров на паре фильтров ФВЧ-ФНЧ в зависимости от ширины переходной зоны и уровня затухания в полосах задерживания и выработать рекомендации по выбору порядка фильтров;
разработать и теоретически исследовать основные принципы построения многополосных фильтров СВЧ, позволяющих выполнять раздельную настройку амплитудно-частотных характеристик в каждой полосе пропускания;
предложить новые структуры двухполосных фильтров и диплексеров СВЧ, допускающие реализацию в различных технологиях и позволяющие осуществлять раздельную настройку АЧХ в полосах пропускания;
предложить и теоретически исследовать новые структуры, имеющие характеристики ФВЧ с большими полосами пропускания и задерживания, удобные для использования в ди-плексерах на паре фильтров ФВЧ-ФНЧ;
5 — выполнить разработки и экспериментальные исследования ряда одно и двухполосных фильтров и диплексеров для приемных устройств систем спутниковой навигации ГЛО-НАСС и GPS, а также телекоммуникационных систем.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовался аппарат анализа цепей с сосредоточенными и распределенными постоянными, теория матриц, аппарат математического анализа и численные методы. Имитационное моделирование СВЧ устройств выполнено с использованием прикладных пакетов MathCAD, Microwave Office, Ansoft HFSS. Проверка теоретических положений выполнялась экспериментально.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты:
1. Исследованы частотные свойства ФЧХ нижнечастотного и высокочастотного кана
лов диплексера, реализованного на паре полиномиальных фильтров ФНЧ-ФВЧ, показано
наличие экстремума фазовой характеристики диплексера в переходной зоне и определены
его параметры;
2. Показано, что увеличение порядка фильтров в каналах диплексера приводит к суже
нию линейной части ФЧХ в каналах, увеличению неравномерности ФЧХ в переходной зоне;
3. Исследованы частотные свойства ФЧХ и ГВЗ в полосах пропускания многополосных
фильтров с любым числом полос пропускания при Кауэровской и Баттервортовской аппрок
симации АЧХ;
-
Для двухполосного фильтра с Кауэровской и Баттервортовской аппроксимацией АЧХ с различным числом реактивных элементов выполнен анализ характеристик ФЧХ и ГВЗ на всей оси частот при различном расположении полос пропускания друг относительно друга и найдены критические параметры, при которых становится заметным искажение характеристик;
-
Предложен принцип построения многочастотных микрополосковых резонаторов с развязкой резонансных частот для синтеза многополосных фильтров с независимой настройкой АЧХ в каждой из полос пропускания. Выполнен теоретический анализ предложенных резонаторов, определено условие развязки резонансных частот, моделированием найдены оптимальные соотношения для конструктивных параметров многочастотного резонатора и максимальное число резонансных частот;
-
На основании выполненных теоретических исследований предложены конструкция двухполосного фильтра на основе двухмодовых резонаторов, защищенная патентом, и конструкция диплексера на паре полосовых фильтров, на которую подана заявка на патент, отличающиеся независимой настройкой АЧХ в каждой из полос пропускания и минимальными габаритами;
6 7. Предложена микрополосковая структура с полосовой АЧХ, имеющая нули в полосах задерживания, которая может использоваться в качестве ФВЧ в диплексерах на паре ФНЧ-ФВЧ. Выполнен анализ предложенной структуры, определены ее оптимальные параметры.
Основные положения, выносимые на защиту:
1.Диплексеры на паре фильтров ФВЧ-ФНЧ имеют в переходной зоне в каждом из каналов экстремум ФЧХ, величина которого возрастает с увеличением порядка фильтров и затухания в полосе задерживания.
2.В многополосных фильтрах при разносе центральных частот на величину менее суммы двух соседних полос пропускания начинает увеличиваться неравномерность характеристик ФЧХ и ГВЗ, возрастающая с увеличением порядка фильтра.
3.В многочастотных резонаторах, выполненных на пересекающихся в центральной точке проводниках полуволновых резонаторах, количество пересекающихся проводников не должно превышать четырех для получения резонатора с высокой степенью развязки резонансных частот.
4.Использование ФНЧ и ФВЧ структур на основе фазовой цепи СВЧ первого порядка позволяет создавать СВЧ диплексеры с контролируемыми нулями передачи в полосах задерживания фильтров и малыми потерями в полосах пропускания.
Практическая ценность новых научных результатов. В диссертационной работе показана возможность создания многополосных фильтров и диплексеров СВЧ с минимальными искажениями характеристик ФЧХ и ГВЗ, имеющих минимальные габариты и выполнимых по различным технологиям.
Предложенная методика оценки искажений ФЧХ при сближении полос пропускания друг с другом позволяет разработчикам грамотно подойти к выбору порядков фильтров в многополосных фильтрах и диплексерах в зависимости от расположения полос пропускания и требуемого подавления между полосами.
Разработанные в диссертационной работе диплексеры на паре фильтров ФВЧ-ФНЧ с широкими канальными полосами пропускания и диплексер на паре полосно-пропускающих фильтров, в основе которых лежат полуволновые резонаторы, найдут широкое применение в радиоприемных устройствах аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS для разделения сигналов диапазонов L1 и L2 и для разделения сигналов в системах мобильной связи.
Предложенные в диссертации структуры двухполосных фильтров и диплексеров, одна из которых защищена патентом, а на другую подана заявка на патент, с независимой настройкой полос пропускания могут быть выполнены на многослойной диэлектрической подложке и на основе LTCC технологий и найдут широкое применение в телекоммуникационном оборудовании и аппаратуре потребителей спутниковых навигационных систем.
7 Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты работы получены в процессе выполнения трех госбюджетных НИР в 2009- 2013 г. на кафедре РЭС СПбГЭ-ТУ (ЛЭТИ), а также при выполнении в 2013-2014г. научной работы в рамках государственного контракта № У-2013-1/7 на тему: «Разработка многочастотных резонаторов с некратными частотами и фильтров на их основе» от 01.04.2013 в рамках программы УМНИК. Материалы диссертации использованы в научных разработках кафедры, в учебном процессе, в ЗАО «Транстроника» и в ОАО НТЦ «Завод ЛЕНИНЕЦ».
Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на 20-й, 21-й и 22-й Международных конференциях «Microwave & Telecommunucation Technology», (Sevastopol, Crimea, Ukraine 2010, 2011, 2012г.), на 1 и 2-ой всероссийской научной конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ» (г. Санкт-Петербург, 2012, 2013г.), а также научно-технических конференциях профессорского – преподавательского состава СПбГЭТУ (ЛЭТИ) в 2010-2014 г.
Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 10 печатных научных работах, в числе которых 3 статьи, входящие в Перечень ВАК, один патент на полезную модель и 6 трудов международных и всероссийских научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, 2 приложений и списка литературы, включающего 67 наименований. Основная часть работы изложена на 141 странице и содержит 103 рисунка.
Многополосные фильтры с независимой настройкой центральных частот полос пропускания
Минимизация размеров каждого из компонентов, входящих в структурную схему, изображенную на рисунке 1, является ключевым моментом. Недостаточно уменьшать размеры только интегральной части, чтобы достичь желаемых размеров печатной платы итогового устройства, нужно обеспечить и компактность антенно-фидерного тракта со всеми его цепями согласования и электрическими фильтрами. На печатной плате СВЧ устройства, как правило, реализуются в виде компактных устройств, соединенных проводниками, имеющими стандартное волновое сопротивление. В качестве антенн используются планарные печатные антенны, реализованные из соображений минимизации размеров при приемлемой эффективности. Габариты антенно-фидерного тракта зависят от частоты. Так, например, для стандарта GSM 850МГц/900МГц размеры антенн могут достигать 100 мм, а для WLAN 5ГГц – десятков миллиметров.
Ранее предполагалось, что для работы с несколькими диапазонами частот, можно использовать два встроенных устройства, каждый из которых работает на своей частоте. Однако сейчас используют двух и более диапазонные приемопередатчики, подобные описанным в [2], и антенно-фидерные устройства (АФУ), работающие в нескольких диапазонах. Одними из наиболее распространенных компонентов в составе АФТ являются многополосные частотно-избирательные фильтры и диплексеры.
Разработка многополосных фильтрующих СВЧ устройств и частотных муль-типлексеров для систем телекоммуникаций и навигации представляет комплекс сложных задач, решение которых требует проведения дальнейших исследований, особенно, в свете поиска новых перспективных схемотехнических и конструктивных решений, позволяющих уменьшить габариты этих устройств, упростить их проектирование, изготовление и настройку. Использование в телекоммуникационных и навигационных системах сложных сигналов приводит к необходимости подробного исследования свойств не только амплитудно-частотных, но и фазоча-стотных характеристик многополосных фильтров и диплексеров. Именно эти вопросы и определяют цель и задачи исследований в настоящей диссертационной работе. При решении поставленных задач использовался аппарат анализа электрических цепей с сосредоточенными и распределенными постоянными, теория матриц, аппарат математического анализа и численные методы. Имитационное моделирование СВЧ устройств выполнено с использованием прикладных пакетов MathCAD, Microwave Office, Ansoft HFSS. Проверка основных теоретических результатов работы выполнялась экспериментально.
В диссертации получены следующие новые научные результаты: в общем виде для идеальных многополосных фильтров с бесконечным чис лом реактивных элементов и для фильтров с конечным числом элементов по лучены выражения для фазочастотных характеристик; исследованы фазочастотные характеристики многополосных фильтров и ди плексеров СВЧ с оценкой степени влияния полос пропускания друг на друга; предложены и теоретически подтверждены основные принципы построения многополосных фильтров СВЧ, позволяющих выполнять раздельную на стройку амплитудно-частотных характеристик в каждой полосе пропускания; предложены защищенные патентами новые структуры двухполосного фильт ра и диплексера СВЧ, предложена новая структура на основе отрезков линий передачи с Т-волной, имеющая характеристики ФВЧ с большими полосами пропускания и задерживания; выполнены разработки и экспериментальные исследования ряда одно- и двухполосных фильтров и диплексеров для приемных устройств систем спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS.
Основные результаты работы получены в процессе выполнения трех госбюджетных НИР в 2009- 2013 г. на кафедре РЭС СПбГЭТУ (ЛЭТИ). Материалы диссертации использованы в научных разработках кафедры, в учебном процессе, в ЗАО «Транстроника» (г.Санкт-Петербург) и в ОАО «НТК «Завод ЛЕНИНЕЦ». В рамках программы "УМНИК" заключен государственный контракт сроком на 2 года в период с 2013-2015 года на разработку многочастотных резонаторов с некратными частотами и фильтров на их основе. Основные теоретические и практические положения работы докладывались и обсуждались на 20-й, 21-й и 22-й Международных конференциях «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», (г. Севастополь, 2010, 2011, 2012г. ), на 1 и 2-ой всероссийской научной конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ» (г. Санкт-Петербург, 2012, 2013г.), а также научно-технических конференциях профессорского – преподавательского состава СПбГЭТУ (ЛЭТИ) в 2010-2014 г.
Основные теоретические и практические материалы диссертационной работы опубликованы в печатных научных работах, в числе которых 3 статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК РФ, 1 статья в международном издании, один патент на полезную модель и 6 трудов международных и всероссийских научно-технических конференций.
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списка литературы, включающего 67 наименований. Основная часть работы изложена на 142 страницах и содержит 103 рисунка, 2 приложения.
Фазочастотные характеристики многополосных фильтров
Изменением электрической длины вх (физически /1, см. рисунок 1.12) подводящей линии передачи к отрезку связанных линий, можно регулировать степень неравномерности АЧХ в обеих полосах пропускания, а также настраивать взаимное расположение центральных частот друг относительно друга. С увеличением вх полосы пропускания фильтра смещаются вниз по частоте, при этом изменяются и ширины полос пропускания, с уменьшением - наоборот. Как показано в работе [15], АЧХ в полосах пропускания фильтра формируются изменением длины одной из пары связных линии передачи 1г. Первая мода резонатора совместно с парами связанных линий формирует первую полосу пропускания, а вторая мода -вторую полосу пропускания. Изменяя электрические длины отрезков линии передачи с разрывом на конце 6 4 (/4 на рисунок 1.12), можно настраивать расположение нулей передачи - и тем самым добиваться или максимального подавления сигнала в полосе частот задерживания, когда нули находятся близко друг к другу, или формировать более крутые АЧХ в полосах пропускания, когда нули передачи максимально разнесены.
Результат моделирования фильтра на основе кольцевого двухчастотного резонатора представлен на рисунке 1.14. Рисунок 1.14. Частотные характеристики двухполосного фильтра на основе двухчастотного кольцевого резонатора
Двухполосные фильтры на основе двухчастотного резонатора обладают рядом достоинств по сравнению с МФ на основе интегрирования двух или более фильтров. Во-первых, такие фильтры более компактны: при том же порядке фильтра они занимают меньше места на печатной плате. Во-вторых, АЧХ фильтра имеет настраиваемые нули передачи. Отношение центральных частот может быть k = f2 J fx 2 с сохранением двух нулей передачи.
Однако двухполосные фильтры на кольцевых резонаторах имеют и недостатки: трудно реализовать оптимальный алгоритм синтеза фильтра, отсутствует возможность независимой настройки центральных частот и ширин полос пропускания. К примеру, при увеличении длины отрезка связной линии передачи для настройки центральных частот полос пропускания, происходит не только изменение соотношения k = f2/fi 2, но и - изменение ширины полос пропускания, их неравномерности и крутизны спада.
Классическим решением для синтеза многополосных фильтров является использование многополосного преобразования частоты[24], позволяющего перенести комплексный коэффициент передачи фильтра-прототипа из области низких частот в область высоких частот с разделением ширины полосы фильтра прототи 22 па на отдельные полосы, каждая из которых находится на своей центральной частоте. Максимальная полоса пропускания ограничена полосой фильтра-прототипа. Эти методы возможны для цепей с сосредоточенными элементами и подробно рассмотрены в работах [17-23]. В работе [18] обсуждается техника преобразования частоты, когда в качестве фильтра прототипа используется ступенчатый од-ночастотный резонатор. На основе его топологии была построена структура многочастотного резонатора и синтезированы частотные характеристики. Недостатком метода является невозможность получения широкополосных многополосных фильтров. Данный метод синтеза многополосных фильтров успешно применяется в узкополосных системах связи.
Существуют также и другие методы синтеза многополосных фильтров. Например, много работ [25-31] посвящено разработке фильтров на основе многомо-довой теории резонаторов.
Огромное количество работ [32-43] посвящено построению двухполосных фильтров на основе ступенчатых резонаторов с контролем неравномерности в полосах пропускания фильтра, за счет включения в цепь шунтов для формирования дополнительных нулей передачи или отрезков связных линий, чтобы обеспечить высокую степень связи портов или участков цепи с каждой из полос пропускания фильтра за счет существования четных и нечетных видов колебаний.
Все рассмотренные структуры МФ обладают общими недостатками: отсутствием независимой настройки полос пропускания, большими размерами и сложными системами цепей согласования. В ряде практических случаев в этих структурах трудно обеспечить необходимое количество нулей передачи в полосах задерживания для решения современных телекоммуникационных задач. Представляется интересным совершенствование предложенных направлений путем поиска перспективных структур МФ, которые могли бы обеспечить требуемое количество нулей передачи в полосах задерживания и иметь меньшие габариты при обеспечении возможности отдельных настроек АЧХ фильтра в каждой из его полос пропускания. Поэтому, несмотря на успехи в исследованиях по методам построения МФ перечисленные выше вопросы важны для построения таких фильтрующих систем и требуют проведения дальнейших исследований. Результаты этих исследований изложены в последующих главах диссертации.
Влияние геометрии многочастотного резонатора на его рабочие характеристики
В качестве второго примера рассмотрим ФЧХ двухполосного фильтра с конечным числом реактивных элементов и с нулями передачи между полосами пропускания. Примем для упрощения выкладок, что ФНЧ фильтр-прототип имеет в логарифмическом масштабе за полосой пропускания линейно-спадающий фронт АЧХ, наклон которых определяется порядком фильтра N (характеристика Баттер-ворта).
Воспользуемся выражением ФЧХ для фильтра прототипа нижних частот N-ого порядка (2.21) полученным в параграфе 2.1, выражением для реактансного преобразования частоты в случае двухполосного фильтра (2.52) и на их основе получим ФЧХ двухполосного фильтра. Как отмечалось в разделе 2.2, чтобы получить ФЧХ многополосного фильтра во всем диапазоне частот, дробь под логарифмом в (2.20) нужно взять со знаком модуля. Опуская промежуточные выкладки, запишем выражение для ФЧХ двухполосного фильтра, полученного реактанс-ным преобразованием частоты из фильтра-прототипа с характеристикой Баттер-ворта:
Для примера на рисунках 2.18, 2.19 и 2.20 представлены графики ФЧХ и ГВЗ при разном разносе полос пропускания двухполосного фильтра друг относительно друга ( = 1.1,2,5). Порядок фильтра-прототипа выбран N = 3, а ширина полосы пропускания Af = 50 МГц, центральная частота первой полосы пропускания fr1 =500 МГц. Расположение центральной частоты второй полосы пропускания согласно (2.44) /r2 = fr1 +к-А/МГц. Для наглядности на рисунках полосы пропускания выделены цветом. Анализ характеристик показал, что, как и в случае ФЧХ двухполосного фильтра с бесконечным числом элементов, критической точкой перелома ФЧХ и ГВЗ является к = 2, когда разнос между центральными частотами равен сумме двух полос пропускания. Частоты, на которых модуль коэффициента передачи равен нулю, при различных к, сохраняются идентичным предыдущему случаю с бесконечным числом реактивных элементов и равняются Л 638МГц (k=5), ФЧХ и ГВЗ двухполосного фильтра Баттерворта 3-ого порядка при k=2 что следует из свойств реактансного преобразования частоты. Такой же переход присутствовал и в ФЧХ идеального двухполосного фильтра. Рисунок 2.20. ФЧХ и ГВЗ двухполосного фильтра Баттерворта 3-ого порядка при k=1.1 Еще одним важным фактором, влияющим на вид фазовых характеристик двухполосных фильтров, является зависимость нелинейности ФЧХ и ГВЗ от количества реактивных элементов N (порядка фильтра). Это свойство следует непосредственно из выражения (2.54). С увеличением количества реактивных элементов возрастает крутизна ФЧХ фильтра и ее нелинейность. Это в свою очередь сказывается на равномерности частотной характеристики ГВЗ.
Это свойство наглядно иллюстрируется на рисунке 2.21, где приведены характеристики ГВЗ для первой полосы пропускания двухполосового фильтра при различном количестве реактивных элементов в фильтре-прототипе.
Зависимость ГВЗ двухполосного фильтра Баттерворта в первой полосе пропускания при разном порядке фильтра прототипа N =3,6,12 и одинаковом k=1.2
Неравномерность ГВЗ растет с увеличением числа реактивных элементов и достигает своего максимального значения при Л —»оо. Тем самым получается, что необходимо подходить осторожно к выбору порядка фильтра-прототипа для многополосного фильтра, в противном случае, его фазочастотная и временная характеристики будут ограничивать его применение в широкополосных системах связи, где в качестве информационного параметра сообщения выступает фаза или частота. 2.4. Выводы по результатам исследований в главе 2
1. Получены аналитические выражения для ФЧХ нижнечастотного и высокочастотного каналов диплексера, реализованного на паре фильтров ФНЧ-ФВЧ с Кауэровской АЧХ и исследованы их частотные свойства. Показано наличие экстремума фазовой характеристики в каналах в переходной зоне, определены частота, на которой находится экстремум, и максимальное значение фазового сдвига в переходной области.
2. Выполнено сравнение характеристик ФЧХ и ГВЗ для отдельного фильтра и фильтра в составе диплексера и определены зоны их максимального различия. Эти результаты будут полезны для разработчиков диплексеров для телекоммуникационных систем. Показано, что увеличение порядка фильтров в каналах дип-лексера приводит к сужению линейной части ФЧХ в каналах и увеличению неравномерности ФЧХ в переходной зоне.
3. В общем виде решены задачи определения ФЧХ и ГВЗ в полосах пропускания многополосных фильтров с любым числом полос пропускания при Кау-эровской и Баттервортовской аппроксимации АЧХ.
4. Для предельного двухполосового фильтра с бесконечным числом реактивных элементов выполнен анализ характеристик ФЧХ и ГВЗ на всей оси частот при различном расположении полос пропускания друг относительно друга и найдены критические параметры, при которых становится заметным влияние полос пропускания друг на друга.
5. Для двухполосового фильтра с аппроксимацией АЧХ полиномами Баттер-ворта выполнен анализ искажений характеристик ФЧХ и ГВЗ при различном расположении полос пропускания друг относительно друга. Показано, что фазовые искажения в двухполосном фильтре возрастают с ростом порядка фильтра. Глава 3. Многополосные фильтры и диплексеры СВЧ
В настоящей главе рассмотрены принципы синтеза и примеры выполнения многополосных фильтров, позволяющие обеспечить электрическую развязку полос пропускания. Смежной задачей является проектирование СВЧ мультиплексе-ров, как на основе многочастотных резонаторов, так и комбинирования квазидо-полняющих фильтров ФВЧ-ФНЧ на одной печатной плате. Приводятся примеры выполнения диплексеров. 3.1 СВЧ многополосные фильтры с независимой настройкой центральных частот и полос пропускания
В данном параграфе исследуются звездообразные многочастотные резонаторы, резонансные частоты которых развязаны друг относительно друга, что является особенно удобным для разработки и изготовления на их основе многополосных фильтров. Для упрощения выкладок основные принципы построения фильтров с развязкой АЧХ рассмотрим вначале на примере двухмодового резонатора. Полученные здесь результаты далее перенесены и на резонаторы с большим числом мод.
Диплексер на четвертьволновых полосно-пропускающих фильтрах
В системах спутниковой навигации GPS, ГЛОНАСС основной проблемой, ограничивающей помехоустойчивость и точность системы, является определение времени распространения сигнала в слоях атмосферы (ионосфера), а вблизи поверхности Земли проявлением эффекта многолучевости. Спутники GPS, ГЛО-НАСС располагаются на орбитах, высота которых в апогее, примерно, 20 тысяч километров над поверхностью Земли. Для излучения сигнала на спутниках располагаются мощные передатчики, а также используются дополнительные ретрансляторы на геостационарных орбитах.
Радиосигнал, подобно свету, отражается от слоев атмосферы - мезосферы и термосферы, составляющих область ионосферы с насыщенной концентрацией заряженных частиц - электронов и ионов молекул, в основном, кислорода и азота. Под воздействием ультрафиолетового, рентгеновского, корпускулярного излучения солнца происходит ионизация газов. Наличие свободных электронов в плазме обуславливает способность к отражению коротких радиоволн. Тем самым, большая часть энергии радиосигнала, излученного спутником, отражается от слоев ионосферы и не проникает вглубь тропосферы.
Ослабленный сигнал, до того как дойти до потребителя, претерпевает еще ряд дополнительных потерь в силу распространения в воздухе в слое тропосферы, а потом у поверхности Земли. Уровень сигнала на приемной антенне аппаратуры потребителей спутниковой радионавигации едва достигает отметки -135 дБмВт. Такая мощность сигнала находится на грани чувствительности приемников общего назначения. Поэтому во все времена существования этих навигационных систем актуальной задачей является разработка входного тракта приемника, обладающего достаточной избирательностью и минимальными потерями сигнала, ибо борьба идет за каждый децибел мощности.
В данной главе будут рассматриваться примеры реализации миниатюрных частотно-разделительных устройств и фильтров, включая многополосные, для аппаратуры потребителей навигационных систем ГЛОНАСС и GPS, разработанные в процессе работы над диссертацией. Кроме схем и топологий устройств представлены также практические результаты измерения их характеристик.
Диплексеры для системы ГЛОНАСС и GPS 4.1.1. Диплексер на паре ФВЧ и ФНЧ
В главе 3 был выполнен анализ структуры, которая могла бы использоваться в качестве ФВЧ для реализации СВЧ диплексера на паре ФВЧ и ФНЧ с широкими полосами задерживания и контролируемыми нулями передачи. Рассмотренная структура совместно с результатами работы [63] позволила разработать дип-лексер, полосы пропускания и задерживания которого были выбраны так, чтобы обеспечить частотное разделение сигналов поддиапазонов L1 и L2 в приемниках навигационных систем ГЛОНАСС и GPS. Этот диплексер может быть использован и для разделения сигналов мобильной связи GSM диапазонов 900МГц и 1800МГц, то как это было показано в параграфе 3.4.3. Диплексер обеспечивает минимальные потери в полосах пропускания (менее 1дБ) и высокую развязку в полосах задерживания (не менее -25дБ) при минимальных габаритах и реализации для монтажа по SMD технологиям. Топология диплексера представлена на рисунке 4.1
Топология диплексера для систем GPS и ГЛОНАСС Порт 1 является общим (входным), фильтр нижних частот с выходным портом 2 с разомкнутым отрезком линии передачи для пропускания сигнала диапазо 119 на L2 находится слева от вертикальной оси симметрии диплексера, а фильтр высоких частот с выходным портом 3 и короткозамкнутым отрезком микорополо-сковой линии для пропускания сигнала диапазона L1, соответственно справа. Структура ФНЧ соответствует рисунку 3.30, в ФВЧ рисунку 3.31. Такой диплек-сер был выполнен по толстопленочной технологии на керамической подложке с є = 80 и тангенсом угла потерь tanS = 0.005 формированием структуры проводников с помощью лазера. В качестве материала проводника использовалось серебро. Конструкция диплексера была реализована для монтажа с помощью SMD технологий и имеет выводы портов на нижней стороне подложки.
Расчетные (сплошные линии) и экспериментальные (точки) частотные характеристики каналов диплексера хорошо совпадают. Развязка между каналами на частотах L1 и L2 составляет примерно 30 дБ, рассогласование не превышает КСВН = 2, а потери внутри полос пропускания менее 2 дБ. Габариты устройства 10.3 15.8 0.5 мм3. Для задач приема сигнала GPS/ГЛОНАСС технические характеристики диплексера вполне приемлемые.
Диплексер на четвертьволновых полосно-пропускающих фильтрах В основу этого частотно-разделительного устройства были положены ППФ на диапазона L1 и L2, реализованные на паре четвертьволновых ступенчатых резонаторов. Топология одного из фильтров показана на рисунке 4.4. Фильтры диапазонов L1 и L2 имеют одинаковую структуру, но отличаются размерами.
