Введение к работе
_ Актуальность диссертации. Устройства частотной селекции — фильтры, являются, необходимыми функциональными компонентами любой радиоэлектронной аппаратуры. Количество фильтров применяемых в одном устройстве, во многих случаях более одного. Фильтры, формирующие передаточные' характеристики трактов радиотехнической , аппаратуры, — неотъемлемая часть активных цепей — генераторов, усилителей мощности, смесителей, частотных преобразователей и синтезаторов. Они выполняют также функции канальных разделителей и мультиплексоров, имеют чрезвычайно широкое применение в аппаратуре самого разнообразного назначения. ,
В области сверхвысоких частот (СВЧ), первые громоздкие конструкции фильтров были реализованы на основе волноводов [1]. Следующим этапом развития, стала реализация устройств на основе интегральных схем (ИС) СВЧ, имеющих ряд важных преимуществ: малые габариты и масса; высокие компоновочные возможности; дешевизна и повышенная надежность; простота технологии изготовления [2]. Однако решение проблемы комплексной микроминиатюризации СВЧ устройств во многом сдерживается сложностью реализации высокоэффективных устройств частотной- селекции. Вследствие сравнительно низкой собственной добротности резонаторов, выполненных на базе интегральных линий передачи, для фильтров с различными типами амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) существует некоторая предельная избирательность, которая не может быть повышена путем увеличения числа резонаторов больше некоторого [3].
Новые возможности в плане улучшения характеристик фильтров дает переход от пленарных ИС к объемным интегральным схемам (ОИС) [4, 5]. При этом достигнут качественный скачок в уменьшении габаритов и массы — почти на два порядка, в увеличении быстродействия — на один порядок [6].
Среди устройств частотной селекции, фильтры с эллиптической и квазиэллиптической характеристикой сочетают повышенную избирательность и минимальные потери в полосе пропускания [7]. Это обеспечивается формированием в этих устройствах полюсов затухания на конечных частотах, в результате чего заданные требования по избирательности могут быть реализованы при минимальном числе резонаторов. Известно несколько способов реализации таких" структур: двухмодовые ^ волноводные фильтры с диэлектрическими резонаторами и запредельными связями; фильтры шлейфного типа;, фильтры на . системе связанных линий передачи с распространяющимися волнами, имеющими разные фазовые скорости; фильтры с
несколькими путями передачи мощности; фильтры с перекрестными связями по
электромагнитному полю. Однако каждому из этих способов реализации присущи свои
физические и конструктивно-технологические ограничения в расположении полюсов
затухания относительно полосы пропускания, что существенно снижает предельную
частотную избирательность таких фильтров. ' . '
Поэтому поиск рациональных схемотехнических решений интегральных фильтров выполненных на ОИС и ИС, обладающих повышенной предельной избирательностью при ограниченной добротности резонаторов представляет значительный практический интерес.
Целью диссертации является разработка малогабаритного узкополосного фильтра с
повышенной селективностью, на основе полосковой линии передачи с ограниченной
шириной диэлектрика для объемных интегральных схем СВЧ.
> <
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Рассмотреть основные характеристики и требования предъявляемые к полосовым фильтрам СВЧ. Рассмотреть принципы построения интегральных фильтров и провести анализ связей в частотно-избирательных структурах, с целью выяснения всех факторов оказывающих непосредственное влияние на проектирование, варьируя которыми можно создать фильтр с предельно возможными характеристиками.
-
Разработать конструкцию узкополосного фильтра и описать' принцип работы. Построить .физическую модель фильтра. Провести анализ и синтез его структуры для создания методики расчета в целом, которая позволит приступить к практической реализации предложенного фильтра.
-
Провести теоретические и экспериментальные исследования базовых элементов. .Провести экспериментальные исследования структуры электрического поля в прямоугольном резонаторе для выяснения особенностей его распространения.
-
Исследовать частотные характеристики макета узкополосного фильтра. Рассмотреть конструкторско-технологические приемы изготовления. Исследовать традиционные методы настройки фильтра и дать рекомендации по их применению, предложить новые методы настройки фильтра.
Научная новизна диссертации заключается в следующем: . Предложена модель нового фильтра, проведен её анализ и синтез, и на их основе создана методики расчета в целом.
Проведены теоретические и экспериментальные исследования линии передачи с шириной диэлектрика соизмеримой с шириной металлизации, предложена методика расчета такой структуры и рассчитаны её основные параметры.
Разработана конструкция полосно-пропускающего узкополосного фильтра на
основе линии передачи с шириной диэлектрика, соизмеримой с шириной металлизации.
Практическая Ценность. Результаты исследований позволили:
предложить конструкцию полосно-пропускающего узкополосного фильтра СВЧ с квазиэллиптической характеристикой," с более высокими электродинамическими параметрами и малыми габаритами, которые недостижимы в традиционных микрополосковых фильтрах;
создать модель миниатюрного полосового фильтра и' методику расчета в целом, которые позволили приступить к практической реализации разработанного фильтра;
. предложить методику расчета линии передачи с шігриной диэлектрика соизмеримой с шириной металлизации и рассчитать её основные параметры, с помощью которого возможен расчет топологии таких линий передачи;
наметить перспективы развития полосковой линии передачи с диэлектриком ограниченной ширины и предложить новые конструкции фильтров СВЧ на её основе;
создать высоко-добротный полосно-пропускаюший узкополосный фильтр СВЧ с квазиэллиптической характеристикой и малыми' габаритами, применение которого в устройствах связи позволит повысить пропускную способность и уменьшить затраты на производство таких устройств.
Достоверность результатов. Все научные выводы, полученные в диссертации, подтверждены теоретически и экспериментально. Теоретические результаты получены .хорошо зарекомендовавшими себя методами. К ним относится электродинамический метод Галеркина и теория цепей. Научные положения диссертации аргументированы, теоретические результаты работы ' подтверждены проведенными экспериментальными исследованиями. Полученные в процессе экспериментальных исследований данные, имеют точность порядка 10%, что позволяет говорить, об их достаточной достоверности. Основные положения, выносимые на зашиту: 1. Физическая модель нового миниатюрного узкополосного фильтра; 2..Электродинамическая модель неоднородности полосковой линии передачи с диэлектриком ограниченной ширины, а также экспериментальные исследования связей между базовыми элементами; 3. Конструкция полосно-пропускающего узкополосного фильтра и ' её' экспериментальные исследования.
Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на следующих
конференциях: '
V Международная научно-техническая конференция: "Математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации на объемных интегральных схемах (ОИС) СВЧ иКВЧ". (Сергиев Посад, 1995г.);
LII Научная сессия, посвященная дню радио. (Москва, 1997г.);
8-я Международная крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". (Севастополь, 1998г.);
Международная научно-техническая конференция и Российская школа молодых ученых и специалистов. (Сочи, 1998г.).
Материалы диссертации вошли: .
в научную работу, получившую диплом по итогам открытого конкурса 1995г. на
лучшую работу молодых ученых и студентов по естественным, техническим и
, гуманитарным наукам в ВУЗах Российской Федерации;
в научно-технический отчет "Миниатюрный полосовой фильтр для объемных
интегральных схем СВЧ" Гос.рег. Ха02970004269, 1997.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано' шесть печатных работ в том числе в центральном издании "Радиотехника".
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из предисловия, введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 90 наименований и приложения с актами внедрения. Общий объем диссертации составляет 127 страниц, Из них — 40 страниц рисунки, графики и таблицы.