Сверхширокополосные планарные СВЧ фильтры и антенны Русаков Александр Сергеевич

Введение к работе

Актуальность темы исследования.

Понятие спектра сверхширокополосного (СШП) сигнала было введено с развитием СШП радиолокации. Определение СШП сигнала дано в 1980-х годах и, в частности, количественно определено отношением f/f₀ 1, где f – ширина спектра, f₀ – средняя частота, что означает, что для сверхширокополосного сигнала ширина спектра сопоставима с его средней (несущей) частотой. Неотъемлемыми составляющими систем СШП радиолокации и СШП радиосвязи являются сверхширокополосные фильтры и антенны СВЧ.

К СШП фильтрам в составе системы СШП радиосвязи предъявляются требования: малые вносимые потери, высокая частотная избирательность, постоянство групповой задержки, а также малые габариты и низкая стоимость. Требования, предъявляемые к СШП антеннам в составе системы СШП радиосвязи в рабочей полосе частот: постоянство входного импеданса (согласование), постоянство диаграммы направленности, высокий КПД, а также частотное подавление нежелательного сигнала.

Выполнение этих требований может быть обеспечено путем использования предложенных в данной работе новых методик проектирования, а также применения уникальных схемных и топологических решений, реализуемых с применением прогрессивной многослойной технологии. Решение проблем, связанных с выполнением вышеперечисленных требований, обусловливает актуальность настоящей работы.

Целью работы является исследование и разработка планарных СВЧ полосно-пропускающих фильтров и антенн, работающих в сверхширокой полосе частот, предназначенных для применения в системах сверхширокополосной радиосвязи.

Большинство СШП фильтров и антенн в данной работе разработаны для их применения в системе беспроводной радиосвязи «UWB», для безлицензионного использования которой в Российской Федерации выделен диапазон 2,85-10,6 ГГц, в США 3,1-10,6 ГГц, в ЕС 6-8,5 ГГц.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Сравнительный анализ методов синтеза СШП ППФ и разработка оригинального метода синтеза фильтров.

2. Повышение избирательности СШП ППФ.

3. Анализ различных методов реализации полос запирания СШП антенн и разработка оригинального метода реализации полос запирания.

4. Анализ существующих способов перестройки полосы запирания СШП антенн и исследование нового способа перестройки полосы запирания.

Методы исследования.

5. Теоретические: методы теории электрических цепей, метод синфазно-противофазного возбуждения, численные методы электродинамического моделирования.

6. Экспериментальные: измерения амплитудно-частотных характеристик устройств СВЧ, измерения диаграмм направленности СВЧ антенн.

Положения, выносимые на защиту:

1. В основе предложенного метода синтеза сверхширокополосного (СШП) полосно-

пропускающего фильтра (ППФ) лежит использование симметричной ячейки композитной линии передачи (КЛП), состоящей из LC-элементов искусственной линии с положительной дисперсией (ЛПД) и линии с отрицательной дисперсией (ЛОД), все

элементы которой однозначно находятся из системы уравнений для частот среза ЛПД и ЛОД в составе КЛП в режиме баланса и равных волновых сопротивлений ЛПД и ЛОД.

2. Улучшение избирательности СШП ППФ на основе КЛП достигается добавлением реактивной связи в виде ячейки ЛОД между входом и выходом фильтра, что обеспечивает появление дополнительных нулей передаточной характеристики в полосе заграждения, а также дополнительного полюса в полосе пропускания.

3. Включение в состав СШП монопольной антенны многомодового планарного электрического кольцевого резонатора (ЭКР), полученного путем вложения нескольких кольцевых резонаторов различных размеров друг в друга, позволяет реализовать две, три или более полос запирания в рабочей полосе частот антенны, в зависимости от числа вложенных резонаторов, причем центральная частота полос запирания определяется геометрией планарного конденсатора ЭКР и колец, на которые он нагружен.

4. Использование конденсатора с переменной емкостью в качестве емкостного элемента многомодового ЭКР, включенного в состав СШП монопольной антенны, позволяет осуществить перестройку первой низкочастотной полосы запирания антенны за счет перестройки частоты низшей моды резонатора, соответствующей параллельному соединению конденсатора ЭКР и внутреннего кольца структуры, а резонансные частоты высших мод и соответствующие им полосы запирания антенны при этом не испытывают возмущения.

Научная новизна.

1. Разработан метод синтеза СШП ППФ, отличающийся тем, что в качестве фильтра используется симметричная ячейка КЛП, состоящая из LC-элементов искусственной ЛПД и ЛОД, все элементы которой однозначно находятся из системы уравнений для частот среза ЛПД и ЛОД в составе КЛП в режиме баланса и равных волновых сопротивлений ЛПД и ЛОД.

2. Предложен метод повышения избирательности СШП ППФ на основе КЛП, отличающийся тем, что добавляется реактивная связь в виде ячейки ЛОД между входом и выходом фильтра, приводящая к появлению двух нулей передаточной характеристики в полосе заграждения, а также дополнительного полюса в полосе пропускания.

3. Разработаны и экспериментально исследованы СШП ППФ на основе предложенного метода синтеза фильтров с применением оригинального метода повышения избирательности за счет включения дополнительной связи между входом и выходом в виде ячейки ЛОД.

4. Исследован способ реализации полосы запирания СШП монопольной антенны за счет включения в нее планарного ЭКР, выполненного в виде кольца и емкостного элемента, соединенных параллельно. Центральная частота полосы запирания антенны определяется геометрическими размерами ЭКР.

5. Исследована возможность и предложен метод реализации нескольких полос запирания СШП монопольной антенны за счет включения в нее многомодового планарного ЭКР, реализуемого путем вложения нескольких кольцевых резонаторов различных размеров друг в друга. Центральные частоты полос запирания определяются геометрическими размерами планарного конденсатора ЭКР и колец, на которые он нагружен.

6. Разработаны и экспериментально исследованы СШП монопольные антенны с одной и несколькими полосами запирания на основе предложенного способа реализации полос запирания антенны.

7. Исследованы способы перестройки центральной частоты полосы запирания СШП монопольной антенны. Предложен способ перестройки первой низкочастотной полосы запирания антенны путем использования конденсатора с переменной емкостью в качестве емкостного элемента многомодового ЭКР в составе антенны.

8. Выполнен анализ перестройки следующих за первой высокочастотных полос запирания СШП монопольной антенны с несколькими полосами запирания путем включения пары конденсаторов с переменной емкостью в структуру резонатора в составе антенны между точками максимального напряжения в соседних кольцах резонаторов, соответствующих выбранной моде многомодового ЭКР.

9. Предложен способ перестройки ширины полосы запирания СШП монопольной антенны путем использования каскадного включения двух ЭКР, каждый из которых в своем составе имеет конденсатор с переменной емкостью в качестве емкостного элемента структуры, причем изменением каждой из емкостей обеспечивается управление и центральной частотой, и шириной полосы запирания.

Степень достоверности полученных результатов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается результатами

электродинамического моделирования и экспериментального исследования. Полученные результаты не противоречат известным данным, описанным в литературе другими авторами.

Практическая значимость работы.

Предложенные в работе новые методики проектирования СШП фильтров и антенн могут быть использованы для разработки устройств, предназначенных для их применения в системах сверхширокополосной беспроводной радиосвязи. Предложенная в работе конструкция СШП антенны с полосой запирания защищена патентом на полезную модель.

Апробация.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и российских конференциях: International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (METAMATERIALS) – 2010, Karlsruhe, Germany; 2011, Barcelona, Spain; 2012, Saint Petersburg, Russia; European Microwave Conference (EuMC) – 2011, Manchester, UK; 2013, Nuremberg, Germany; International Conference of Young Scientists and Specialists (Optics) – 2011, Saint Petersburg, Russia; Всероссийская конференция «Электроника и микроэлектроника СВЧ» – 2012, 2015, Санкт-Петербург, Россия; International Conference on Computer as a Tool (EUROCON) – 2013, Zagreb, Croatia; Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS) – 2013, Stockholm, Sweden; 2014, Guangzhou, China; International Conference on Telecommunication in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Services (TELSIKS) – 2013, Nis, Serbia; Mediterranean Microwave Symposium (MMS) – 2014, Marrakech, Morocco; International Scientific Symposium “Sense. Enable. SPITSE.”– 2015, Saint Petersburg, Russia; International Conference “Days on Diffraction” (DD) – 2016, Saint Petersburg, Russia.

Публикации.

Основные результаты по теме диссертации изложены в 20 печатных изданиях, среди которых 2 статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, 1 глава в

монографии,1 патент на полезную модель и 16 публикаций в других изданиях и сборниках материалов международных научных конференций. Доклады были представлены и получили одобрение на 15 вышеперечисленных международных и российских научных и научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами, заключения и списка литературы. Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 104 рисунка и список литературы из 53 наименований.