Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время широкое применение в технике СВЧ находят гибридные, монолитные и объемные интегральные схемы(ИС), что явилось результатом широкомасштабных исследований в области создания принципиально новых технологий, активных твердотельных элементов, интегральных линий передачи различных типов и их комбинаций, а также методов автоматизированного проектирования с применением строгих электродинамических моделей.
Однако решение проблемы комплексной микроминиатюризации СВЧ устройств во многом сдерживается слокностьл реализации в интегральном исполнении высокоэффективных пассивных устройств различного функционального назначения и прежде всего устройств частотной селекции. Как известно, среди устройств частотной селекции, обладающих различными типами АЧХ, фильтры с эллиптическими, квази- и псевдоэллиптическими характеристиками сочетают повышенную; избирательность к минимальные потери в полосе пропускания. 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. В базисе цепей с распределенными параметрами известно несколько способов физической осуществимости_ таких устройств на основе использования:
лестничных СВЧ цепей в виде шлейфных структур, синтез которых в базисе однотипных линий передачи достигается введением дополнительных инверторов сопротивлений на основе преобразования Куроды;
структур с несколькими путями передачи энергии;
несоразмерных СВЧ цепей, принцип действия которых основан
на эффекте неравенства фазовых скоростей нормальных волн в многопроводных системах связанных лилий с неоднородным магнитодиэлект-риком;
- объемных(многослойных) структур на основе комбинации различных типов линий передачи.
Однако каждому из этих способов реализации присущи свои физические и конструктиЕНО-тэхнологическяе ограничения в произвольном расположении полюсое затухания относительно полосы пропускания, что существенно снижает предельную частотную избирательность таких фильтров.
Представляется, что использование сочетания свойств несоразмерных СВЧ цепей и комбинации различных типов линий передачи позволит снять конструктивно-технологические ограничения в создании высокоизбирательных фильтров. Однако вопрос об эффективности этого подхода остается открытым, так как не развиты принципы построения, а также отсутствуют методы структурного и параметрического синтеза, которые позволили бы разработать новый тип фильтров, обладающих более высокими потенциальными возможностями.
Целью диссертационной работы является дальнейшее развитие принципов построения и синтез интегральных фильтров СВЧ с полюсами затухания на конечных частотах в базисе несоразмерных СВЧ цепей на основе комбинации различных типов полосковых линий передачи.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следу-
щиэ задачи:
-
Теоретически обосновать принцип построения фильтров СВЧ с полюсами затухания на конечных частотах в базисе комбинации связанных микрополосковых и симметричных щелевых линий(СМШ и СЩЯ).
-
Разработать, используя лестничные прототипы, метод структурного синтеза новых базовых элементов полосковых фильтров с
различными наперед заданными( эллиптическими и квази-эллиптичес-кими АЧХ) свойствами, реализуемых в базисе несоразмерных СВЧ цепей на основе комбинации различных типов линий передачи.
-
Определить конструктивные и схемотехнические способы управления частотными свойствами базовых элементов, в том числе способы компенсации влияния дисперсии, элементов согласования и эффекта неравных фазовых скоростей нормальных волн.
-
Предложить в базисе несоразмерных СВЧ цепей на основе комбинации различных типов линий передачи новые схемотехнические решения высокоизбирательных полосно-пропусквщих и полосно-заг-раждаюших фильтров, фильтров нижних и верхних частот с полюсами затухания на конечных частотах, которые по совокупности параметров превосходили бы известные микрополосковыэ аналоги.
-
Разработать методы параметрического синтеза (с применением преобразования Ричардса и приближенного) фильтров на основе комбинации связанных микрополосковых и щелевых линий передачи и провести параметрический синтез фильтров с учетом условий их физической осуществимости.
Методы исследования. Для реализаций перечисленных задач в диссертационной работе используются методы синтеза электрических фильтров по рабочим параметрам, теория матричного анализа, методы анализа и синтеза СВЧ устройств, методы численного моделирования и оптимизации с применением компьютера.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1. Теоретически обоснована целесообразность использования волновых и конструктивно-технологических Особенностей комбинации связанных микрополосковых и щелевой линий передачи и на этой основе развит принцип построения фильтров с полюсами затухания на
конечных частотах. 3»
-&-
2. Разработан метод структурного синтеза базовых элементов несоразмерных СВЧ цепей, позволивший на основе лестничных прототипов выявить и каталогизировать новые рациональные схемотехнические решения в базисе комбинации различных линий передачи, в которых положительно проявляются волновые и конструктивно-технологические особенности комбинации СЩЛ и СМШГ и которые обладают заданными амплитудно-частотными характеристиками и отличаются компактностью и более высокими потенциальными возможностями по сравнению с традиционными схемами.
3.Определены механизмы управления частотными свойствами канонических секций фильтров на основе полосково-щелевых структур, а также методы компенсации влияния дисперсии в СЩЛ, элементов согласования и эффекта неравенства фаговых скоростей нормальных волн в связанных МПЛ. Показано, что компенсация отмеченных выше факторов как в канонических секциях, так и фильтрах высоких порядков достигается введением скачка волновых сопротивлений линий передачи, образующих соответствующие елемента(резонаторы) схемы.
-
На основе синтезированных базовых элементов предложен новый тип высокоизбирательных полосно-пропуекающих фильтров на основе комбинаций СМПЛ и СЩЛ высоких порядков с полюсами затухания на конечных частотах.
-
Разработаны, исходя из низкочастотных лестничных прототипов, методы параметрического синтеза эллиптических фильтров, которые позволяют проектировать их с учетом условий физической осуществимости в базисе комбинации различных типов интегральных линий передачи.
Практическая ценность заключается в разработке новых базовых элементов на основе комбинации СМПЛ и СЩЛ и соодаяии на их основе микрополосковых фильтров с более высокими предельными электрическими параметрами, которые недостижимы в
традиционных микрополосковых фильтрах. Это позволяет более полно решать проблему комплексной микроминиатюризации устройств СВЧ.
Разработанный метод позволяет осуществить синтез высокоизОи-рателышх полосно-пропускащих фильтров высокого порядка с учетом условий их физической реализуемости в базисе различных типов линий передачи, т. е. создавать объемные интегральные структуры фильтров. В диссертации содержатся необходимые данные, практические рекомендации, табулированные значения и программа по разработке этих фильтров.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Развитый принцип построения микрополосковых фильтров, заключащийся в рациональном использовании волновых и конструктивно-технологических особенностей комбинации щелевой и связанных микрополосковых линий передачи, позволяет выявить ранее не реализованный запас потенциальных возможностей переходов между микро-полосковой и симметричной щелевой линиями и создать на этой основе новый тип фильтров с параметрами, практически недостижимыми при использовании традиционных принципов построения.
-
Разработанный метод структурного синтеза на основе использования комбинации различных типов линий передачи позволяет осуществлять поиск рациональных схемотехнических решений фильтров в базисе объемных интегральных схем СВЧ диапазона.
-
Синтезированные несоразмерные СБ'і цепи на основе использования комбинации связанных микрополосковых и симметричной щелевой линий составляют основу компактных высокоизбирательных полосно-пропускащих и полосно-заграядакщих микрополосковых фильтров, фильтров никних и верхних частот, которые по совокупности параметров превосходят традиционные микрополосковые решения.
-
Компенсация негативного влияния на рабочее затухание эллиптических фильтров на основе комбинации связанных микрополоско-
вых и симметричной щелевой линий их волновых особенностей достигается введением скачка волновых сопротивлений на участке длины резонаторов.
5. Разработанный метод параметрического синтеза несоразмерных цепей, основанный на установлении эквивалентности параметров элементов соразмерной и несоразмерной цепей на конечных частотах в их полосах пропускания и в переходных областях рабочего затухания; позволяет осуществлять синтез этих цепей с учетом волновых особенностей линий передачи и условий физической осуществимости структур.
Реализация результатов. Основные результаты исследования, изложенные в диссертационной работе, использованы в учебном процессе МТУСИ и научно-исследовательских работах, проводимых НИЛ-ЗЭ ЫТУСИ.
Личный вклад автора. Все основные научные результаты, излокенные в диссертациоішой работе, получены автором лично.
Апробация результатов работы проведена в процессе выступлений автора на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУОИ в 1993 и 1994гг.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отразэны в 2 научных статьях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 103 наименований и приложения. Она содержит 106 стр. машинописного текста, 62 рисунков и таблиц на 56 стр. и приложение на 15 стр. Общий объем работы 177 стр.
