Введение к работе
.Актуальность работы. Возрастающие потребности общества в средствах обработки информации определили исключительно высокие темпы развития техники связи на сверхвысоких частотах (СВЧ). При этом сложность реааешх системами радиосвязи задач приводит к необходимости применения интегральных устройств СЕЧ с предельно возможными параметрами и высокой степенью интеграции. Успешное решение этой проблеми во многом определяется ВОЗМОЖНОСТЯМ интегральной реализации пассивных устройств частотной селекции, так как фильтры е настоящее Еремя занимают значительную часть объема СВЧ блоков радиоэлектронных срелств ггзличного назначеній, й этой связи возникают задачи создания миниатюрных пассивных устройств частотной селекции УВЧ и СВЧ диапазонов с повышенной избирательностью.
Среди известных фильтроЕ наиболее технологичными, компактными и е большей степени совместимыми с гибридными к монолитными интегральными схемами (ИС) СВЧ яеляются микрополоскоЕые фильтры !ШФ), использование которых в принципе позволило бы создавать полностью интегральные модули СЕЧ трактов аппаратуры связи. Однако микропо-лоскоезя тзеализация устройств частотной селекции обусловливает в них, как известно, целый ряд характерных конструктиЕно-технологи-чееких и волновых особенностей, среда которых в первую очередь следует отметить сложность достижения в пленарных структурах высоких значений коэффициента электромагнитной связи между линиями, различие фазовых скоростей нормальных волн в многонроводных структурах
С НеОДНОрОДШМ МЗГНИТОДИЭЛеКТрИКОМ, ЕОЗбуЗДеНИе ВОЛН ЕЫСШИХ типов
и сравнительно большие потери в микрополосковых линиях (МЕЯ). Эти особенности существенно сникают предельную частотную избирательность традиционных МПФ, базирующихся нз традиционном подходе - поэлементной замене в известных цолооковых фильтрах полсскоеых линий на >ЯТЛ. Поэтому постоянная тенденция к повышению функциональной сложности и степени интеграции устройств СВЧ обусловила необходимость поиска других принципов построения МПФ на основе рационального использования еолновых особенностей микрополосковой реализации линий передачи. Именно такой подход привел к разработке принципиальна новых элементов и устройств СВЧ на основе целенаправленного использования неравенства фазовых скоростей нормальных волн в
многопроводных системах, что открыло новые возможности в создании более компактных высокоизбирательных полосю-пропускаювдх фильтров. Эти ШФ относятся к устройствам на основе несоразмерных СЗВЧ цепей, эквивалентные отрезки линий передачи которых имеют разные электрические длины, и обладают повышенной избирательностью за счет формирования полюсов затухания на конечних частотах вблизи полосы пропускания. Использование таких устройств частотной селекции не требует усложнения конструкции МИФ и технологии их изготовления, а приводит только к использованию других схемотехнических решений. Однако ранее проведенные исследования в области создания МПФ этого типа были ограничены только полоснэ-продускящими (ПП) фильтрами. Учитывая высокие потенциальные возможности несоразмерных распределенных СЗЧ цепей, представляет практический интерес обобщение этого полхода и поиск, рациональных схемотехнических решений других типов высокоизбирательных фильтров, работающих на этом эффекте, а также поиск механизмов управления частотными свойствами несоразмерных интегральных цепей СВЧ с целью реализации заданных требований, предъявляелшх к устройствам частотной' селекции.
Это направление исследований нашло отражение в решениях директивных органов, е целевых программах АН СССР по проблеме "Физическая электроника" ("Твердотельная электроника"), а также в плане важнейших работ вузов страны по фундаментальным проблемам микроэлектроники (ПВР-ЭО) Проблемного совета по микроэлектронике, что подтверждает актуальность теш диссертационной работы. Цель, и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка принципов схемотехники, методов анализа и синтеза различных типов высокоизбирательных микрополосковнх фильтров на основе несоразмерных СВЧ цепей, а также оценка их потенциальных селективных возможностей и создание новых устройств частотной селекции различного типа на основе предложенных структур для средств радиосвязи.
В соответствии с поставленной целью / в диссертации решаются
следующие задачи го теоретическому исследованию и практической
реализации высокоизбирательных МПФ на основе несоразмерных СВЧ це
пей : *
1. Обоснование процедуры поиска и анализа рациональных схемотехнических -решений Еысокоизбирательных МПФ в .базисе не соразмерных
СВЧ цепей.
-
Разработка новых схемотехнических .решении высокоизоиратель-ных (ШІ) и режекторных фильтров (РФ) , фильтров нижних и Еерхних частот (ФНЧ и ФВЧ), переходов с МШІ на целевую линию.(ЩЛ) передачи, а также корректоров группового времени запаздывания (ГВЗ).
-
Анализ потенциальных селективных возможностей канонических секций предлагаемых структур ШКВ на основе несоразмерных СВЧ цепей и оценка влияния технологических допусков на их параметры, а тайке анализ достигаемых параметров самих фильтров.
-
Разработка эквивалентных схем предлагаемых MDS и методов синтеза некоторых типов фильтров на основе несоразмерных СВЧ цепей.
-
практическая реализация ЫШ для спутниковых л радиорелейных систем связи и их экспериментальные исследования с цельв проверки теоретических положений и выводов диссертации.
Методы исследования. Для решения перечисленных выше задач используются метода теории линейных электрических цепей, с сосредоточенными и распределенными параметрами, теория матриц, .метода машинного расчета, программирования и моделирования электрических цепей и микроголосковых структур, а также методы теории фильтров. Для подтверждения полученных.теоретических результатов применяется натурный эксперимент.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложена процедура структурного синтеза канонических секций высокоизбирательных фильтров в базисе несоразмерных СВЧ цепей, представлявдая собой совокупность последовательных, преобразований мостовых уравновешенных прототипов и определение условий их соответствия с эквивалентным модовым представлением симметричных по-лосковых структур, которая позволила определить пути совершенствования различных типов фильтров, в результате чего разработаны принципа построения и схемные решения новых компактных высокоизбирательных МІЇ5, 16 из которых признаны изобретениями и защищены авторскими свидетельствами (а.с.) СССР, "а на 3 получены положительные решения о выдаче а. с. на изобретения.
-
Определены механизмы управления частотными свойствами канонических секций Ш3> на основе несоразмерных СВЧ цепей за счет использования связанных нерегу-лярных ШЛ, полосхово-щвлевнх структур, а также включения в них элементов с сосредоточенными параметрами.
-
Произведена оценка предельных параметров, которые можно полущіть е предлагаемых структурах канонических секций на основе несоразмерных СВЧ цепей, и рассмотрено влияние на эти параметры технологических допусков на изготовление. Показаны более высокие потенциальные возможности предлагаемых структур по сравнению с традиционными,' что позволило снять технологические ограничения на реализацию высокоизбирательных МПФ с произвольным' расположением полюсов затухания 'относительно полосы пропускания и с различными ширинами полос пропускания и заграждения.
-
Проведены' лссдедования амплитуднс- и фазочастотних характеристик' (АЧХ.я'ФЧХ) ПИ МИФ на ссноеє несоразмерных СЕЧ цепей и на традиционных структурах, рассмотрено елияниє трансформатора сопротивлений на АЧХ И ФЧХ. МПФ. Показана возможность форшіроЕания в предлагаемых КПФ различных тише АЧХ,. а также возможность реализации на- основа зтих структур .узкополосных корректоров .ГВЗ.
-
Разработана методы синтеза эллиптических ФНЧ и ФВЧ и методика расчета ПП МПФ' с полюсмш затухания на конечных частотах на основе решетчатых секций (PC) на связанных ступенчатых МПЛ.
II р а к.т ячеек, а я ценность работы состоит в следующем: ....
. 1. Содержатся необходимые данные, принципиальные схемы и прак
тические, рекомендации по разработке различных типов высокоизбира
тельных МПФ, превосходящих по совокупности параметров известные
ЫПФ. "-'.',' '
2. Изложен-методсинтеза', эллиптических ФНЧ и ФВЧ, основанный на использовании проуотипа ва сосредоточенных элементах, и способ расчета ЦП фильтров на. основе сонапрааленных.шпилечных резонаторов (СШР) и та подсЛшх на основе связанных ступенчатых МПЛ, базирующийся на известной методике для МПФ такого типа с однородными связанными линияш." "
3. Созданы-макету компактных" высокоизбирательных МПФ для радио
релейных и -спутниковых' средств связи, превосходящие по совокупнос
ти параметров известные ВДр.
4, проведен'сравнительный анализ предложенных типов МПФ и МПФ
на традиционных структурах, на осноеє которого даны рекомендации к
области применения предложенных схем.
- Л и ч н и и в к л а д. Все.основные теоретические результаты, изложенные в диссертационной работе, получены автором лично.
Основные положения, выносимые на
защиту.
-
Структурный синтез, представлявший собой процедуру . последовательного преобразования уравновешенных мостоеых прототипов на элементах с сосредоточенными параметрами и определение условий их соответствия с эквивалентным модоеым представлением физически реализуемых симметричных структур на связанных МГОГ, служит осноеой поиска схемотехнических решений высокоизбирательных ШФ различных типов с полюсами затухания на хонечных частотах в базисе несоразмерных СВЧ цепей.
-
Уменьшение длины области сеязи в структурах решетчатого и гребенчатого типа приводит к - расширении полосы пропускания без ухудшения характеристического коэффициента прямоугольности псевдоэллиптической АЧХ, что позволяет управлять рабочими характеристиками высокоизбирателышх МИФ и уменьшать их габариты.
-
Несоразмерные цепи СВЧ на основе симметричных структур на нерегулярных связанных МПЛ с однотипными краевыми условиями на их концах и сочетание таких структур с поперечными симметричными ЩЛ и элементами с сосредоточенными параметрами составляют основу элементного базисз компактных высокоизбирательных ПП МГН> и режектор-ных фильтров, ФНЧ и ФВЧ, а такке переходов с МПЛ на ЩЛ и корректоров ГВЗ, улучшенные характеристики которых достигаются за счет формирования полюсов затухания на конечных частотах вблизи полосы пропускания и возможности интеграции в одном элементе нескольких функций, и позволяют снять технологические ограничения на реализацию Еысокоизбирательных МПФ.
Внедрение результатов работы. Проведенные исследования являются частью хоздоговорных НИР,- выполненных на кафедре микроэлектроники и КЭРА Московского института связи по решению директивных органов, в рамках целевых программ АН СССР по проблемам "Физическая электроника" ("ТЕердотельная электроника''), а также в рамках плана ПВР-ЭО Проблемного совета по микроэлектронике. Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы использованы и внедрены рядом предприятий в НИР и ОКР, а такке в учебном процессе МИС, что шдтверадается соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсудцены и получили положительную оценку на следущих
конференциях и семинарах:
XIII и XXIY Всесоюзные научные сессии, пб'свящешые Дню радио.-Москеэ, )987, 1989; XII Всесоюзная научная конференция по микроэлектронике.- Тбилиси, 1987; Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников научно- исследо-вате ль ской части и аспирантов ШС. -Москва, 1986,1987,1990,1991; Научно-технические конференции молодых ученых и специалистов НИИР-, - Москеэ, 1986-1983; Научно-техническая конференция "Проблемы ма-тематичзского моделирования и реализации радиоэлектронных систем СВЧ на объемных интегральных схемах (ОИС).-Москва, 1987; Межвузовская научно-практическая конференция "Интегральные волноводные и полосковне СВЧ элементы систем связи".- Куйбышев,1987; Всесоюзная научно-техническая конференция "Современные проблемы радиоэлектроники".- Москва, 1988; Научно-техническая конференция ' "Современная радиоприемная и усилительная аппаратура".- Москва, 1989; III Научно-техническая конференция "Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных систем СВЧ на объемных интегральных схемах (ОИС )'1-Суздаль, 1989; Всесоюзная научно-техническая конференция "Интегральные информационные системы".-Москва,1989; Научно-техническая конференция "Элементы и узлы современной прие-моусилительной аппаратуры".-Москва,1990.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 28 работ, из них 4 статьи и 15 авторских свидетельств на изобретение. Кроме того, получено 3 полокительных решения о Еыдаче авторских свидетельств на изобретения и материалы диссертации еошли е отчет по НИР "микроэлектроника-СЕЯзь", проведенной в МИС. Объем и структура работы. Диссертация изложена на 159 страницах машинописного текста, иллюстрирована 99 рисунками и 10 таблицами на 100 листах, содержит введение, 4 главы, заключение и список литературы, Еюшчащий 118 наименований на 13 листах, 1 приложение на 4 листах, в которые вынесены документы о внедрении результатов работы.
