CC BY
11
ГГ
Агуреев А. В. Agureev Л. V.
инженер-конструктор 3-й категории,
АО «Таганрогский научно-исследовательский институт связи», г. Таганрог, Российская Федерация
Губарев Д. Е. Gubarev D. Е.
инженер-конструктор 3-й категории,
АО «Таганрогский научно-исследовательский институт связи», г. Таганрог, Российская Федерация
Кочубей А. С. КосШЬеу Л. 8.
инженер-конструктор 3-й категории,
АО «Таганрогский научно-исследовательский институт связи», г. Таганрог, Российская Федерация
Зикий А. Н. Zikiy Л. N.
кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент кафедры «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», Институт компьютерных технологий и информационной безопасности, ФГБОУВО «Южный федеральный университет», г. Таганрог, Российская Федерация
УДК 621.372 DOI: 10.17122/1999-5458-2020-16-3-83-93
ДВА ФИЛЬТРА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
Полосовые фильтры в приёмно-передающей аппаратуре являются важной составной частью, так как обеспечивают выделение полезного сигнала и подавление побочных каналов.
Целью работы является моделирование и экспериментальное исследование двух фильтров бегущей волны дециметрового диапазона. Частоты настройки фильтров равны 1090 и 837,5 МГц, а полосы пропускания 40 ± 5 и 30 ± 5 МГц соответственно.
Представлены результаты моделирования и экспериментального исследования двухка-нального фильтра для управления воздушным движением. Показано, что минимальные потери в полосе пропускания не превышают 3,2 дБ, а максимальные потери в полосе про-
пускания составляют 6,2 дБ по уровню минус 3 дБ от максимума. Фильтры имеют ярко выраженные ложные полосы пропускания на третьей гармонике основной частоты и менее выраженные ложные полосы на второй гармонике основной частоты. Потери на частоте смежного канала составляют не менее 25 дБ. Проведено моделирование двух фильтров в среде Microwave Office, получены амплитудно-частотные характеристики фильтров в ближней и дальней зонах.
Представлены экспериментальные амплитудно-частотные характеристики фильтров в ближней и дальней зонах. Эксперимент проводился с помощью векторного анализатора цепей типа PNA-L.
Амплитудно-частотные характеристики обоих фильтров достаточно симметричны и мало изрезаны, что говорит об удовлетворительном значении коэффициента стоячей волны по напряжению.
Конструктивно оба фильтра входят в состав модуля, в котором имеются ещё направленные ответвители и нагрузки. Фильтры выполнены на воздушно-полосковой линии передачи и могут выдерживать проходящую мощность более 10 Вт. Модуль выполнен в литом корпусе размерами 460 х 160 х 20 мм и закрывается крышкой. Модуль может быть использован в аппаратуре управления воздушным движением и соответствует ГОСТ 25260-83.
Ключевые слова: фильтр бегущей волны, полоса пропускания, воздушно-полосковая линия, гармоника, эксперимент, амплитудно-частотная характеристика.
TWO TRAVELING WAVE FILTERS
Bandpass filters in the receiving and transmitting equipment are an important part, since they provide the allocation of useful signal and suppression of side channels.
The aim of this work is to model and experimentally study two traveling wave filters in the decimeter range. The filter tuning frequencies are 1090 and 837.5 MHz, and the bandwidth is 40 ± 5 and 30 ± 5 MHz, respectively.
The results of modeling and experimental research of a two-channel filter for air traffic control are presented. It is shown that the minimum bandwidth loss does not exceed 3.2 dB, and the maximum bandwidth loss is 6.2 dB at the level of minus 3 dB from the maximum. Filters have pronounced false bandwidth on the third harmonic of the main frequency, and less pronounced false bandwidth on the second harmonic of the main frequency. The frequency loss of the adjacent channel is at least 25 dB. Two filters were simulated in the Microwave Office environment, and the amplitude-frequency characteristics of filters in the near and far zones were obtained.
Experimental amplitude-frequency characteristics of filters in the near and far zones are presented. The experiment was performed using a PNA-l type vector chain analyzer.
The amplitude-frequency characteristics of both filters are quite symmetrical and not cut enough, which indicates a satisfactory value of the standing wave voltage coefficient.
Structurally, both filters are part of the module, which also has directional couplers and loads. Filters are made on an air-strip transmission line and can withstand a passing power of more than 10 W. The module is made in a cast case with sizes 460 x 160 x 20 mm and closes with a lid. The module can be used in air traffic control equipment and complies with State Standard 25260-83.
Key words: traveling wave filter, bandwidth, air-strip line, harmonic, experiment, amplitude-frequency response.
Введение
Фильтры бегущей волны нашли широкое применение в аппаратуре связи, навигации и радиолокации, поэтому их исследование является актуальным [1-4].
Важным преимуществом фильтров такого типа является низкий коэффициент отражения за полосой пропускания. В ряде случаев это позволяет отказаться от вентилей и цир-куляторов, работающих в дециметровом диа-
пазоне волн, так как они имеют большую массу и габариты.
Другим важным преимуществом фильтров бегущей волны на симметричной полосковой линии (СПЛ) является высокая допустимая мощность сигнала. Малогабаритные фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) не допускают такой мощности сигнала [5].
Целью данной работы является моделирование и экспериментальное исследование двух
фильтров бегущей волны для аппаратуры ГОСТ 25260-83. К фильтрам предъявляются управления воздушным движением согласно требования, изложенные в таблице 1.
Таблица 1. Требования к фильтрам
Наименование параметра, размерность Фильтр 1 Фильтр 2
Центральная частота полосы пропускания, МГц 1090 837,5
Ширина полосы пропускания по уровню — 3 дБ от максимума, МГц 40 ± 5 30 ± 5
Заграждение на частоте смежного канала, дБ 25,0 дБ на частоте 837,5 МГц 30,0 дБ на частоте 1090 МГц
Волновое сопротивление входа/выхода, Ом 50/50 50/50
Максимально допустимая входная мощность, Вт 10 10
Схема и конструкция Исследуемые два фильтра входят в состав модуля, в котором имеются еще три направленных ответвителя и три нагрузки. Схема модуля показана на рисунке 1. Фото модуля можно видеть на рисунке 2.
Модуль имеет габариты 460 х 160 х 20 мм. Корпус чашечного типа и крышка изготовлены из лёгкого алюминиевого сплава и окрашены молотковой эмалью серого цвета. На передней панели установлены 4 соединителя, на задней панели установлены три соединителя. Модуль выполнен на симметричной воздушно-поло-сковой линии передачи с волновым сопротивлением 50 Ом. Для фиксации полосковых
линий передачи в середине между дном и крышкой через каждые 60-90 мм сверху и снизу установлены фторопластовые бобышки. Такая конструкция модуля имеет достаточно высокую жёсткость и позволяет эксплуатировать его в авиационной аппаратуре.
В модуле применены два типа соединителей: вилки по типу СР50-267Ф и розетки типа IV по ГОСТ 20265-83.
Геометрические размеры фильтров можно рассчитать по методике, изложенной в [1-3]. Результаты расчёта геометрических размеров приведены в таблицах 2 и 3. Позиционные обозначения в таблицах 2 и 3 привязаны к схеме на рисунке 3.
Рисунок 1. Принципиальная схема модуля
Фильтр 1
Фильтр 2
H03
НКЗ
а
L'
1 -НК1
2 НК2
Рисунок 2. Фото конструкции модуля с двумя фильтрами бегущей волны Таблица 2. Геометрические размеры фильтра № 1
Позиц. обознач. Длина, мм Ширина, мм Толщина, мм Наименование
W1 20 7,5 2 Проводник
W2 73 7,5 2 Проводник
W3 73 8 2 Проводник
W4 62,5 8,8 2 Проводник
W5 73 8 2 Проводник
W6 73 7,5 2 Проводник
W7 62,5 8,8 2 Проводник
W8 20 7,5 2 Проводник
W9 20 7,5 2 Проводник
S1, S2 73 1,8 2 Зазор
H1 = H2 5 Расстояние от центра проводника до крышки, мм
Таблица 3. Геометрические размеры фильтра № 2
Позиц. обознач. Длина, мм Ширина, мм Толщина, мм Наименование
W1 20 7,5 2 Проводник
W2 93,6 7,5 2 Проводник
W3 93,6 8 2 Проводник
W4 83,5 8,8 2 Проводник
W5 93,6 8 2 Проводник
W6 93,6 7,5 2 Проводник
W7 83,5 8,8 2 Проводник
W8 20 7,5 2 Проводник
W9 20 7,5 2 Проводник
S1, S2 93,6 1,8 2 Зазор
H1 = H2 5 Расстояние от центра проводника до крышки, мм
86 -
Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 16, 2020
Рисунок 3. Принципиальная схема фильтра бегущей волны
Моделирование
Моделирование фильтров проводилось в среде Microwave Office [6-8]. Поскольку моделирование является предварительным этапом исследования, было принято решение упростить модели. Для этого каждый из фильтров моделировался отдельно. При этом предполагалось, что разнос частот настроек фильтров достаточно велик и их взаимным влиянием можно пренебречь в первом приближении. Окончательные выводы будут формулироваться с учётом эксперимента.
Модель фильтра 1 приведена на рисунке 4. Амплитудно-частотная характеристика фильтра 1 в ближней зоне приведена на рисунке 5. На рисунке 6 можно видеть АЧХ фильтра 1 в дальней зоне. Из рисунка 6 можно сделать вывод, что фильтр имеет ложную полосу пропускания на частоте 3^ и 2^.
Модель фильтра 2 показана на рисунке 7, амплитудно-частотная характеристика фильтра 2 в ближней зоне имеется на рисунке 8, на рисунке 9 можно видеть АЧХ фильтра 2 в дальней зоне.
Рисунок 4. Модель фильтра 1 бегущей волны
m2: Maxrmum 1100 MHz -4.066 dB
m£>; 1006,2 MHz m4: 1127.1 MHz
-7.062 dB -f OD
—DB(|S(2,1)f)
Filter_air
700
800
900
1300
1000 1100 1200 Frequency (MHz)
Рисунок 5. АЧХ фильтра 1 в узкой полосе из MWO
1400 1500
-5 -10
-15
-20 -25 -30 -35
-40
-45
-50
mi:
ЗЗЭО МНг -J.902 dB
—DBdSÊUJ} FiJler_aif
700 1000 1300 1600 1900 2200 2500 2800 3100 3400 3700 4000 4300
Frequency (MHz)
Рисунок 6. АЧХ фильтра 1 в широкой полосе из MWO
Рисунок 7. Модель фильтра 2 в MWO
О -5 И О -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50
—DB(|S{2,1)|) Ftiter„air_8k3 j
шЗ: S31.1SMHZ -7.001 ав т2: 6Ш9 MHz -7 .015 ое
\
ml: 1100 MHz -32.72 dB
700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200
Frequency (MHz)
Рисунок 8. АЧХ фильтра 2 в узкой полосе
Рисунок 9. АЧХ фильтра 2 в широкой полосе
Эксперимент
Эксперимент проводился на установке, структурная схема которой содержит основной инструмент — векторный анализатор цепей типа РКА^. Кроме того, использованы согласованные нагрузки, переходы и кабели.
На рисунке 10 можно видеть АЧХ фильтра 1 в ближней зоне, а на рисунке 11— в дальней зоне, на рисунке 12 показана АЧХ фильтра 2 в ближней зоне, а на рисунке 13 — в дальней зоне.
Рисунки 5, 6, 8-13 позволяют сформулировать количественные выводы.
Рисунок 11. АЧХ фильтра 1 в полосе от 700 до 4000 МГц
Рисунок 12. АЧХ фильтра 2 в полосе от 700 до 1200 МГц
Data processing facilities and systems
File Trace/Chan Риропя Mnrtier/Analrifc Sömuhit Utility Help
-> Stop Frequency ; 1.200000000 GHz Щ f™,
IH »1 LliflM алммв/ ODOdU
ÜOC* -300 ■600 -9Й0 1ÎOO 1500 ШЛО 21W una ÎÏJÛO 3000 / 7 к > n 137.73 MHz 1.3 dB Stvt
/ L Stop
/ V Center Span
/ \
.У 4 \
N <
\ h ГЛ
-л ( RtquHK^ Offset...
J
1 M „л ,'Ш(ХХ1М| и — SI.I|> i.?ix/oriirv
f ой CHI S21 c-î-i'arl Smotff.-l 11« LCL
Рисунок 13. АЧХ фильтра 2 в полосе от 700 до 1300 МГц
В таблицах 4 и 5 приводится сравнение заданных и достигнутых параметров фильтров при моделировании и в эксперименте.
Из таблиц 4 и 5 видно, что все требования к фильтрам выполняются. Отличие частот
Таблица 4. Основные параметры фильтра 1
Вывод
Представлены результаты моделирования и экспериментального исследования двухка-
настройки фильтров при моделировании от заданных можно объяснить неучётом эффектов второго порядка, в том числе взаимным влиянием фильтров.
нального фильтра для управления воздушным движением.
Наименование параметра, размерность Задано Моделирование Эксперимент
Центральная частота полосы пропускания, МГц 1090 1109 1090
Ширина полосы пропускания по уровню — 3 дБ от максимума, МГц 40 ± 5 41 40
Заграждение на частоте смежного канала, дБ 28 28 30
Волновое сопротивление входа/выхода, Ом 50/50 50/50 50/50
Потери в полосе пропускания, дБ 7 7 4,8
Подавление ложной полосы пропускания на 2£), дБ — 17,5 20
Подавление ложной полосы пропускания на 3£), дБ — 4,9 7,9
Таблица 5. Основные параметры фильтра 2
Наименование параметра, размерность Задано Моделирование Эксперимент
Центральная частота полосы пропускания, МГц 837,5 846,5 837,73
Ширина полосы пропускания по уровню — 3 дБ от максимума, МГц 30 ± 5 31 30
Заграждение на частоте смежного канала, дБ 30 32 30
Волновое сопротивление входа/выхода, Ом 50/50 50/50 50/50
Потери в полосе пропускания, дБ 7 7 5,6
Подавление ложной полосы пропускания на 2£), дБ — 15 16
Подавление ложной полосы пропускания на 3£), дБ — 5 5,9
Список литературы
1. Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. М.: Связь, 1971. Т. 2.
2. Машковцев Б.М., Цибизов К.Н., Емелин Б.Ф. Теория волноводов. М.: Наука, 1966.
3. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.Л. Справочник по элементам вол-новодной техники. М.: Сов. Радио, 1967. 652 с.
4. Справочник по расчёту и конструированию полосковых устройств / Под ред.
B.И. Вольмана. М.: Радио и связь, 1982. 326 с.
5. Зикий А.Н., Зламан П.Н., Власенко Д.В. Фильтр на ПАВ // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2013. Т. 9, № 3. С. 5-7.
6. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office. М.: Солон-Пресс, 2003. 496 с.
7. Бахвалова С.А., Романюк В.А. Основы моделирования и проектирования радиотехнических устройств в Microwave Office: учеб. пособие. М.: Солон-Пресс, 2016. 152 с.
8. Андрианов А.В., Быков С.А., Зикий А.Н., Пустовалов А.И. Моделирование и экспериментальное исследование трактового фильтра сантиметрового диапазона // Инженерный вестник Дона. 2017. № 1 (44).
C. 92.
References
1. Mattei D.L., Yang L., Dzhons E.M.T. Fil 'try SVCh, soglasuyushchie tsepi i tsepi svy-azi [Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures]. Moscow, Svyaz' Publ., 1971. Vol. 2. [in Russian].
2. Mashkovtsev B.M., Tsibizov K.N., Emelin B.F. Teoriya volnovodov [Theory of Waveguides]. Moscow, Nauka Publ., 1966. [in Russian].
3. Fel'dshtein A.L., Yavich L.R., Smirnov V.L. Spravochnik po elementam volno-vodnoi tekhniki [Handbook of Waveguide Technology Elements]. Moscow, Sov. Radio Publ., 1967. 652 p. [in Russian].
4. Spravochnik po raschetu i konstruiro-vaniyu poloskovykh ustroistv [Reference Guide for the Calculation and Design of Strip Devices]. Ed. by V.I. Vol'man. Moscow, Radio i svyaz' Publ., 1982. 326 p. [in Russian].
5. Zikii A.N., Zlaman P.N., Vlasenko D.V. Fil'tr na PAV [Filter on Surface Acoustic Waves]. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy — Electrical and Data Processing Facilities and Systems, 2013, Vol. 9, No. 3, pp. 5-7. [in Russian].
6. Razevig V.D., Potapov Yu.V., Kurushin A.A. Proektirovanie SVCh ustroistv s pomoshch'yu Microwave Office [Designing Microwave Devices Using Microwave Office]. Moscow, Solon-Press Publ., 2003. 496 p. [in Russian].
7. Bakhvalova S.A., Romanyuk V.A. Osnovy modelirovaniya i proektirovaniya radi-otekhnicheskikh ustroistv v Microwave Office: ucheb. posobie [Fundamentals of Modeling and Design of Radio Engineering Devices in Microwave Office: Textbook]. Moscow, Solon-Press Publ., 2016. 152 p. [in Russian].
8. Andrianov A.V., Bykov S.A., Zikii A.N., Pustovalov A.I. Modelirovanie i eksperimental'noe issledovanie traktovogo fil'tra santimetrovogo diapazona [Modelling and Experimental Research of Path Filter of C Range]. Inzhenernyi vestnik Dona Engineering Journal of Don, 2017, No. 1 (44), pp. 92. [in Russian].
