CC BY
296
УДК 621.372.543
МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ СВЧ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОГРАММ 3D-МОДЕЛИРОВАНИЯ
А.Ю.Беляков, Е.В.Петров*, В.В.Попов, А.П.Штейнгарт
A METHOD FOR DEVELOPMENT OF THE CERAMIC-METAL FILTERS USING
3D MODELING PROGRAMS
A.Iu.Beliakov, E.V.Petrov*, V.V.Popov, A.P.Shteingart
ОАО «СКТБРТ», [email protected] *Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected]
Представлена методика проектирования СВЧ полосно-пропускающих фильтров на основе металлокерамических резонаторов с непосредственной связью. Приведен пример практического применения методики для расчета изготавливаемых фильтров.
Ключевые слова: металлокерамический резонатор, полосовой фильтр, фильтр с непосредственной связью
A method for development of the ceramic-metal band-pass direct-coupled-resonator filters is described. The example of practical application of the method for designing the produced filters is given. Keywords: ceramic-metal resonator, band-pass filter, direct-coupled filter
Введение
Полосовые частотные фильтры являются неотъемлемыми компонентами приемо-передающей аппаратуры. Имеет место широкий выбор конструкций фильтров, каждая из которых может являться оптимальной в зависимости от условий применения, от частотного диапазона, от требований к параметрам и характеристикам и т.д.
В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн заслуживают внимания частотные фильтры на основе связанных объемных металлокерамических резонаторов. При реализации полосовых фильтров СВЧ с полосой пропускания (1^10%) такие металло-керамические фильтры выгодно отличаются массога-баритными показателями, надежностью, температурной стабильностью параметров, прямоугольностью АЧХ и др.
Сложные взаимосвязи между элементами конструкции, резонансный характер электромагнитных процессов, высокая чувствительность электрических параметров к геометрии элементов делают проектирование металлокерамических фильтров особенно требовательным к временным и материальным ресурсам разработчика.
В настоящей статье описывается методика проектирования полосовых фильтров СВЧ, позволяющая упростить разработку данного типа изделий РЭА.
Методика проектирования
Методика предполагает синтез фильтра по заданной АЧХ, основывается на машинных методах проектирования, и в общем виде представляет собой следующую последовательность процедур:
1. Расчет низкочастотного фильтра-прототипа.
В соответствии с типовой методикой [1], по
заданным параметрам фильтра: граничным частотам полос пропускания (юь ю2) и заграждения (югЬ юг2), неравномерности ослабления в полосе пропускания ) и уровню ослабления на граничных частотах полосы заграждения Lz, нагрузочным сопротивлениям фильтра и выбранному виду характеристики, — определяется число звеньев фильтра (п) и значения элементов низкочастотного фильтра-прототипа
2. Определение требуемой собственной добротности резонаторов (звеньев) фильтра.
По затуханию в полосах пропускания и заграждения, коэффициенту прямоугольности и числу звеньев фильтра оценивается значение требуемой собственной добротности резонаторов из соотношений (11.07.3 - 11.07.5 [1]), необходимое для
последующего выбора их конструктивного исполнения.
3. Определение коэффициентов связи между внутренними резонаторами и внешних добротностей входного и выходного резонаторов, определяющих связь этих резонаторов с входной и выходной линиями передачи.
При известных параметрах фильтра-прототипа {^} справедливы соотношения [2]:
; (Швх(Швых^М2. w w ®о
w
kj, j+1 - г~
447+1
4. Структурный и параметрический синтез резонаторов и элементов связи с линиями передачи и между резонаторами, обеспечивающий необходимые коэффициенты связи, внешние добротности и среднюю частоту полосы пропускания фильтра.
Информация, необходимая для синтеза фильтра, может быть получена из анализа коэффициента передачи (|^21|) входного резонатора фильтра, подключенного через элемент связи с входной линией передачи к порту 1 и с помощью дополнительного зонда со слабой связью (незначительно снижающей добротность резонатора) — к порту 2, при последовательном подключении к нему остальных резонаторов фильтра [3-5]. С использованием изложенной в этих источниках методики настройки фильтров предлагается следующая последовательность операций при синтезе компьютерной модели фильтра:
1. Определение размеров входного резонатора и элемента связи с входной линией передачи.
Все внутренние резонаторы отстроены по частоте. Входной резонатор настраивается на среднюю частоту полосы пропускания / по максимальному значению |^21|. Размеры элемента связи входного резонатора с линией передачи регулируются до тех пор, пока ширина резонансной кривой |^21| входного резонатора не станет равной:
4/=4/П /
где / — ширина полосы пропускания фильтра.
Такое соотношение Д/ и / справедливо, когда собственная добротность резонатора Q0 много больше внешней добротности Qe, если это не выполняется
— д/=4/П / ®+/о/о,.
2. Определение размеров второго резонатора и элемента связи между первым и вторым резонаторами.
Второй резонатор настраивается на собственную частоту, близкую к /0. Подстройкой второго резонатора добиваемся минимума |^21| на средней частоте полосы пропускания фильтра /о. Имеется одно-
значная связь интервала частот между пиками, появляющимися на кривой |^21| входного резонатора при настройке второго и последующих резонаторов и коэффициентами связи элементов фильтра-прототипа, при этом количество пиков на кривой равно количеству резонаторов. При настройке второго резонатора конструкция и размеры элемента связи между первым и вторым резонатором определяются из условия -4/1,2 = Ь,2х/о, где 4/1,2 — интервал частот между пиками АЧХ.
3. Определение размеров третьего и последующих резонаторов и элементов связи между ними производится аналогично п.2. При этом четные резонаторы настраиваются на минимум, а нечетные — на максимум |^21| на средней частоте полосы пропускания.
Размеры элементов связи между резонаторами определяются из условий:
Д/1,з=л/№22+£2з х /0;
1х
1 -1=Х _п1
№22 + k22з + kз24) ^ V{(k^^k23+kЗ!4)2+4X(A^^k34)} I2,
где 4/1,3 — интервал частот между крайними пиками |^21| при настройке третьего резонатора; 4/1,4 — интервал частот между крайними пиками |^21| при настройке четвертого резонатора; 4/2,з — интервал частот между средними пиками |^21| при настройке третьего резонатора.
Принимая во внимание свойство симметрии полосового фильтра, достаточно синтезировать только половину его резонаторов (при синтезе пятирезо-наторного фильтра — трех резонаторов, семирезона-торного — четырех и т.д.).
Настройка каждого последующего резонатора в определенной степени влияет на частоту предыдущего резонатора благодаря их взаимной связи, поэтому процесс синтеза фильтра должен быть итерационным: после настройки каждого резонатора должна корректироваться настройка предыдущего.
Пример синтеза полосового металлокерамического фильтра
Исходные данные:
— граничные частоты полосы пропускания: /1 = 0,753 ГГц, /2 = 0,787 ГГц;
— граничные частоты полосы заграждения: 1 =0,700 ГГц, /> = 0,840 ГГц;
— неравномерность затухания в полосе пропускания: Lp = 0,5 дБ;
— затухание в полосе заграждения: Lz > 55 дБ;
— характеристика — чебышевская.
Результаты расчета:
— число резонаторов: п = 5;
— элементы фильтра-прототипа без потерь: q0 = 1; q1 = 1,339; q2 = 1,337; qз = 2,166; q4 = 1,337; q5 = 1,339; q6 = 1;
— коэффициенты связи: = 0,03886;
= 0,03056; = 0,03056; кА5 = 0,03886;
— интервалы частот при синтезе фильтра: 4/= 29,8 МГц; 4/1,2 = 29,9 МГц, 4/1,з = 38 МГц.
Синтез компьютерной модели пятирезонатор-ного металлокерамического фильтра на четвертьволновых коаксиальных резонаторах с укорачивающей емкостью и непосредственной индуктивной связью, согласно описанной методике, иллюстрируется рис.1-5.
Рис.1. Реализация зонда, слабосвязанного с входным резонатором
Синтез фильтра предполагает следующую последовательность шагов:
Шаг 1 — Настройка первого резонатора. Все резонаторы, кроме первого и последнего (допускается) закорочены (рис.2а). Результаты настройки первого резонатора с контрольными параметрами /0 и 4/ приведены на рис.2б.
Шаг 2 — Настройка второго резонатора (рис.За).
Снятие короткозамыкающей перемычки со второго резонатора. Подбором размеров элемента связи между первым и вторым резонатором и размеров укорачивающей емкости второго резонатора получена характеристика с контрольными параметрами /о и 4/1,2 (рис.Зб).
Шаг З — Настройка третьего резонатора (рис.4а).
Снятие короткозамыкающей перемычки с третьего резонатора. Подбором размеров элемента связи между вторым и третьим резонатором и размеров укорачивающей емкости третьего резонатора получена характеристика с контрольными параметрами /о и 4/1,з (рис.4б).
Шаг 4 — Анализ синтезированной модели фильтра без зонда (исходя из симметрии фильтра, резонаторы 4 и 5 являются зеркальным отражением резонаторов 2 и 1 соответственно) (рис.5а).
После отключения слабосвязанного зонда скорректирована резонансная частота первого резонатора. АЧХ синтезированной компьютерной модели фильтра без потерь приведена на рис.5б.
х
—"Ч <)=0.029807|"' ио
0.765 0.77 0.775
Ргециепсу / ОНг
а)
б)
Рис.2. Настройка первого резонатора (а) и его характеристика с контрольными параметрами ^ и Лf (б)
Рис.3. Настройка второго резонатора (а) и его характеристика с контрольными параметрами ^ и Д^,2 (б)
а) б)
Рис.4. Настройка третьего резонатора (а) и его характеристика с контрольными параметрами ^ и Д^,з (б)
5-Рагате1ег МадтПкк ¡п ¿В
а) б)
Рис.5. Синтезированная модель фильтра без зонда (а) и ее АЧХ без потерь (б)
Учет потерь в проводниках и в диэлектрике приводит к существенным искажениям АЧХ фильтра и, как следствие, к необходимости корректировки модели.
В этом плане представляет интерес метод «предыскажений» [6], суть которого заключается во внесении таких, зависящих от добротности резонаторов, поправок в величины элементов фильтра-прототипа, которые сохраняют вид характеристики фильтра без потерь. Эти поправки рассчитываются из полинома коэффициента передачи фильтра с потерями, получаемого, в свою очередь, из равенства: S'(p) = S(p+S),
где р — комплексная частота, S(p) — полином коэффициента передачи фильтра-прототипа без потерь, 5 — величина потерь.
Алгоритм определения величин элементов че-бышевского фильтра-прототипа с симметричными нагрузками и нечетным числом звеньев с одинаковой добротностью Оо можно представить следующим образом:
Чп-к =
qn+l = Чо =1; Чп = ап / у ;
ап-к+1' ап-к
2 V 2 V • к •Ж-,2 г, г,2т
у • Чп-к+1'[у -ап-к-8-8 ]
к=1...п-1;
Рис.6. АЧХ синтезированной модели фильтра с потерями
где ak = 2-y-sin
(2-k-1)-л 2-w
-2-5; k=1...w; ak — коэф-
фициент полинома; qi — элементы фильтра прототипа; у — характеристический коэффициент.
Параметры фильтра-прототипа с учетом потерь Q0 = 400 (метод предыскажений): q0-1; q1 -0,88725; q2 -1,23912; qз -1,89477;q4 -1,22942; q5 - 0,85793; q6 -1; коэффициенты связи между контурами: -0,04959;k2,;з -0,0ЗЗ94;kз,4 -0,03407; k4,5 -0,05063; расчетные параметры для синтеза фильтра: Д/ - 45,08 МГц; Д/1,2 - З8,99 МГц; Д/1,З - 47 МГц.
АЧХ синтезированной модели фильтра с потерями приведена на рис.6.
На основе оптимизированной Зd модели был изготовлен макет пятирезонаторного металлокерами-ческого фильтра (рис.7). Результаты сравнения АЧХ модели и макета фильтра приведены на рис.8.
Рис.7. Макет пятирезонаторного металлокерамического фильтра
-20
f ! *
// // / i I 1 1! \
* i f'J i \ V I \\ ' ^ \ 1 \
1.75
600 700 800 900
Частота, МГц
- АЧХ модели фильтра
_____АЧХ макета фильтра
Рис.8. Сравнение АЧХ модели и макета фильтра
Заключение
В работе представлена методика проектирования металлокерамических фильтров с применением программ Зd-моделирования. Приведенная методика позволяет проводить синтез фильтров с учетом потерь в проводниках и диэлектрике методом «предыскажений», максимально приближая расчетные характеристики к экспериментальным, что подтверждается результатами сравнения АЧХ модели и макета метал-локерамического фильтра.
1. Маттей Г.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. М.: Связь, 1972. Т.2. С.139.
2. Там же. 1971. Т.1. С.367.
3. Dishal M. Alignment and Adjustment of Synchronously Tuned Multiple-Resonant-Circuit Filters // Proc. of the IRE. Nov. 1951. Vol.30. P.1448-1455.
4. Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров / Пер. с англ., под ред. А.Е.Знаменского. М.: Сов. радио, 1974. 288 с.
5. Алексеев Л.В., Знаменский А.Е., Лоткова Е.Д. Электрические фильтры метрового и дециметрового диапазонов. М.: Связь, 1976. 280 с.
6. Собенин Я.А. Расчет полиномиальных фильтров. М.: Связьиздат, 1963. 208 с.
References
1. Matthaei G.L., Young L., Jones E.M.T. Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures, vol. 2. New York, McGrow-Hill Book Company, 1964. (Russ. ed.: G.L. Mattei, L. Iang, E.M.T. Dzhons. Fil'try SVCh, so-glasuiushchie tsepi i tsepi sviazi, vol.2. Moscow, "Sviaz"' Publ., 1972, р.139.).
2. Matthaei G.L., Young L., Jones E.M.T. Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures, vol.1. New-York, McGrow-Hill Book Company, 1964. (Russ. ed.: G.L. Mattei, L. Iang, E.M.T. Dzhons. Fil'try SVCh, soglasuiushchie tsepi i tsepi sviazi, vol.1. Moscow, "Sviaz'" Publ., 1971, р.367.).
3. Dishal M. Alignment and Adjustment of Synchronously Tuned Multiple-Resonant-Circuit Filters. Proceeding of the IRE, 1951, vol. 30, pp. 1448 - 1455.
4. Hansel G.E. Filter Design and Evaluation. New York, Van Nosrand Reinhold Company, 1969. (Russ. ed.: G.E. Khanzel. Spravochnik po raschetu fil'trov [Handbook on filter design], ed. A.E. Znamenskii. Moscow, "Sovetskoe radio" Publ., 1974, 288 p.).
5. Alekseev L.V., Znamenskii A.E., Lotkova E.D. Elektriches-kie fil'try metrovogo i detsimetrovogo diapazonov [Electric filters with VHF- and UHF-bands]. Moscow, "Sviaz'" Publ., 1976, 280 p.
6. Sobenin Ia.A. Raschet polinomial'nykh fil'trov [Polynomial filter design]. Moscow, "Sviaz'izdat" Publ., 1963, 208 p.
0
2
1.5
1.25
