CC BY
0
УДК 621.396
doi: 10.21685/2307-4205-2024-1-8
МЕТОДИКА РЕГУЛИРОВКИ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФИЛЬТРОВ
Д. Н. Новомейский1, М. Н. Пиганов2, А. А. Лупцов3, В. П. Перевертов4
1 2 3 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева, Самара, Россия 4 Самарский государственный университет путей сообщения, Самара, Россия 1 2 3 kipres@ssau.ru, 4 vperevertov@yandex.ru
Аннотация. Актуальность и цели. Актуальность темы данной работы обусловлена необходимостью снижения уровня проникающей помехи и повышения качества полезного сигнала, принимаемого бортовой станцией активных помех. Цель - улучшение качества и функциональных параметров бортовых частотно-избирательных систем и структур путем регулировки амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фильтров. Материалы и методы. Использованы системный анализ основных параметров, моделирование частотных характеристик ослабления и коэффициента стоячей волны по напряжению, экспертные оценки, исследовательские испытания. Для улучшения характеристик фильтров предложено проводить настройку (регулировку) амплитудно-частотных характеристик фильтров. Приведены схемы и топологии корректоров. Показано, что с помощью тонкопленочных и толстопленочных корректоров можно устранить различные искажения АЧХ, регулировать наклон характеристики, изменять глубину провала АЧХ. Результаты. Предложенные схемы, конструкции и топологии корректоров позволяют регулировать наклон характеристик до 16 дБ, изменять глубину их провала, поддерживать коэффициент стоячей волны по напряжению в пределах 1,35...2,5 в рабочем диапазоне частот, уменьшить неравномерность АЧХ до 0,2 дБ, а коэффициент шума - до 2,3.2,4 дБ. Для обеспечения такого уровня показателей в процессе корректировки требуется проводить индивидуальную комбинированную подгонку сопротивлений резисторов в пределах -10.. .+30 % или функциональную - по шаблону. При этом метод факельного разряда обеспечивает более высокую временную стабильность показателей регулировки АЧХ и больший выход годных изделий по сравнению с лазерным методом. Выводы. Предложенная методика регулировки амплитудно-частотных характеристик фильтров частотно-избирательной системы позволяет улучшить качество полезного сигнала, принимаемого станции активных помех. Регулировка АЧХ путем подгонки сопротивлений резисторов корректора методом факельного разряда обеспечивает более высокую временную стабильность параметров, чем при лазерной подгонке.
Ключевые слова: амплитудно-частотная характеристика, регулировка, исследование, моделирование, фильтр
Для цитирования: Новомейский Д. Н., Пиганов М. Н., Лупцов А. А., Перевертов В. П. Методика регулировки амплитудно-частотных характеристик фильтров // Надежность и качество сложных систем. 2024. № 1. С. 70-80. doi: 10.21685/ 2307-4205-2024-1-8
THE METHOD OF ADJUSTING THE AMPLITUDE-FREQUENCY CHARACTERISTICS OF FILTERS
D.N. Novomeisky1, M.N. Piganov2, A.A. Luptsov3, V.P. Perevertov4
1 2 3 Samara National Research University named after Academician S.P. Korolev, Samara, Russia 4 Samara State University of Communications, Samara, Russia 1 2 3 kipres@ssau.ru, 4 vperevertov@yandex.ru
Abstract. Background. The relevance of the topic of this work is due to the need to reduce the level of penetrating interference and improve the quality of the useful signal received by the on-board active interference station. Goal -improving the quality and functional parameters of on-board frequency-selective systems and structures by adjusting the amplitude-frequency characteristics of filters. Materials and methods. The system analysis of the main parameters, modeling of the frequency characteristics of attenuation and the standing wave voltage coefficient, expert assessments, and research tests were used. The system analysis of the main parameters, modeling of the frequency characteristics of attenuation and the standing wave voltage coefficient, expert assessments, and research tests were used. To improve the characteristics of the filters, it is proposed to adjust (adjust) the amplitude-frequency characteristics of the filters.
© Новомейский Д. Н., Пиганов М. Н., Лупцов А. А., Перевертов В. П., 2024. Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License / This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.
The schemes and topologies of correctors are given. It is shown that with the help of thin-film and thick-film correctors, various frequency response distortions can be eliminated, the slope of the characteristic can be adjusted, and the depth of the frequency response dip can be changed. Results. The proposed schemes, designs and topologies of correctors allow you to adjust the slope of the characteristics up to 16dB, change the depth of their failure, maintain VSWR within 1.35...2.5 in the operating frequency range, reduce the frequency response unevenness to 0.2 dB, and the noise factor to 2.3...2.4 dB. To ensure such a level of performance during the adjustment process, it is required to carry out an individual combined adjustment of the resistors in the range of -10...+30 % or functional - according to a template. At the same time, the flare discharge method provides a higher time stability of the frequency response adjustment indicators and a higher yield of suitable products compared to the laser method. Conclusions. The proposed method of adjusting the amplitude-frequency characteristics of the filters of the frequency-selective system makes it possible to improve the quality of the useful signal received by the active interference station. Adjusting the frequency response by adjusting the resistors of the corrector resistors by the flare discharge method provides a higher time stability of the parameters than with laser adjustment.
Keywords: amplitude-frequency response, adjustment, research, modeling, filter
For citation: Novomeisky D.N., Piganov M.N., Luptsov A.A., Perevertov V.P. The method of adjusting the amplitude-frequency characteristics of filters. Nadezhnost' i kachestvo slozhnykh sistem = Reliability and quality of complex systems. 2024;(1): 70-80. (In Russ.). doi: 10.21685/2307-4205-2024-1-8
Введение
На данном этапе стала более актуальной проблема оптимизации показателей качества и параметров надежности сложных систем. Соответственно, в процессе их проектирования необходимо решить оптимизационную задачу с целью определения наилучших значений показателей и параметров системы или ее структуры [1], а также давать оценку стабильности ее функционирования [2].
К числу таких систем можно отнести частотно-избирательные системы (ЧИС). Они находят широкое применение в бортовой радиоэлектронной аппаратуре, например, в станциях активных помех (САП). Особенностью САП является неполное знание характеристик радиоканала распространения радиоколебания.
Целью статьи является повышение качества бортовых частотно-избирательных систем и структур.
В данной работе проведен анализ основных характеристик частотно-избирательных систем САП, выполнено моделирование частотных характеристик ослабления и коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН), разработаны рекомендации по настройке фильтров.
Анализ параметров бортовых САП
Одним из основных показателей качества САП является уровень проникающей помехи. Для подавления этих помех используются различные методы [3, 4].
Их можно считать неслучайными параметрами, значения которых априорно неизвестны. В этих условиях проникающую на вход приемника САП помеху, обусловленную распространением излучаемого радиосигнала от передающей к приемной антенне САП, можно представить в виде
м _1
Цпрон(0 = IПк(-Тк )(р(к)) . (1)
к=1
Математическая модель полезных радиосигналов, принимаемых САП
Радиосигналы, поступающие на вход приемника САП, являются узкополосными. Временные и частотные свойства каждой реализации принимаемого радиосигнала и^) можно описать выражениями:
и £) ={ Лс(( )0С8 [2/ + ф0(*) + фо ]} Лос;
ис(() = [ис+ со8(2/) - и- 8ш(2/)]ЛоС; и с(г) = Яе |и £ )в] 2/ |; и £) = и С+ (г) + и- (г);
s0( f ) = ] и c(t )eJ 1%ftdt,
где / - несущая частота радиосигнала; Аос - флюктуирующая амплитуда радиосигнала; Ас(0, фс(0 -закон амплитудной и фазовой модуляции радиосигнала; фо - флюктуирующая начальная фаза радиосигнала; и± () - квадратуры радиосигнала; ис() - комплексная огибающая радиосигнала; £с/ -спектр радиосигнала.
В работе [5] проведен анализ математической модели САП и предложен алгоритм подавления проникающей помехи. Такой алгоритм был реализован в цифровом виде с использованием АЦП и сигнального процессора. При разработке алгоритма использован компенсационный способ подавления. Схема способа приведена на рис. 1.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема подавления проникающей помехи «компенсационным» способом
В этом случае колебание на входе приемника САП после компенсации проникающей помехи имеет вид
ад = Uo(t) - иКомп(0=ис(0+иосТ п(0+и«
n(t), (3)
п(0 - остаточное шумовое
где Цзст п(0 - нескомпенсированный остаток проникающей помехи; U« колебание на входе приемника РТР после компенсации помехи.
Для улучшения качества полезного сигнала путем выделения его из смеси принимаемого радиосигнала и помехи необходимо модернизировать процесс фильтрации обработки сигналов. Повысить качество фильтрации можно путем улучшения характеристик фильтров [6].
В данной работе нами для улучшения характеристик фильтров приемников САП предложено проводить корректировку их АЧХ.
Исследование корректоров АЧХ
Корректоры АЧХ - это пассивные сверхвысокочастотные устройства, согласованные в рабочем диапазоне частот, ослабление которых зависит от частоты по определенному закону [7].
Их можно использовать для регулировки глубины провала куполообразной АЧХ [8], изменения наклона характеристики [9], уменьшения частотной неравномерности АЧХ трактов СВЧ [7], других искажений АЧХ СВЧ-трактов [10].
Нами было проведено исследование основных характеристик корректоров на 10 и 8 дБ, оказывающих наибольшее влияние на ЧИС конкретной САП. Были исследованы (по результатам моделирования и расчета с помощью ПО AWR Design) частотные характеристики ослабления и КСВН. На рис. 2 приведена схема корректора на 10 дБ. На рис. 3 приведена топология тонкопленочного
корректора на 10 дБ. Зависимости ослабления (верхняя кривая) и коэффициента стоячей волны по напряжению (верхняя кривая) для различных значений сопротивлений резисторов R1-R3 приведены на рис. 4-9.
III
Рис. 2. Схема корректора на 10 дБ
Рис. 3. Топология корректора на 10 дБ
Graph 1 1МЭ 1
I 1
i 1
I 1 m3-
! 1 4 GHz -1.736 dB
■
- I j
1 GHz -10.85dB ■
I
t —i- ' I 1 ---
I
m2: 1 GHz 2.239 :
! I
! : m4: 4 GHz 1 492 \
-J 1
I i
1 1 _ J
! [
1
12 М U U 2 22 гл -¿А 2Я 3 32 И 1Й 1S 4
Рис. 4. Зависимости ослабления и КСВН при сопротивлениях резисторов, равных 50 Ом
Рис. 5. Ослабление и КСВН при сопротивлениях резисторов, равных 60 Ом
Рис. 6. Ослабление и КСВН при сопротивлениях резисторов, равных 70 Ом
Рис. 7. Ослабление и КСВН при сопротивлениях резисторов, равных 80 Ом
Рис. 8. Ослабление и КСВН при сопротивлениях резисторов, равных 100 Ом
Рис. 9. Ослабление и КСВН при сопротивлениях резисторов, равных 150 Ом
На рис. 10 приведена схема корректора на 8 дБ, а на рис. 11 - его топология. Зависимости ослабления (верхняя кривая) и КСВН (нижняя кривая) приведены на рис. 12-17.
Рис. 10. Схема корректора на 8 дБ
Рис. 11. Топология корректора на 8 дБ
Рис. 12. Зависимости ослабления и КСВН при сопротивлениях резисторов, равных 50 Ом
Рис. 13. Ослабление и КСВН при сопротивлениях резисторов, равных 60 Ом
13
Frequency (GHz)
Рис. 14. Ослабление и КСВН при сопротивлениях резисторов, равных 70 Ом
Рис. 15. Ослабление и КСВН при сопротивлениях резисторов, равных 80 Ом
ю
-15 -
3 8 13 18 20
Frequency (GHz)
Рис. 16. Ослабление и КСВН при сопротивлениях резисторов, равных 100 Ом
Рис. 17. Ослабление и КСВН при сопротивлениях резисторов, равных 150 Ом
Анализ результатов исследования
Установлено, что с помощью тонкопленочных и толстопленочных корректоров можно устранить разнообразные искажения АЧХ фильтров ЧИС бортовых САП. Предложенные схемы и топологии корректоров позволяют регулировать наклон характеристик до 16 дБ, изменять глубину провала АЧХ, поддерживать КСВН в пределах 1,35... 2,5 в рабочем диапазоне частот, уменьшить неравномерность АЧХ до 0,2 дБ, а коэффициент шума - до 2,3.2,4 дБ. Для обеспечения такого уровня показателей требуется производить индивидуальную подгонку сопротивлений резисторов в пределах -10...+30 % или функциональную по шаблону. Метод факельного разряда обеспечивает более высокую временную стабильность показателей регулировки АЧХ и больший выход годных изделий по сравнению с лазерным методом.
Заключение
Проведенный анализ результатов исследования показал, что тонкопленочные и толстопленочные корректоры АЧХ могут успешно использоваться для регулировки параметров фильтров бортовых частотно-измерительных систем. Это позволяет улучшить качество полезного сигнала, принимаемого станцией активных помех. Предложена методика регулировки АЧХ путем подгонки резисторов корректора методом факельного разряда.
Список литературы
1. Северцев Н. А., Юрков Н. К., Гришко А. К. К проблеме глобальной оптимизации параметров надежности и безопасности сложных динамических систем инверсным методом // Надежность и качество сложных систем. 2020. № 1. С. 13-23.
2. Клячкин В. Н., Карпунина И. Н. Статические методы оценки стабильности функционирования технических систем // Надежность и качество сложных систем. 2018. № 2. С. 36-42.
3. Маклашов В. А. Подавление проникающих помех на входе приемников // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. 2020. Т. 2. С. 22-26.
4. Маклашов В. А., Пиганов М. Н. Методы подавления помех на входе приемников станций активных помех // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика : тез. докл. 26-й Междунар. науч.-техн. конф. (12-13 марта 2020). М. : Центр полиграфических услуг «Радуга», 2020. С. 71.
5. Маклашов В. А., Пиганов М. Н. Математическая модель функционирования станции активных помех // Труды МАИ. 2020. № 113. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=118081
6. Буренко Е. А., Нестеров С. В. Проектирование активных частотно-избирательных фильтров // Труды МАИ. 2018. № 101. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=97011
7. Петренко В. П. Сверхвысокочастотные корректоры амплитудно-частотных характеристик // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2015. Т. 5. С. 88-92.
8. Григорьев А. Д. Электродинамика и техника СВЧ : учебник для вузов по специальности «Электронные приборы и устройства». М. : Высш. шк., 2007. 703 с.
9. Трофименков В. В., Хрипко В. А. Корректор наклона АЧХ L-диапазона, выполненный на трехслойной структуре // Общие вопросы радиоэлектроники. 2006. Вып. 2.
10. Егоров Г. А., Капкин С. П., Стельмахович Л. А. [и др.]. Многослойные керамические микросхемы на основе LTCC-технологии // Электроника: наука, технология, бизнес. 2006. № 5. С. 42-45.
References
1. Severtsev N.A., Yurkov N.K., Grishko A.K. On the problem of global optimization of reliability and safety parameters of complex dynamic systems by the inverse method. Nadezhnost' i kachestvo slozhnykh system = Reliability and quality of complex systems. 2020;(1):13-23. (In Russ.)
2. Klyachkin V.N., Karpunina I.N. Static methods for assessing the stability of the functioning of technical systems.
Nadezhnost' i kachestvo slozhnykh system = Reliability and quality of complex systems. 2018;(2):36-42. (In Russ.)
3. Maklashov V.A. Suppression of penetrating interference at the input of receivers. Trudy Mezhdunarodnogo sim-poziuma Nadezhnost' i kachestvo = Proceedings of the International Symposium Reliability and Quality. 2020;2:22-26. (In Russ.)
4. Maklashov V.A., Piganov M.N. Methods of interference suppression at the input of receivers of active interference stations. Radioelektronika, elektrotekhnika i energetika: tez. dokl. 26-y Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. (12-13 marta 2020) = Radioelectronics, electrical engineering and power engineering : thesis of the 26th International Scientific and Technical Conference. conf. (March 12-13, 2020). Moscow: Tsentr poligraficheskikh uslug «Raduga», 2020:71. (In Russ.)
5. Maklashov V.A., Piganov M.N. Mathematical model of the functioning of the active interference station. Trudy MAI = Proceedings of MAI. 2020;(113). (In Russ.). Available at: https://trudymai.ru/published.php?ID=118081
6. Burenko E.A., Nesterov S.V. Designing active frequency selective filters. Trudy MAI = Proceedings of MAI. 2018;(101). (In Russ.). Available at: https://trudymai.ru/published.php?ID=97011
7. Petrenko V.P. Ultrahigh frequency correctors of amplitude-frequency characteristics. Elektronika i mikro-elektronika SVCh = Electronics and microelectronics of microwave. 2015;5:88-92. (In Russ.)
8. Grigor'ev A.D. Elektrodinamika i tekhnika SVCh: uchebnik dlya vuzov po spetsial'nosti «Elektronnye pribory i ustroystva» = Electrodynamics and microwave technology : textbook for universities specializing in Electronic devices and devices. Moscow: Vyssh. shk., 2007:703. (In Russ.)
9. Trofimenkov V.V., Khripko V.A. L-band frequency response tilt corrector made on a three-layer structure. Ob-shchie voprosy radioelektroniki = General issues of radio electronics. 2006;(2). (In Russ.)
10. Egorov G.A., Kapkin S.P., Stel'makhovich L.A. et al. Multilayer ceramic chips based on LTCC technology. Elektronika: nauka, tekhnologiya, biznes = Electronics: science, technology, business. 2006;(5):42-45. (In Russ.)
Информация об авторах / Information about the authors
Дмитрий Николаевич Новомейский
аспирант,
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королёва (Россия, г. Самара, Московское шоссе, 34) E-mail: kipres@ssau.ru
Dmitry N. Novomeisky
Postgraduate student,
Samara National Research University
(34 Moscow highway, Samara, Russia)
Михаил Николаевич Пиганов
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры конструирования и технологии электронных систем и устройств, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королёва (Россия, г. Самара, Московское шоссе, 34) E-mail: kipres@ssau.ru
Антон Алексеевич Лупцов
аспирант,
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королёва (Россия, г. Самара, Московское шоссе, 34) E-mail: kipres@ssau.ru
Валерий Петрович Перевертов
кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры наземных транспортно-технологических средств, Самарский государственный университет путей сообщения
(Россия, г. Самара, ул. Свободы, 2В) E-mail: vperevertov@yandex.ru
Mikhail N. Piganov
Doctor of technical sciences, professor, professor of the sub-department of construction and technology of electronic systems and devices department, Samara National Research University (34 Moscow highway, Samara, Russia)
Anton A. Luptsov
Postgraduate student,
Samara National Research University
(34 Moscow highway, Samara, Russia)
Valeriy P. Perevertov
Candidate of technical sciences, associate professor, professor of the sub-department of ground transportation and technology tools, Samara State University of Communications (2V Svobody street, Samara, Russia)
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов / The authors declare no conflicts of interests.
Поступила в редакцию/Received 10.02.2024 Поступила после рецензирования/Revised 20.02.2024 Принята к публикации/Accepted 10.03.2024
