CC BY
65
Микрополосковый фильтр на полуволновых резонаторах
112 1 А.В. Андрианов , C.А. Быков , А.Н. Зикий , А.И. Пустовалов
1 Таганрогский научно-исследовательский институт связи, Таганрог Южный Федеральный Университет, Таганрог
Аннотация: в статье проведено моделирование и экспериментальное исследование микрополоскового фильтра на полуволновых резонаторах с четвертьволновыми связями. Получены следующие экспериментальные результаты:
- центральная частота 3,7 ГГц;
- ширина полосы пропускания 230 МГц;
- потери в полосе пропускания не более 4 дБ;
- заграждение при отстройке ± 200 МГц не менее 40 дБ.
Фильтр рекомендуется использовать во входной цепи приемника СВЧ.
Ключевые слова: микрополосковый фильтр, моделирование, эксперимент, сантиметровые волны.
При проектировании приемника СВЧ сигналов понадобился фильтр со следующими параметрами:
- центральная частота полосы пропускания 3,7 ГГц;
- ширина полосы пропускания не менее 130 МГц;
- потери в полосе пропускания не более 4 дБ;
- заграждение при отстройке на ± 200 МГц не менее 40 дБ;
- допускается ложная полоса пропускания на удвоенной центральной частоте (7,4 ГГц);
- волновое сопротивление входа и выхода 50 Ом. Перечисленные выше требования возможно реализовать в
микрополосковом полосовом фильтре с полуволновыми резонаторами и четвертьволновыми связями [1]. Для получения первого приближения геометрических размеров был проведен расчет, методика которого изложена в книге [1]. При этом были приняты следующие исходные данные:
- относительная диэлектрическкая проницаемость подложки sr= 9,6; толщина подложки 1 мм (поликор);
- число резонаторов п = 6;
- неравномерность потерь в полосе пропускания 1 дБ;
- относительная ширина полосы пропускания Д£Г0 = 3,5%.
Для этого случая получаем нормированные параметры полосковых
линий:
Wl/h = Wl/h = 0,956; = Бу/И = 0,282;
W2/h = W6/h = 1,206; Б2/И = Бб/И = 1, 44;
Wз/h = W5/h = 1, 22; Бз/И = = 1, 91;
W4/h = 1,222; Б1/И = 1,995; Учитывая, что толщина подложки И = 1 мм, получаем денормированные параметры топологии, приведенные в таблице 1, второй столбец.
Таблица № 1
Геометрические размеры полосковых линий
Параметр Размер в мм по расчету Размер в мм в модели Размер в мм в эксперименте Наименование параметра
Wl, 0,956 0,956 0,956 ± 0,02
^^2, W6 1,206 1,206 1,206 ± 0,02 Ширина резонатора
Wз, 1,22 1,22 1,22 ± 0,02
1,222 1,222 1,222 ± 0,02
Б1, Б7 0,282 0,282 0,282 ± 0,02
S2, Б6 1,44 1,44 1,44 ± 0,02 Зазор между
Бз, Б5 1,91 1,91 1,91 ± 0,02 резонаторами
Б4 1,995 1,995 1,995 ± 0,02
1 13 15,6 15,6 ± 0,02 Длина резонатора
Эти данные были использованы как первое приближение при
моделировании фильтра в MWO [2, 3]. Окончательный вариант размеров резонаторов помещен в третий столбец таблицы 1. Модель фильтра в MWO приведена на рисунке 1.
Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) фильтра, полученные в MWO, показаны на рисунках 2 и 3.
......MCLIN • • - ...... ID=TL1 • • - .....W=9.9S& mm ■ S=0.282 mm
• PORT • - Р=1 ■ - • Z=50 Ohm 3 ■ • • MCLIN..... —X ■ ■ ID=TL2.....
w '2 | ■ w \- ■ ■ ■ ■ s= i я 1 1.44. mm- • • - 1 3 ' ■ и X - • MCLIN - ID=TL3 W=1.22
■ ■ ■ Ег=9.6..... H=1 mm ■ ■ ■ T=0-05mm ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ RhO=1...... ■ ■ ■ ■ Tan-d=Q.QQ01 ■ ■ - ■ ■ ■ ■ ErNom=3.8- ■ ■ ■ 2 [ ■ и -■- ■ L=L1 mm — ■ ■ w - ■ —X • MCLIN ■ ID=TL4 W=1.222 S=1.995 Г
— ■ ■ и У ■ ■ W ■ • -X ■ • I --J • • • • • ■ •.,......■..... 2 [ 1 4 1 1 \ ' ' W ' -"- :=TL5 N1.22 mm i=1.91 mm 3 ■ ■ ■ M —x ■ • i: . . . . CLIN..... =TL6 ... =1.206'mm ■ ■ •
2\ ■ w у • • • ■ 3=1.44 mm ■ ■ ■ ■ L-=L1 mm ■ ■ ■ ■ 4 ■ 1 | ■ ■ w ■ ■ |—-x - • MCLIN ■ ■ ID=TL7 ■ ■ W=0.95 ■ ■ S=0.28 - • L=L1 m ¡-mm ■ ■ ■
• w ■ • b— ■ ■ К • ■ |—* "2 f 14' —4 ■ ■ W - ■ ■ -y~\ PORT ' ' -<Г ■ p=2 ' ' ■ Z=50 Olrm1
Рис. 1. - Модель фильтра на полуволновых резонаторах с
четвертьволновыми связями
3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8
Frequency (GHz)
Рис. 2. - АЧХ фильтра в MWO
-a- DB(|S(2,1)|) Schematic 1 I \ j\Jv К
/ к
A i l l 1
t / \
\ / \
\ / /
0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16
3.5 3.54 3.58 3.62 3.66 3.7 3.74 3.78 3.82 3.86 3.9
Frequency (GHz)
Рис. 3. - АЧХ фильтра в MWO в ближней зоне
Для оценки точности методики расчета был изготовлен макет фильтра и проведено его экспериментальное исследование. Макет состоит из корпуса рамочного типа, в который помещена плата из поликора размером 24х60х1 мм. Для подключения к измерительной установке фильтр имеет два соединителя типа СРГ50-751ФВ [4].
Эксперимент проводился на установке, содержащей векторный анализатор цепей типа PNA-LN5234A [10], набор кабелей и переходов. АЧХ фильтра в дальней зоне приведена на рисунке 4. АЧХ фильтра в ближней зоне показана на рисунке 5. Из этих рисунков можно сделать выводы, записанные в таблицу 2, четвертый столбец.
г ^DB(|S(2,1)|) Schematic 1
1
I]
0.00 -8.00
-16.00
-24.00
-32.00
| S21 LogM 8.000dB/ -40.0dB
[Trace Max On]
5 1: 4 92 GHz ЛА -67.4 dB
А \
I 1 V
1
/
(
\ ? I
W1* /
-48.00
-56.00
-64.00
-72.00 -80.00
>Ch1: Start 3.00000 GHz -
Stop 8.00000 GHz
Рис. 4. - ЭкспериментальнаяАЧХ фильтра в дальней зоне
| S21 LogM 2.000dB/ -6.00dB
> 1: 3 90 GHz -41.1 dB
N ,
\
\
\
\
\
4.00 2.00
0.00
-2.00
-4.00
6.00 ►
-8.00
-10.00
-12.00
-14.00 -16.00
Stop 3.90000 GHz
1 >Ch1: Start 3.50000 GHz —
Рис. 5. - Экспериментальная АЧХ фильтра в ближней зоне
Таблица № 2
Основные параметры фильтра
Задано Получено при моделировании Получено при эксперименте
Центральная частота, ГГц 3,7 3,7 3,7
Ширина полосы пропускания, МГц > 130 230 МГц на уровне минус 3 дБ от max >130
Потери в полосе пропускания, дБ, не более 4 4 4 в диапазоне частот от 3,635 до 3,765
Заграждение при отстройке ± 200 МГц, не менее, дБ 40 >40 45
Волновое сопротивление, Ом 50 50 50
Потери на удвоенной центральной частоте, дБ >3 2...9 6.12
Из таблицы 2 видно, что все требования к фильтру выполняются. Фильтр рекомендуется использовать в приемниках СВЧ сигналов [6 - 10].
Литература
1. Миниатюрные устройства УВЧ и ОВЧ диапазонов на отрезках линий. // Зелях Э.В., Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Брилон В.С. - М.: Радио и связь, 1989. 112 с.
2. Бахвалова С.А., Романюк В.А. Основы моделирования и проектирования радиотехнических устройств в MicrowaveOffice. Учебное пособие. - М.: Солон-Пресс, 2016. - 152 с.
3. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с помощью MicrowaveOffice. - М.: Солон-Пресс, 2003. - 496 с.
4. Джуринский К.Б. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ. - М.: Техносфера, 2006. - 216 с.
5. Шурховецкий А.Н. Многоканальная частотно-избирательная система СВЧ диапазона на основе направленных фильтров бегущей волны. Инженерный вестник Дона, 2010, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2010/292.
6. Пустовалов А.И. Двухканальное приемное устройство СВЧ диапазона. Инженерный вестник Дона, 2010, №2. URL: ivdon. ru/ru/magazine/archive/n2y2010/195.
7. TSUI J.B.Y. Microwave Receivers with Electronic Warfare Applications. Wiley-Interscience Publication, 1986. - 460 p.
8. Skolnik M.I. Radar Handbook. N.Y., McGraw-Hill Companies, 2008. -1352 p.
9. Wiley R.G. Electronic Intelligence: The Interception of Radar Signals. 1985. - 451 p.
10. Руководство по эксплуатации анализатора цепей серии PNA,PNA-L, PNA-X компании Agilent Technologies, 2008.- 120 c.
References
1. Zeljah E.V., Feldshtejn A.L., Yavich L.R., Brilon V.S. Miniatjurnye ustroistva UVCh i OVCh diapazonov na otrezkah linij [Miniature facilities of VHF and UHF ranges on Line segments]. M.: Radio isvjaz, 1988. 136 p.
2. Bahvalova S.A., Romanjuk V.A. Osnovy modelirovanija i proektirovanija radiotehnicheskih ustroistv v Microwave Office. Uchebnoe posobie [Basis of modelling and designing of radio technical facilities in Microwave Office. Teaching aid]. M.: Solon-Press, 2016. 152 p.
3. Razevig V.D., Potapov Y.V., Kurushin A.A. Proektirovanie SVCH ustrojstv s pomoschyu Microwave Office [Designing of microwave devices using Microwave Office]. M.: Solon-Press, 2003. 496 p.
4. Dzhurinskiy K.B. Miniatyurnye koaksialnye radiokomponenty dlya mikroelektroniki SVC [Miniature coaxial microwave radio components for microelectronics]. M.: Tekhnosfera, 2006. 216p.
5. ShurkhovetskiyA.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2010, №4. URL : ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2010/292.
6. PustovalovA.I. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2010, №2. URL : ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2010/195.
7. TSUI J.B.Y. Microwave Receivers with Electronic Warfare Applications. Wiley-Interscience Publication, 1986. 460 p.
8. Skolnik M.I. Radar Handbook. N.Y., McGraw-Hill Companies, 2008. 1352 p.
9. Wiley R.G. Electronic Intelligence: The Interception of Radar Signals. 1985. 451p.
10.Rukovodstvo po expluatacii analizatora tcepey serii PNA, PNA-L, PNA-X company Agilent Technologies [Operating manual of circuit analyzer of PNA, PNA-L, PNA-X series of Agilent Technologies company]. 2008. 120p.
