CC BY
63УДК 621.3.029.6
МИКРОПОЛОСКОВЫЙ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР НА МНОГОМОДОВОМ РЕЗОНАТОРЕ В ФОРМЕ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ РАМКИ
Б. А. Беляев1,2, С. А. Ходенков1, В. В. Мочалов2, В. В. Храпунова1, С. В. Ефремова1
1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2Институт физики имени Л. В. Киренского СО РАН Россия, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50. E-mail: [email protected]
Разработан и изготовлен экспериментальный макет микрополоскового полосно-пропускающего фильтра на многомодовом резонаторе в форме прямоугольной рамки. Благодаря особой форме резонатора удалось сблизить частоты четырех нижайших резонансов так, что они сформировали первую полосу пропускания фильтра с высокими частотно-селективными свойствами.
Ключевые слова: микрополосковый фильтр, резонатор, полоса пропускания.
THE MICROSTRIP BAND-PASS FILTER BASED ON A MULTIMODE RESONATOR IN THE FORM OF A RECTANGULAR FRAME
B. A. Beliaev1,2, S. A. Hodenkov1, V. V. Mochalov2, V. V. Khrapunova1, S. V. Efremova1
1Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia 2Kirenskii Institute of Physics Siberian Branch of the Russian Academy of Science 50, Academgorodok, Krasnoiarsk, 660036, Russia E-mail: [email protected]
The experimental exemplar of the microstrip band-pass filter based on a multimode resonator in the form of a rectangular frame was developed and manufactured. Due to its special form the resonator can pull together frequencies of four lower resonances so that they created the first band of a pass of the filter with high frequency selective properties.
Keywords: microstrip band-pass filter, resonator, band-pass.
Разработчиков частотно-селективных устройств сверхвысоких частот, в том числе и полосно-пропускающих фильтров, в последнее время привлекают многомодовые микрополосковые и полосковые резонаторы [1-3]. Прежде всего это связано с возможностью существенного уменьшения габаритов устройств за счет снижения количества резонаторов в них, причем без ухудшения их частотно-селективных свойств. Так, использование многомодо-вых резонаторов в конструкции фильтра позволяет сформировать его полосу пропускания, используя резонансы сразу нескольких мод колебаний от каждого резонатора, частоты которых удается сблизить. В результате при неизменном порядке фильтра, которым и определяются его частотно-селективные свойства, количество резонаторов в нем уменьшается во столько раз, сколько мод колебаний от каждого резонатора участвуют в формировании полосы пропускания.
Настоящая работа посвящена разработке с использованием электродинамического подхода конструкции микрополоскового фильтра на многомодовом резонаторе в форме прямоугольной рамки, с последующей проверкой рассчитанной АЧХ с АЧХ, снятой с реально изготовленного опытного образца устройства. Фильтр (рис. 1, а), реализован на подложке (1) из традиционного СВЧ-материала - ФЛАН-2.8 с диэлектрической проницаемостью е = 2,8 и толщиной И = 2 мм. На одну сторону подложки нанесено заземляемое основание
(2), а на вторую сторону нанесены соединенные в замкнутую прямоугольную рамку два полосковых проводника (3), имеющих различную ширину, и два полосковых проводника (4), имеющих ступенчатое изменение ширины. На этой же стороне подложки параллельно длинным сторонам прямоугольной рамки находятся полосковые проводники (5), электромагнитно связанные с замкнутой прямоугольной рамкой.
Как известно [4], конструктивные особенности многомодовых резонаторов позволяют существенно сблизить в них собственные частоты двух первых (нижайших) типов колебаний, в результате чего каждый резонатор может иметь сразу несколько рабочих резонансов, что позволяет более эффективно использовать полезный объем, занимаемый устройством.
В рассматриваемом устройстве (рис. 1) многомо-довый режим работы микрополоскового резонатора осуществляется за счет особой формы проводников, протяженных вдоль оси х и оси у, конструктивно представляющих собой замкнутую прямоугольную рамку. Благодаря такому соединению полосковых проводников и их нерегулярностям можно сблизить частоты их нижайших резонансов так, чтобы они сформировали первую полосу пропускания фильтра. Так (рис. 2, б), самый низкочастотный резонанс возникает за счет полосковых проводников, протяженных вдоль оси у, самый высокочастотный резонанс -за счет протяженных вдоль оси х.
Решетневскуе чтения. 2013
/ГГц
а
б
Рис. 2. Теоретическая (линии) и экспериментальная (точки) АЧХ полосно-пропускающего фильтра:
а - АЧХ фильтра; б - фрагмент АЧХ
Еще два резонанса, формирующих полосу пропускания, образуются на тех частотах, когда суммарная электрическая длина (набег фазы) полосковых проводников рамки равна 360°. В этом случае по длине всей рамки укладывается одна полная длина волны, что соответствует резонансу бегущей волны, когда электромагнитная волна вынуждена циркулировать по замкнутой траектории прямоугольной рамки. Благодаря нерегулярностям полосковых проводников рамки наблюдается два таких резонанса. Для одного из них направление циркуляции - по «часовой стрелке», для другого - против «часовой стрелки».
Существенному увеличению подавления мощности на частотах полос заграждения (рис. 2, а) способствует смежное подключение (на одном уровне по оси у) тракта СВЧ не непосредственно к прямоугольной рамке (кондуктивно), а к одиночным полосковым проводникам, за счет чего возникает одновременно и емкостная, и индуктивная связь этих проводников с проводниками прямоугольной замкнутой рамки. В результате, как видно из рис. 2, на АЧХ рядом с первой полосой пропускания наблюдаются два полюса затухания СВЧ-мощности. Первый полюс рас-
полагается рядом с низкочастотным склоном ПП, а второй - рядом с высокочастотным. Происхождение полюсов затухания мощности связано с тем, что на этих частотах емкостная и индуктивная связи входных полосковых проводников с полосковыми проводниками замкнутой прямоугольной рамки взаимно компенсируют друг друга. Кроме того, размеры этих двух одиночных полосковых проводников подобраны так, что их резонансные частоты попадают на частоты второй - паразитной - полосы пропускания фильтра, существенно подавляя ее и тем самым расширяя ширину полосы заграждения заявляемого фильтра.
Стоит отметить хорошее согласие теоретической АЧХ, рассчитанной электродинамическим анализом 3Б-модели, с АЧХ, снятой с реально изготовленного экспериментального макета (см. рис. 1, б). Незначительное расхождение данных связано с неравномерным подтравом медных проводников фильтра в процессе технологического изготовления методом гравировки по лаку. При этом изготовленный фильтр имел относительную ширину полосы пропускания Д///0 ~ 36 %, измеренную по уровню -3 дБ от уровня минимальных
потерь, которые составляли величину Ьтт ~ 0,3 дБ на центральной частоте полосы пропускания /0 ~ 1,88 ГГц.
Конструктивные параметры прямоугольной рамки были следующими: длина и ширина полосковых проводников 3, протяженных вдоль оси х (см. рис. 1, а), 15,8^4,6 мм и 14,4^0,4 мм соответственно. Симметричные полосковые проводники 4, протяженные вдоль оси у, состоят из двух состыкованных отрезков, имеющих ступенчатое изменение ширины. Длина и ширина первого отрезка 7,4x1,5 мм, второго отрезка 33,3x0,8 мм. Конструктивные параметры полосковых проводников 5: ширина 0,2 мм, длина 27,5 мм, величина зазора до замкнутой прямоугольной рамки составила по оси х: 0,5 мм, а по оси у: 0,2 мм.
Таким образом, разработан микрополосковый по-лосно-пропускающий фильтр на многомодовом резонаторе в форме прямоугольной рамки с высокими частотно-селективными свойствами, обусловленными малыми потерями мощности в полосе пропускания, высокой прямоугольностью склонов полосы пропускания и протяженной высокочастотной полосой заграждения.
Библиографические ссылки
1. Беляев Б. А., Ходенков С. А. Исследование мик-рополоскового фильтра на многомодовых резонаторах // Известия высших учебных заведений. Физика. 2010. Т. 53. № 9/2. С. 161-162.
2. Беляев Б. А., Довбыш И. А., Лексиков А. А., Тюрнев В. В. Частотно-селективные свойства микро-полоскового фильтра на нерегулярных двухмодовых резонаторах // Радиотехника и электроника. 2010. Т. 55, № 6. С. 664-669.
3. Довбыш И. А., Тюрнев В. В. Синтез микропо-лосковых фильтров на двухмодовых резонаторах методом интеллектуальной оптимизации // Известия высших учебных заведений. Физика. 2010. Т. 53. № 9/2. С. 182-187.
4. Пат. 2475900 Российская Федерация. Микрополосковый полосно-пропускающий фильтр / Б. А. Беляев, С. А. Ходенков ; заявитель и патентообладатель Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т им. акад. М. Ф. Решетнева. Заявл. 28.12.2011.
References
1. Beljaev B. A., Hodenkov S. A. Issledovanie mikropoloskovogo fil'tra na mnogomodovyh rezonatorah // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Fizika. 010. T. 53, № 9/2. C. 161-162.
2. Beljaev B. A., Dovbysh I. A., Leksikov A. A., Tjurnev V. V. Chastotno-selektivnye svojstva mikropoloskovogo fil'tra na nereguljarnyh dvuhmodovyh rezonatorah // Radiotehnika i jelektronika. 2010. T. 55, № 6. S. 664-669.
3. Dovbysh I. A., Tjurnev V. V. Sintez mikropoloskovyh fil'trov na dvuhmodovyh rezonatorah metodom intellektual'noj optimizacii // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Fizika. 2010. T. 53, № 9/2. S. 182-187.
4. Pat. 2475900 Rossijskaja Federacija. Mikropo-loskovyj polosno-propuskajushhij fil'tr / B. A. Beljaev, S. A. Hodenkov ; zajavitel' i patentoobladatel' Sibirskij gosudarstvennyj ajerokosmicheskij universitet imeni akademika M. F. Reshetneva. Zajavl. 28.12.2011.
© Беляев Б. А., Ходенков С. А., Мочалов В. В., Храпунова В. В., Ефремова С. В., 2013
УДК 537.32
РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Е. Н. Васильев, В. А. Деревянко
Институт вычислительного моделирования СО РАН Россия, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50. E-mail: [email protected]
Представлены результаты расчета характеристик термоэлектрической системы охлаждения. Получены зависимости эффективности охлаждения от параметров системы теплоотвода, тепловой мощности элемента, характеристик и энергопотребления модуля.
Ключевые слова: термоэлектрический модуль, тепловой режим радиоэлементов, система охлаждения.
CALCULATION OF THERMOELECTRIC MODULES EFFICIENCY FOR COOLING OF RADIO ELECTRONIC COMPONENTS
E. N. Vasiliev, V. A. Derevianko
Institute of Computational Modeling SB RAS 50, Akademgorodok, Krasnoiarsk, 660036, Russia. E-mail: ven@icm. krasn.ru
The results of the calculation of the thermoelectric cooling system characteristics are presented. The dependences of the cooling efficiency on parameters of the heat removing system, radio electronic component thermal power, characteristics and module energy consumption are received.
Keywords: thermoelectric module, heat regime of radio electronic components, cooling system.
