CC BY
27
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
УДК621.39
МОДЕЛЮВАННЯ БАГАТОРЕЗОНАТОРНИХ МОНОЛІТНИХ МЕТАЛОДІЕЛЕКТРИЧНИХ ФІЛЬТРІВ
Боженко К.О.1
Проектування смугово-пропускних фільтрів на зв’язаних короткозамк-нених коаксіальних діелектричних резонаторах (ФКДР) та монолітних ме-талодіелектричних фільтрів (МФ), які в першому наближені можна вважати аналогами, у своїй основі базується на методах класичного синтезу частотно-вибіркових структур [1,2]. В узагальненому вигляді цей процес можна подати наступним алгоритмом.
Перше. На підставі загальнотеоретичних знань з електродинаміки, експериментальних досліджень [1] та технологічних можливостей визначаються основні конструктивні розміри керамічної заготовки.
Друге. Методами класичного синтезу поліноміальних фільтрів визначаються значення ємностей, що є елементами зв’язку між резонаторами та з зовнішніми колами (вхідною та вихідною лініями передачі).
Третє. Розраховуються (методами електродинаміки) або визначаються на підставі спеціально поставлених експериментальних досліджень геометричні розміри відповідних конструктивних елементів, що реалізують вказані елементи зв’язку.
Для ефективного використання такого алгоритму перш за все необхідно розробити модель фільтру, що проектується, у вигляді еквівалентної схеми та поставити у відповідність елементам цієї схеми елементи перетвореного фільт-ру-прототипу. В рамках даної статі розглядатимемо перші два етапи алгоритму проектування МФ.
На рис. 1 наведений один з варіантів конструктивного виконання МФ. Фільтр являє собою керамічну заготовку 1, яка з п’ятьох сторін вкрита шаром металу 5 (зазвичай сріблом, іноді міддю). У цій заготовці є наскрізні отвори 2, які являються центральними провідниками резонаторних ліній передачі, та з’єднані з одного боку з шаром металізації 5. Ці отвори також з’єднані з металевими площадками 4, що нанесені на одну з поверхонь заготовки і є елементами міжрезонаторного зв’язку або елементами зв’язку з вхідним та вихідним причому в останньому випадку для реалізації зв'язку використовується і площадка 3.
На рис. 2 подана еквівалентна схема МФ, що побудована за принципа-
Рис. 1.
1 Робота виконана під науковим керівництвом к.т.н., доц. Мірських Г.О.
86
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№41
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
ми, детально розглянутими в [2]. На рис. 3 наведена схема перетвореного фільтру-прототипу.
Z і:
Zn.
І
X
Cg/out
-о
Вихід
out
Рис. 3.
Відомо [2], що елементи схеми, наведеної на рис. 3, визначаються через елементи вихідного (до перетворення) фільтру-прототипу як
J 01
GAw.
V go gl
V(i = U,n —1) J = w
ЬА,1 . J
V g.g.+i ’
n,n+1
iGouAw
g ng n+1
J ю2 — Ю1
де Ь. - параметр крутизни реактивної провідності; w = —2------1
відносна
ширина смуги пропускання; ю0, ю1, ю2 - центральна та граничні частоти смуги пропускання (граничні частоти визначаються відповідно [2]); g і -елемент прототипу нижніх частот.
Параметри крутизни реактивної провідності можна визначити як
V(i = і,...,n) Ь = Yr Clge° + 9°csc9,
де 90 - електрична довжина резонаторних ліній передачі на середній частоті смуги пропускання, Yr - хвильова провідність резонаторних ліній передачі.
Таким чином, перший етап розв’язання задачі синтезу МФ полягає в тому, щоб визначити параметри інверторів J01, J12,..., Jn—1n, Jnn+1, через
значення відповідних елементів еквівалентної схеми МФ (рис. 2). Розглянемо інвертор J01, за допомогою якого здійснюється зв'язок першого резонатора фільтру з вхідною лінією передачі. В еквівалентній схемі фільтру
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№41
87
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
величина цього зв’язку визначається елементами Cg/in, Сіп, при цьому слід враховувати, що провідність G0, що підключена до входу МФ тракту, має бути перетворена за допомогою інвертора J01 до входу першого резонанс-
ного елементу МФ як G. =
J,
01
Вхід
О - с О
с
Рис. 4.
Вимогам щодо властивостей інвертора задовольняє схема [2], подана на
рис. 4. При цьому J01 = юС. Відмітимо, що негативні значення ємностей в паралельних гілках схеми рис. 4, при реалізації МФ додаються до позитивних значень конструктивних ємностей. З цієї точки зору для реалізації характеристик МФ максимально наближених до характеристик філь-тру-прототипу необхідно виконання умови Cg /in = С. Негативний характер
ємності інвертора з боку першого резонансного елементу призводить до зміщення його резонансної частоти, що компенсується в процесі ладнання фільтру. Аналогічно розраховується і інвертор, що з’єднує з зовнішнім трактом вихідний резонатор.
Міжрезонаторний зв'язок у наведеній на рис. 1 конструкції МФ здійс-Y нюється (див. [3]) за рахунок електромагні-
тного зв’язку між центральними провідниками (металізованими отворами) резонаторів та ємнісного зв’язку між контактними площадками 4 (див. рис.1). З метою реалізації необхідної величини міжрезонаторного зв’язку за допомогою вказаних елементів, їх слід "вписати" в одну з відомих схем інверторів [2]. Вважатимемо, що між резонаторний зв'язок обумовлюється виключно сусідніми резонаторними лініями передачі. За цієї умови в даній конструкції для реалізації інвертора можна вибрати схему, наведену на рис. 5. Цей інвертор складається з двох паралельно включених інверторів, один з яких повністю відповідає схемі, показаній на рис. 4, а другий містить відрізки ліній передачі, два з яких відрізняються негативною хвилевою провідністю. Величину хвилевої провідності Yc цих відрізків ліній передачі можна розрахувати як Yc =----, де
Yoe Yoo
Yoe, Yoo - відповідно непарна та парна провідність зв’язаних резонаторних ліній фільтру.
Використання наведеної на рис. 5 схеми інвертора, в реальних конструкціях не викликає утруднень, бо відповідна негативна хвильова провід-
2
88
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№41
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
ність інвертора додається до позитивної хвильової провідності відповідної лінії передачі, що утворює резонатор. Це, звичайно, слід враховувати при виборі хвильової провідності Yr резонаторів. Відмітимо, що хвильова провідність резонаторів, за звичай, вибирається з умови отримання максимальної добротності останніх і для наведеного конструктивного виконання МФ становить величину близьку до 70 Ом. Ця величина цілком прийнятна для забезпечення всіх технологічних вимог до прес-форми при відносній діелектричній провідності широковживаного матеріалу заготовки 37.
Наведені співвідношення дозволяють з достатньої точністю реалізувати перший та другий етапи наведеного вище алгоритму проектування МФ. При цьому наведені еквівалентні схеми МФ дозволяють прогнозувати характеристики в смузі як пропускання, так і загородження. Крім того ці схеми відкривають можливість побудови алгоритму ладнання МФ, що дозволить суттєво знизити похибки у фінішних операціях технологічного процесу виготовлення МФ, зменшити термін та вартість робіт з навчання відповідного виробничого персоналу.
Для формування завершення алгоритму проектування МФ необхідно розроблення ефективного методу розрахунку геометричних розмірів елементів зв’язку резонаторів з зовнішніми колами та між собою, а також ефективні технологічні прийоми реалізації відповідних елементів, що забезпечують вказані зв’язки.
Література
1. Мірських Г.О., Андрусенко Є.М. Експериментальне дослідження монолітних діелектричних фільтрів з додатним характером зв’язку резонансних елементів // Вісник НТУУ "КПІ". Серія - Радіотехніка. Радіоапаратобудування. Вип. 38 - 2009 - С. 65 - 69.
2. Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи святи. Т. 1. М.: 1971. - 444 с.
3. Chong-Yun Kang, Ji-Won Choi, Seok-Jin Yoon, Hyun-Jai Kim, Chang-Yub Parc. Design of monoblock dielectric filter using (PbCa)(FeNbSn)O3 ceramics // Journal of materials
science: Materials in electronics. No 10 (1999), pp. 661-666_________________
Боженко К.О. Моделювання багаторезонаторних монолітних металодіелектрич-них фільтрів. Представлена математична модель та еквівалентна схема багаторе-зонаторного монолітного діелектричного фільтру, яка описує його амплітудно-частотну характеристику як у смузі пропускання так і поза неї.
Ключові слова: НВЧ фільтр, керамічні фільтри, діелектричні монолітні фільтри_
Боженко К.А. Моделирование многорезонаторних монолитних металлодиэлектрических фильтров. Представлена математическая модель и эквивалентная схема многорезонаторного монолитного металлодиэлектрического фильтра, которая описывает его амплитудно-частотную характеристику, как в полосе пропускания, так и за её пределами.
Ключевые слова: СВЧ фильтр, керамические фильтры, монолитные фильтры_________
Bogenko K.A. Model of the Multi-Resonator Monolithic Metal-Dielectric Filter. Mathematic model and equivalent circuit of the multi-resonator monolithic metal-dielectric filter are described. This model describes the amplitude frequency characteristic both in band-pass and stop-pass.
Key words: U UHl\ filter, ceramic_ filter, dielectric monolithic_ filter_____
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№41
89
