CC BY
12X
M
Д.Д. ДМИТРИЕВ, А.А. ЛЕКСИКОВ, А.Б. ГЛАДЫШЕВ
АРМИЯ-2023
D.D. DMITRIEV, A.A. LEXIKOV, A.B. GLADYSHEV
РЕШАЯ ЗАДАЧИ ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЯ
SOLVING THE PROBLEMS OF IMPORT SUBSTITUTION
РЕЗУЛЬТАТЫ НАУЧНОЙ КООПЕРАЦИИ ВОЕННОГО УЧЕБНОГО ЦЕНТРА СФУ С КРАСНОЯРСКИМ НАУЧНЫМ ЦЕНТРОМ СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН
THE RESULTS OF SCIENTIFIC COOPERATION BETWEEN THE MILITARY TRAINING CENTER OF THE SIBERIAN FEDERAL UNIVERSITY AND THE KRASNOYARSK SCIENTIFIC CENTER OF THE SIBERIAN BRANCH OF THE RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES
Сведения об авторах: Дмитриев Дмитрий Дмитриевич - профессор военного учебного центра имени Героя России генерала армии Дубинина В. П. при ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», полковник, кандидат технических наук, доцент (г. Красноярск. E mail: dmitriev121074@mail. ru);
Лексиков Андрей Александрович - ведущий научный сотрудник лаборатории электродинамики и СВЧ электроники Института физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, доктор технических наук (г. Красноярск. E mail: a.a.leksikov@gmail.com);
Гладышев Андрей Борисович - начальник кафедры РЭБ военного учебного центра имени Героя России генерала армии Дубынина В.П. при ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», полковник, кандидат технических наук, доцент (г. Красноярск. E mail: a-glonass@yandex.ru).
Аннотация. В работе приведены результаты разработки и исследования конструкции миниатюрного полосно-пропускающего фильтра на основе многопроводниковых полосковых резонаторов. В программе электродинамического анализа спроектирован, а затем изготовлен полосно-про-пускающий фильтр шестого порядка на семипроводниковыхрезонаторах.
Ключевые слова: сверхвысокие частоты, полосно-пропускающий фильтр, полосковый резонатор, полоса заграждения, глубина подавления.
Information about the authors: Dmitry Dmitriev - Professor of the Military Training Center named after the Hero of Russia General of the Army Dubynin V.P., at the Siberian Federal University, Colonel, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (Krasnoyarsk. E mail: dmitriev121074@mail.ru);
Andrey Lexikov - Leading Researcher, Laboratory of Electrodynamics and Microwave Electronics, Institute of Physics. L.V. Kirensky Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Doctor of Technical Sciences (Krasnoyarsk. E mail: a.a.leksikov@gmail.com);
Andrey Gladyshev - Head of the Department of Electronic Warfare of the Military Training Center named after the Hero of Russia, General of the Army Dubynin V.P., at the Siberian Federal University, Colonel, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (Krasnoyarsk. E mail: a-glonass@yandex.ru).
Summary. The paper presents the results of the development and research of the design of a miniature bandpass filter based on multiconductor stripline resonators. In the program of electrodynamic analysis, a sixth-order band-pass filter was designed and then manufactured on seven-wire resonators.
Keywords: ultrahigh frequencies, bandpass filter, stripline resonator, stopband, suppression depth.
АРМИЯ-2023 А
Электронная промышленность является одним из ключевых направлений современной промышленности, основой высокотехнологичных изделий многих отраслей промышленности. Следует отметить, что на сегодняшний день наблюдается значительное техническое и технологическое отставание производства электронной аппаратуры для гражданского и военного (специального) применения.
Развитие производства электронных компонент, особенно сверхвысоких частот (СВЧ), важно для России для вывода отечественной микроэлектронной промышленности на новый уровень и решения задач по импор-тозамещению электронной компонентной базы. В настоящее время небольшое количество отечественных предприятий могут предложить современные электронные компоненты для разработчиков радиоэлектронной и телекоммуникационной аппаратуры.
Важно отметить, что, например, в гражданской авиации до сих пор отсутствуют бортовые радиолокационные системы, гражданские самолёты вынуждены ориентироваться при посадке и взлёте по наземным радиолокационным устройствам, что не исключает повышенную опасность маневрирования и возможность столкновения. Отсутствие таких радиолокаторов в гражданской авиации связано с тем, что бортовые радиолокационные системы до настоящего времени строятся на дорогой элементной базе, что приводит к неприемлемо высокой стоимости всей системы.
В связи с вышесказанным крайне актуальной является задача разработки и создания производства новой элементной базы, отвечающей современным требованиям при решении самых сложных радиотехнических задач.
Как было известно в России, до 80% элементной базы, используемой в радиотехнических
Рис. 1. Конструкция многопроводникового полоскового резонатора
устройствах бытового и специального назначения, закупалось за рубежом. В сфере высокотехнологичной элементной базы эта ситуация проявляется ещё острее, процент зарубежных элементов здесь достигает 95%. В сложившихся условиях необходимо производить импортозамещение элементной базы и переходить на производство отечественных компонентов для радиотехнических устройств.
Учитывая тот факт, что современные радиотехнические системы связи, радиолокации, радионавигации и специальной радиоаппаратуры, как правило, содержат огромное количество фильтров радиосигналов, то габариты систем во многом определяются как раз размерами этих фильтров. Кроме того, важно отметить, что характеристиками фильтров нередко определяется и качество радиоаппаратуры, и её надежность, а цена фильтров в значительной мере отражается на стоимости радиотехнических систем в целом.
Полосно-пропускающие фильтры являются важнейшими элементами любых систем радиосвязи, включая цифровые, а также бортовых и наземных радиолокационных станций, радионавигационных систем, специальной и измерительной радиоаппара-
туры. Наиболее массовое производство фильтров осуществляется для нужд мобильной связи, компьютеров, телевидения и радио. В случае спутниковых систем телевещания и коммуникации по-лосно-пропускающие фильтры во многом будут определять стоимость и габариты спутника, так как именно фильтры в настоящий момент занимают значительную часть внутреннего пространства спутника (в случае телекоммуникационных спутников объём, занимаемый фильтрами, может достигать 80% всего полезного объёма аппарата).
В связи с вышеизложенным преподаватели военного учебного центра СФУ, сотрудники научно-образовательной лаборатории «Системы навигации, управления и связи» при ВУЦе СФУ совместно с Красноярским научным центром Сибирского отделения РАН принимали участие в волнении комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства с участием российского высшего учебного заведения по теме: «Организация высокотехнологичного производства миниатюрных по-лосно-пропускающих фильтров на многослойных полосковых структурах», а также в прикладных научных исследованиях по теме: «Разработка миниатюрных высокоселективных полосно-про-пускающих СВЧ-фильтров различных диапазонов длин волн».
Актуальность разработки и производства фильтров с высокими частотно-селективными свойствами продиктована насыщенностью окружающего пространства электромагнитными волнами самых различных частот, которые являются помехами для работы конкретного радиотехнического устройства или системы. В настоящий момент в России полностью регламентирован диапазон частот от 9 кГц до 275 ГГц, что говорит о его большой насыщенности радиосигналами. Так,
к примеру, радиолокация осуществляется в диапазоне от 1.635 МГц до 17.2 ГГц, радиовещание (в том числе телевидение и спутниковая связь) - от 248 кГц до 72 ГГц. Сети сотовой мобильной связи, раньше занимавшие диапазон 450 МГц, освоили диапазоны 850...900 МГц, 1.8...1.9 ГГц и 2.0 ГГц, а с появлением сетей 4-го поколения добавился диапазон частот 2.5.2.6 ГГц. В настоящее время с появлением сетей 5 поколения планируется осваивать частоты диапазона 6 ГГц, свыше 20 ГГц (26.4 ГГц и 33.1 ГГц). Похожая ситуация наблюдается в мобильных сетях передачи данных (Wi-Fi и Bluetooth). Такие сети работают на частотах в области 2.4 ГГц, а начиная со следующего поколения они работают на частотах вблизи 5 ГГц. По предварительным прогнозам, в ближайшие 10 лет подобные сети будут работать в диапазоне частот 60 ГГц.
Такая насыщенность спектра приводит к тому, что для достаточного подавления существующих помех при приёме сигнала разработчикам приходится каскадно соединять несколько фильтров, а для расширения полос заграждения применять дополнительно фильтры верхних и нижних частот. В результате значительно усложняются радиотехнические системы, так как включение новых фильтрующих устройств, как правило, требует ещё и размещения соответствующих цепей согласования и подстройки, что, соответственно, приводит к их удорожанию. В случаях, когда на габариты или вес радиотехнических устройств накладываются жёсткие ограничения, например, в носимых станциях связи или в бортовой аппаратуре летательных аппаратов, конструкторам приходится жертвовать высокими частотно-селективными свойствами фильтров, уменьшая их размеры, что приводит к снижению характеристик устройств. В то же время, из-за сложности реализа-
0-
150-
.100 -
-150
<200 ■
ции, миниатюрные полосно-про-пускающие фильтры с глубокими полосами заграждения выпускают только единицы производителей в мире.
Таким образом, конкурентного преимущества на рынке радиоэлектронной аппаратуры можно достичь путём расширения функциональных возможностей, улучшения массогабаритных характеристик и снижения стоимости за счёт применения электронных компонент, в частности полосно-пропускающих фильтров, российского производства.
Основной проблемой, на решение которой были направлены данные проекты, явилось создание современной научно-производственной инфраструктуры разработки и производства миниатюрных полосно-пропускающих фильтров на основе многослойных полосковых структур. Новый технический и технологический уровень производства электронной компонентной базы может быть достигнут посредством коренной модернизации существующей, а также создания новой производственно-технологической основы. При этом сократится существующий технологический
Ju
M АРМИЯ-2023
разрыв с мировым уровнем, будет достигнуто повышение технико-экономических показателей и увеличатся объёмы производства радиоэлектронной аппаратуры гражданского и военного назначения.
Основное внимание при создании новых конструкций фильтров разработчики уделяют увеличению их избирательности, уменьшению габаритов, технологичности в изготовлении и, конечно, стоимости. Известно, что традиционные СВЧ полосно-пропуска-ющие фильтры имеют паразитные «окна прозрачности» на резонансных частотах высших мод колебаний, поэтому у них сравнительно узкая высокочастотная полоса заграждения. Однако для современных систем связи и различной специальной радиоаппаратуры требуются миниатюрные планар-ные полосно-пропускающие фильтры (ППФ), обладающие не только широкой полосой заграждения (ПЗ), но и высоким уровнем подавления в ней. Наращивание числа звеньев в конструкции ППФ позволяет улучшить подавление помех в полосах заграждения, но приводит к неприемлемо большим потерям мощности полезного сиг-
Рис. 2. Рассчитанные АЧХ полосно-пропускающих фильтров с различным числом резонаторов
АРМИЯ-2023
X
М
Рис. 3. График ослабления мощности в высокочастотной полосе заграждения (протяжённостью 10 £,) в зависимости от количества резонаторов фильтра, и фотография изготовленного макета устройства
нала и значительному увеличению габаритов устройств.
Улучшить характеристики ПЗ удаётся построением планарных фильтров на подвешенной подложке с двухсторонним рисунком полосковых проводников. Однако рекордно высокими характеристиками ПЗ отличаются фильтры на миниатюризованных коаксиальных резонаторах. Например, в фильтре четвёртого порядка на таких резонаторах полоса заграждения по уровню минус 90 дБ простирается до 47-Ш. Но фильтры на таких резонаторах менее технологичны по сравнению с планар-ными конструкциями.
Одним из перспективных подходов к преодолению указанных выше проблем является применение многопроводниковых полосковых резонаторов. Фильтры на многопроводниковых полосковых резонаторах благодаря ряду достоинств по сравнению с традиционными однопроводнико-выми резонаторами находят всё большее применение в технике СВЧ. Многопроводниковые резонаторы обладают рекордной миниатюрностью и добротностью даже в метровом диапазоне длин волн, причём их добротность растёт, а размеры уменьшаются
с увеличением числа проводников структуры и уменьшением толщины диэлектрических слоёв. В то же время систематических исследований частотно-селективных свойств фильтров на их основе не проводилось. В настоящей работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований селективных свойств ППФ на основе многопроводниковых полосковых резонаторов. Такие исследования очень важны как с точки зрения возможности достижения предельных характеристик, так и перспективности их применения в технике СВЧ.
Полосковый многопроводниковый резонатор (см. рис. 1) содержит многослойную структуру, подвешенную между двумя экранами в металлическом корпусе. Структура состоит из полосковых металлических проводников, электромагнитно связанных между собой и разделённых тонкими диэлектрическими слоями. Проводники с нечётными номерами одним концом замкнуты на экран с одной стороны, а проводники с чётными номерами - замкнуты одним концом на экран с противоположной стороны.
В ходе исследований в программе электродинамического
анализа были синтезированы ППФ фильтры с числом резонаторов от двух до шести, амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) которых представлены на рис. 2. Все фильтры настраивались в программе электродинамического анализа на одинаковую центральную частоту /0 = 1 ГГц и относительную ширину полосы пропускания в Д//0 = 10%. Максимумы обратных потерь в полосе пропускания были на уровне минус 14 дБ. В каждом из фильтров использовались диэлектрические подложки толщиной Ил = 0.127 мм и диэлектрической проницаемостью £г = 2.2, соответствующие материалу КТ/Биго1ё 5880. Каждый из резонаторов представляет собой систему из семи проводников. Высота экранов над проводниками резонаторов - 4 мм, длина резонаторов - 6.5 мм; ширина полосковых проводников всех резонаторов у = 2 мм, а их длина -около 6 мм (проводники средних резонаторов в фильтрах с числом резонаторов больше двух необходимо укорачивать для обеспечения нужного уровня отражения мощности в полосе пропускания).
Из представленных на рис. 2 зависимостей видно, что протя-
жённость высокочастотной полосы заграждения по заданному уровню подавления определяется, в первую очередь, ослаблением мощности на частотах паразитных полос пропускания.
На рис. 3 показан график зависимости минимального ослабления в полосе заграждения от числа резонаторов в фильтре. Зависимость получена для полосы заграждения, простирающейся до частоты, в десять раз превышающей центральную частоту полосы пропускания (10 /0). Видно, что увеличение количества резонаторов фильтра приводит к практически линейному росту ослабления сигнала, выраженному в децибелах. При этом добавление каждого нового резонатора приводит к увеличению затухания в полосе подавления примерно на 40 дБ.
Таким образом, рассчитанные в программе электродинамического анализа зависимости показывают, что для достижения глубоких (120 дБ и более) уровней подавления в широких полосах заграждения фильтров на основе многопроводниковых полосковых резонаторов необходимо использовать многозвенные конструкции с числом резонаторов не менее пяти.
Для экспериментальной проверки возможности реализации полосно-пропускающих фильтров с уникальными характеристиками полосы заграждения был синтезирован и изготовлен фильтр шестого порядка на основе семипроводниковых полосковых резонаторов. Фотография изготовленного макета фильтра представлена на рис. 3. Центральная частота полосы пропускания фильтра составляет /0 = 440 МГц при её относительной ширине Д/ / /0 = 6%. Диэлектрическая проницаемость слоёв е = 3.5 (материал слоёв - полиамид толщиной 50 мкм), ширина проводников - 2 мм, расстояние от верхнего и нижнего экранов до поверхности многослойной струк-
0
-40 -Е0
-120 -150 -200
туры - 4 мм, материал проводников - медь. Длина резонаторов при таких конструктивных параметрах составила 7 мм. Размеры полосковой структуры фильтра составляют 7 х 45.6 мм или в длинах волн в вакууме на центральной частоте полосы пропускания 0.01\х0.067\.
На рис. 4 представлены измеренные АЧХ коэффициента передачи и коэффициента отражения изготовленного макета фильтра в широкой и узкой полосе частот. Из представленных зависимостей видно, что фильтр обладает высокой крутизной склонов вблизи полосы пропускания и значительным уровнем затухания в полосах подавления.
Высокочастотная полоса заграждения простирается до частоты ~44 £0 при уровне затухания в этой полосе более 60 дБ, а по уровню затухания 160 дБ она простирается до частоты 24£0, что является рекордной на сегодняшний день величиной для конструкций полосковых фильтров. При этом фильтр характеризуется значительной миниатюрностью даже на частотах метрового диапазона длин волн.
Таким образом, результаты исследований полосно-пропу-скающих фильтров на основе многопроводниковых полоско-
М АРМИЯ-2023
вых резонаторов показывают, что такие устройства по сравнению с известными полосковыми конструкциями обладают не только меньшими габаритами, но и значительно более протяжённой и глубокой высокочастотной полосой заграждения. Конструктивной особенностью изготовленного фильтра является наличие элементов регулировки, позволяющих в небольших пределах изменять резонансные частоты резонаторов и величину их связи между собой, что позволяет достаточно просто настроить фильтр на требуемые параметры полосы пропускания и необходимый уровень отражений СВЧ-мощности в полосе рабочих частот.
На сегодняшний день организовано высокотехнологичное производство миниатюрных по-лосно-пропускающих фильтров, которое позволит создать новое поколение элементной базы, отличающейся миниатюрностью и значительно более высокими электрическими характеристиками. Разработанные фильтры наряду с малыми габаритами имеют значительно более глубокую и широкую полосу заграждения, в которой сигналы, поступающие на вход устройства, будут практически полностью отражаться.
Рис. 4. Измеренные АЧХ фильтра шестого порядка в узкой (на вставке) и широкой полосе частот
