CC BY
78
13. ITU-R Reference Ionospheric Characteristics // Recommendation ITU-R P. 1239-2. - 2010.
14. Solar Influences Data Analysis Center центр исследования солнечной активности физического факультета Королевской Бельгийской Обсерватории [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://sidc.oma.be/sunspot-data/dailyssn.php (дата обращения: 25.02.2013).
БЕРЕЗОВСКИЙ Владимир Александрович, генеральный директор ОАО «ОНИИП», кандидат технических наук, профессор кафедры экспериментальной физики и радиофизики Омского государственного университета им. Ф. М. Достоевского (ОмГУ). Адрес для переписки: info@oniip.ru СИДОРЕНКО Клим Андреевич, заместитель заведующего лабораторией ОАО «ОНИИП», аспирант ка-
федры экспериментальной физики и радиофизики ОмГУ.
Адрес для переписки: kasid@list.ru
ВАСЕНИНА Алёна Андреевна, научный сотрудник
ОАО «ОНИИП».
Адрес для переписки: vas.al.an@rambler.ru БЕНЗИК Александр Валерьевич, младший научный сотрудник ОАО «ОНИИП», магистрант группы ФРМ-102-О ОмГУ.
Адрес для переписки: exll-benz@mail.ru
Статья поступила в редакцию 11.03.2013 г.
© В. А. Березовский, К. А. Сидоренко, А. А. Васенина,
А. В. Бензик
УДК 621.372.54 Д. Д. БОРЕЙКО
Омский государственный технический университет
УЛУЧШЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОТИВОЛОКАЦИОННЫХ ФИЛЬТРОВ
Рассмотрены вопросы проектирования противолокационных фильтров, сделана попытка улучшения его параметров за счет проработки конструкторской части устройства, приведена методика оценки топологии печатной платы на основе ее моделирования. Получено экспериментальное подтверждение достоверности метода.
Ключевые слова: противолокационный фильтр, Ю-фильтр, печатная плата, электромагнитная совместимость, амплитудно-частотная характеристика.
Противолокационные фильтры (ПЛФ) применяются в составе радиоприемных устройств с целью их защиты от мощных высокочастотных сигналов, излучаемых локационными станциями.
ПЛФ должны обеспечивать достаточно высокий уровень затухания как в сравнительно низком диапазоне частот (десятки МГц), так и в СВЧ диапазоне (несколько ГГц). Следовательно, они проектируются как низкочастотные и как высокочастотные одновременно. При этом необходимо учитывать эффекты, характерные для СВЧ волн, и уделять повышенное внимание электромагнитной совместимости (ЭМС) устройства. Проектирование современных ПЛФ усложняется также наличием такой тенденции развития радиоэлектронных устройств, как максимальное уменьшение их размеров и массы. Однако для работы в низкочастотной области необходимо использовать элементы с большими номиналами, которые обладают значительными размерами. Для выполнения всех этих требований следует проанализировать различные варианты схемотехнических и конструкторских решений.
В данной работе рассматривается фильтр нижних частот с частотой среза 30 МГц и со следующим необходимым подавлением сигналов: 30 дБ на частотах от 60 до 500 МГц, 40 дБ от 500 МГц до 1,5 ГГц, предназначенный для использования в составе профессиональных РПУ КВ диапазона. Как видно, к фильтру предъявляются достаточно жесткие требования в широком диапазоне частот.
Проведенные по известным методикам [1, 2] расчеты показали, что для обеспечения заданных па-
раметров целесообразно применить ЬС-фильтр 7-го порядка на основе П-образных звеньев. Конструктивно этот фильтр был выполнен на двухсторонней плате из материала РЯ-4 с монтированными на ней дискретными элементами.
При начальном проектировании удалось обеспечить необходимую частоту среза и заданную крутизну частотной характеристики. Экспериментальная АЧХ представлена на рис. 1, на том же рисунке тонкой сплошной линией показан заданный уровень затухания.
Как видно, требования в дальней зоне не выполнены, в связи с чем был проведен поиск возможностей улучшения параметров ПЛФ.
В части конструкторских решений важную роль играет ЭМС устройства, в том числе влияние топологии печатной платы на выходные параметры фильтра, что особенно заметно проявляется в диапазоне СВЧ. Существует два подхода для учета данного эффекта. Первый заключается в достаточно точном определении значений величин паразитных сигналов с последующей корректировкой номиналов элементов электрической схемы, второй — в ослаблении паразитных сигналов до уровня, когда ими можно пренебречь.
Плата рассматриваемого фильтра изготовлена из материала РЯ-4. Этот материал является доступным и экономичным сырьем, однако невысокая повторяемость электрических параметров, таких как диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь и пр., не позволяет определить точные значения паразитных индуктивностей и емкостей для
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
ТРЬ М о сі е I V §_М е а $
-50
§ -100
-150
-200
500 1000 Frєquency (МНг) 1500 2000
Рис. 1. АЧХ начального варианта ПЛФ и заданный уровень затухания
Рис. 2. Сравнение измеренной и смоделированной характеристики топологии
Рис. 3. Изменение характеристики проводимости топологии ПП
каждой изготовленной платы. В связи с этим использовался второй подход улучшения ЭМС фильтра.
В качестве критерия топологии платы могут быть взяты значения паразитных электрических параметров, однако при таком подходе отдельные участки топологии нуждаются в анализе и в представлении их эквивалентной схемой. Даже при наличии топологии средней сложности такая задача является достаточно трудоемкой. На практике более простая оценка топологи ПП осуществляется при отсутствии на ней дискретных элементов с помощью анализа прохождения сигнала с входа на выход. При этом рассматривается уровень его подавления, который может быть обозначен как электрический параметр топологии.
Так как макетирование различных вариантов топологии является трудоемким, то более рационально их моделирование в специализированной САПР, использующей электромагнитные методы анализа трехмерных структур. Для оценки достоверности моделирования необходимо сравнить характеристику электрического параметра топологии ПП, измеренную с помощью анализатора цепей и смоделированную в программе. Данное сравнение представлено на рис. 2, где пунктирной линией обозначены результаты моделирования, а сплошной — измерения.
Как можно видеть из представленных данных, моделирование обеспечивает достаточно высокую достоверность результатов.
Известно, что в СВЧ диапазоне неравномерность толщины проводников ведет к изменению их волно-
вых сопротивлений [3, 4], что, в свою очередь, приводит к отклонению реальных характеристик фильтра от расчетных. Поэтому первоначальной модификацией топологии было выбрано ее «сглаживание», т.е. устранение неравномерностей проводников, в том числе в месте соединения с контактными площадками под пайку элементов. Однако это привело к незначительному улучшению электрического параметра топологии ПП (рис. 3). Начальная и измененная топологии показаны на рис. 4, где более светлым цветом обозначены проводники верхней стороны платы, а более темным — нижней.
Кроме того, к отклонению реальных параметров фильтра от заданных ведет возникновение между проводниками ПП паразитных емкостей, значение которых может быть определено по известной формуле [5, 6]:
С = £0е8М (1)
где С — номинальное значение емкости, е0 — диэлектрическая проницаемость вакуума, е — диэлектрическая проницаемость материала между обкладками конденсатора,
Б — площадь обкладок конденсатора, d — расстояние между обкладками конденсатора.
В связи с этим паразитные емкости необходимо учитывать и минимизировать. Наиболее простым способом уменьшения паразитных связей является увеличение расстояния между элементами проводящего рисунка топологии. Следующая модификация
Рис. 4. Устранение неравномерностей ширины проводников
TPL Model vs Meas
Рис. 6. Оценка достоверности метода моделирования
ПП была выполнена с учетом этого, что позволило получить ощутимый эффект. Для дальнейшего улучшения топологии платы означенное расстояние было увеличено до максимума. На рис. 5 показаны описанные модификации топологии ПП, а на рис. 3 — характеристики электрического параметра топологии ПП, где утолщенной линией выделен наиболее результативный вариант.
Сравнение смоделированной и изготовленной топологии наиболее удачного варианта также подтверждает достоверность метода моделирования. Это видно из рис. 6, на котором сплошными линиями показаны результаты измерений электрического параметра начальной топологии (верхняя линия) и измененной (нижняя линия), а штриховыми — результаты моделирования.
На рис. 7 показаны частотные характеристики фильтра, изготовленного на основе улучшенной топологии (сплошная линия) и начального фильтра (штриховая линия). Как видно из рисунка, изменение топологии значительно улучшило выходные параметры фильтра, после чего он стал соответствовать предъявляемым требованиям.
Следует отметить также, что, согласно (1), паразитные емкости могут возникать при пересечении
Filter Meas
Frequency (MHz)
Рис. 7. Измеренные частотные характеристики модификаций фильтра
проводников ПП, расположенных в разных слоях. Однако проведенное моделирование показало, что при выборе материала ПП с низким значением диэлектрической проницаемости влияние таких паразитных связей на характеристики фильтра несущественно.
Обобщая вышесказанное, можно сделать вывод
о том, что при проектировании ПЛФ необходимо особое внимание уделять топологии ПП. Следует минимизировать паразитные емкости, которые возникают между проводниками одной стороны ПП, так как из-за них топология оказывает наибольшее влияние на выходные параметры фильтра, которое проявляется в недостаточном уровне подавления сигналов, особенно в высокочастотной области рабочего диапазона. Достигается это проработкой топологии, способствующей устранению мест с малым пространственным промежутком между элементами топологии ПП. Заметим, что при низких значениях диэлектрической проницаемости материала платы и его относительно большой толщине можно пренебречь влиянием пересечения проводников на разных сторонах платы. Наиболее простым способом оценки топологии является анализ прохождения по ней сигнала.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
Библиографический список
1. Зааль, Р. Справочник по расчету фильтров / Рудольф Зааль ; пер. с нем. Ю. В. Камкина. — М. : Радио и связь, 1983. —
752 с.
2. Маттей, Д. Л. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи
связи. В 2 т. Т. 1 / Д. Л. Матей, Л. Янг, Е. М. Т. Джонс. — М. :
Связь, 1971. - 439 с.
3. Романова, М. П. Проектирование полосковых устройств СВЧ : учеб. пособие / М. П. Романова. — Ульяновск : УлГТУ, 2001. — 123 с.
4. Вольман, В. И. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / С. И. Бахарев, В. И. Вольман, Ю. Н. Либ. — М. : Радио и связь, 1982. — 382 с.
5. Романова, М. П. Проектирование гибридно-пленочных интегральных микросхем : учеб. пособие / М. П. Романова. — Ульяновск : УлГТУ, 2006. — 73 с.
6. Inder Bahl. Lumped Elements for RF and Microwave Circuits. Artech House, 2003. — 488 p.
БОРЕЙКО Денис Александрович, аспирант кафедры «Средства связи и информационная безопасность» Омского государственного технического университета, инженер-конструктор 1-й категории ОАО «Омский научно-исследовательский институт приборостроения».
Адрес для перписки: denbor1@mail.ru
Статья поступила в редакцию 30.01.2013 г.
© Д. А. Борейко
уДК 519653 А. В. МАЙСТРЕНКО
А. А. СВЕТЛАКОВ Н. В. СТАРОВОЙТОВ
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
ЦИФРОВОЕ ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ ИЗМЕРЯЕМЫХ СИГНАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИНТЕГРАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ В. ВОЛЬТЕРРА И ЕГО РЕГУЛЯРИЗАЦИЯ______________________________
В статье предложен и исследован новый оригинальный способ цифрового дифференцирования сигналов, предназначенный для использования в реальном масштабе времени. Способ основан на применении интегральных уравнений Вольтерра I рода. Приведены некоторые результаты экспериментальных исследований, иллюстрирующие его работоспособность и пригодность для использования в системах автоматического управления реального времени.
Ключевые слова: дифференцирование, интегральное уравнение, регуляризация, матрица.
1. Введение. Бурные темпы развития современной микропроцессорной техники открывают широкие возможности для разработки новых и совершенствования существующих алгоритмов решения прикладных задач в реальном времени. Наглядным примером подобных задач может служить задача цифрового дифференцирования сигналов (ЦДС), измеряемых в реальном времени. С данной задачей приходится сталкиваться в отраслях науки и техники, связанных с математическим моделированием динамических процессов и объектов, описываемых дифференциальными уравнениями, с автоматизацией управления и регулирования данными процессами и др.
Особенность обсуждаемой задачи ЦДС состоит в том, что она относится к классу некорректных задач [1]. Данная особенность и актуальность задачи ЦДС стимулируют проведение дальнейших исследо-
ваний с целью создания таких методов и алгоритмов её решения, которые позволяли бы получать достаточно точные и робастные оценки их производных и были бы доступными для реализации современными средствами микропроцессорной техники.
В данной работе рассматривается один из методов ЦДС в реальном масштабе времени, основанный на использовании интегральных уравнений В. Вольтерра
I рода [2], и оригинальный способ его регуляризации, позволяющий существенно повысить устойчивость вычисляемой производной сигнала к ошибкам его задания. Робастность и эффективность предлагаемого способа ЦДС и его регуляризации иллюстрируются результатами численного моделирования.
2. Постановка задачи ЦДС в реальном масштабе времени и укрупненная классификация методов её решения. Математическую постановку задачи ЦДС составляют следующие пять положений.
