CC BY
52
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
УДК 621.396.019.3
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ОСНОВЕ ПСЕВДОСФЕР ЛОБАЧЕВСКОГО
Максим Михайлович Кузнецов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры специальных устройств и технологий, тел. (913)921-44-39, e-mail: a9214439@yandex.ru
Игорь Николаевич Карманов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой физики, тел. (383)343-29-33
В статье проведен анализ работы сложных высокочастотных фильтров на основе псевдосфер Лобачевского, принцип действия которых основан на резонансном усилении электромагнитного поля с последующим быстрым выводом энергии в виде мощных наносекундных СВЧ-импульсов. Приведены результаты исследования работы данных фильтров, доказано, что параметры данных фильтров имеют повышенную крутизну скатов АЧХ, малые потери и большое подавление паразитных гармоник.
Ключевые слова: высокочастотные фильтры, СВЧ, псевдосфера Лобачевского.
COMPLEX COAXIAL RESONATORS ON THE BASIS OF PSEUDO SPHERE LOBACHEVSKY
Maxim M. Kuznetsov
Siberian state Academy of geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., associate Professor, associate Professor of the Department of special devices and technologies, tel. (913)921-44-39, e-mail: a9214439@yandex.ru
Igor N. Karmanov
Siberian state Academy of geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., associate Professor, head of Department of physics, tel. (383)343-29-33
In the article the analysis of complex, high-frequency filters on the basis of pseudo far Lobachevsky, the principle of which is based on the resonance amplification of electromagnetic field with subsequent rapid conclusion of energy in the form of powerful nanosecond microwave pulses. The results of the research work, data filters, it is proved that the settings of these filters have increased steepness of slopes frequency response, low-loss, wide suppression spurious harmonics.
Key words: high-frequency filters, microwave, pseudosphere Lobachevsky.
Сложное оптико-электронное устройство или прибор может содержать генераторы незатухающих и модулированных колебаний, работающие на различных несущих частотах, генераторы видеоимпульсов и импульсов высокой частоты, преобразователи и счетчики импульсов, генераторы развертки, а также
95
Вестник СГГА, вып. 4 (28), 2014
источники других колебаний несинусоидальной формы, выходные каскады усилителей высокой частоты, низкой частоты и импульсов [1].
Они могут использоваться для измерения скорости боеприпасов [2], исследования реальных скоростей оптических волн [3], измерения параметров антенн [4] и ряда других.
В этом же устройстве или рядом с ним могут находиться чувствительные приемники, работающие на тех же или на других несущих частотах, усилители малых напряжений различных частот, чувствительные импульсные узлы. Различные элементы радиоэлектронного устройства работают на самых разнообразных уровнях мощности. Опасность возникновения взаимных помех в этих условиях весьма велика. Так же велика опасность возникновения паразитных процессов, вопрос борьбы с которыми подробно рассмотрен в работе [5], а общие вопросы технологического контроля сложных систем - в работе [6].
В работах [7, 8, 9] подробно рассмотрены конструкции и варианты исполнения фильтров на основе сложных нерегулярных линий передачи (СНРЛП) и их особенности. Ниже приведена конструкция коаксиального объемного фильтра верхних частот (ФВЧ) на основе СНРЛП (рис. 1 - разрез).
Рис. 1. Конструкция ФВЧ на основе СНРЛП с торцевой связью (Ri = R2 = Z 0 = 50 Ом)
На рис. 2 изображена эквивалентная схема ФВЧ.
Рис. 2. Эквивалентная схема ФВЧ (ЕЭ - единичные элементы на основе НРЛП)
96
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
Кривая зависимости амплитудно-частотной характеристики фильтра верхних частот (АЧХ ФВЧ) по опытным данным показана на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость АЧХ от f фильтра верхних частот (amax не более 1 дБ)
В работах [10, 11] основное внимание уделено устройству приборов СВЧ. Конструкция цилиндрического фильтра нижних частот (ФНЧ) в разрезе приведена на рис. 4.
Рис. 4. Конструкция ФНЧ на основе СНРЛП со связью через короткозамыкатель (фторопластовая втулка)
На рис. 5 изображена эквивалентная схема ФНЧ.
Рис. 5. Эквивалентная схема ФНЧ (Ск з - емкость короткозамыкателя)
97
Вестник СГГА, вып. 4 (28), 2014
АХЧ фильтра нижних частот приведена на рис. 6.
Оба фильтра (ФВЧ и ФНЧ) отличает высокая крутизна спада (более 2 дБ/МГц) из-за применения НРЛП (на РЛП крутизна около 1 дБ/МГ ц) и подавление у фильтров на НРЛП не хуже 60 дБ, у РЛП чуть больше 30 дБ.
Большой интерес вызывают фильтры гармоник (ФГ) [12] (подавитель паразитных гармоник радиопередатчика). Одна из разновидностей ФГ показана схематично на рис. 7.
'/////////////////////////////////Л
'SVSS/SSSSSSSSSSSSSSS/SSSSSSSSSSS/77*
Рис. 7. Схематичное изображение ФГ в коаксиальном варианте
На рис. 8 приведена АЧХ такого ФГ, полученная для одного из вариантов.
98
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
Дальнейшим развитием в сторону улучшения параметров ФГ может стать применение программ оптимизации, содержащих в себе не только подпрограммы для расчета параметров ФГ, изложенных в данной статье, но и подпрограммы по расчету параметров различного типа нового класса ЛП. В конечном итоге все должно быть направлено на максимальный перепад волновых сопротивлений в НРЛП, что невозможно сделать без тщательной отработки изделия в целом на технологичность [13, 14].
Полосно-пропускающий фильтр (ППФ) на основе связанных через торцевую емкость отрезков псевдосфер Лобачевского [15] приведен на рис. 9 (схематичное изображение).
Рис. 9. Изображение коаксиального ППФ на основе составных НРЛП
(катеноидные фигуры)
Фильтр обладает повышенной крутизной АЧХ в отличие от известных фильтров на основе РЛП (рис. 10).
Рис. 10. АЧХ ППФ на основе связанных составных НРЛП
(экспериментальные)
Полосно-заграждающий фильтр (ПЗФ) - режекторный фильтр построен на основе составных нерегулярных линий передачи из отрезков псевдосфер Лобачевского (рис. 11).
99
Вестник СГГА, вып. 4 (28), 2014
Рис. 11. Условное изображение коаксиального ПЗФ на основе составных НРЛП
Конструкция изображена в виде схемы и технически сложна в изготовлении. Но у фильтра есть значительные преимущества: повышенная крутизна скатов АЧХ, малые потери и большое подавление паразитных гармоник (свыше 60 дБ). Приведем график экспериментальной кривой зависимости АЧХ по коэффициенту отражения трехрезонаторного режекторного фильтра (рис. 12). На регулярных линиях реализовать такой режекторный фильтр просто невозможно.
Рис. 12. Зависимость экспериментальных значений коэффициента отражения трехрезонаторного фильтра
Сравнение приведенных данных подтверждает правильность изложенных предпосылок.
Вместе с тем, производство высокочастотных фильтров, в том числе на основе псевдосфер Лобачевского, требует высокой стабильности технологического процесса их изготовления, методика контроля которой изложена в работе [16].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ОАО «НПП "Исток" им. Шокина» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.istokmw.ru/moshnie-svch-pribori/.
100
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
2. Айрапетян В. С., Губин С. Г. Устройство для измерения скорости боеприпасов // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 1 (21). - С. 73-78.
3. Кошелев А. В., Дубинина А. А. Исследование реальных скоростей оптических волн по результатам прецизионных интерференционных и светодальномерных измерений // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 3 (23). - С. 120-127.
4. Комплексные оптические СВЧ и ИК экспериментальные измерения параметров плазменной антенны реактивного типа для безопасных Wi-Fi сетей / И. В. Минин, О. В. Минин, В. Н. Москвин, М. В. Кузнецов // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 4 (20). -С.126-133.
5. Волин М. Л. Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Советское радио, 1972. - 280 с.
6. Системы оптической локации технологического контроля интегральных схем: монография / М. Я. Воронин, И. Н. Карманов, М. М. Кузнецов, И. В. Лесных, А. В. Синельников; под общ. ред. М. Я. Воронина. - Новосибирск: СГГА, 2013. - 239 с.
7. Физические аналоги псевдосфер Лобачевского на сверхвысоких частотах: монография / М. Я. Воронин, Г. Н. Девятков, И. Н. Карманов, М. Г. Карманова, И. В. Лесных, М. Ф. Носков; под общ. ред. М. Я. Воронина. - Новосибирск: СГГА, 2013. -163 с.
8. Конструкции СВЧ устройств и экранов: учеб. пособие для вузов / А. М. Чернушенко, Н. Е. Меланченко, Л. П. Малорацкий, Б. З. Петров; под ред. А. М. Чернушенко. - М.: Радио и связь, 1983. - 400 с.
9. Кузнецов М. М., И. Н. Карманов, М. Я. Воронин. Сложные коаксиальные резонаторы на основе псевдосфер Лобачевского // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 2 (22). - С. 88-97.
10. Лебедев И. В. Техника и приборы сверхвысоких частот: в 2-х т. - М.: Высшая школа, 1970. - Т. 1. - 440 с.
11. Альтман Дж. Л. Устройства сверхвысоких частот / Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. -
487 с.
12. Воронин М. Я. Нерегулярные линии передачи на СВЧ: теория и применение: монография в 2-х частях / Под ред. В. П. Петрова. - Новосибирск: НГТУ, 1994. - 291 с.
13. Кузнецов М. М., Соснов А. Н., Марач А. А. Общие положения и основные задачи отработки изделий современного приборостроения на технологичность // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. -
С.107-112.
14. Кузнецов М. М., Соснова Н. К., Марач А. А. Технологичность изделий современного приборостроения // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 98-102.
15. Псевдосфера. [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/124813/%D0%9F%D1%81%D0%5%D0%B2%D0% B4%D0%BE%D1%81%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B0.
16. Об оценке стабильности производственных процессов в условиях единичного и мелкосерийного производства / В. Г. Эдвабник, Ю. М. Фартышев, А. К. Гаутцель, М. М. Кузнецов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. ГХ Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). -Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 1. - С. 195-200.
Получено 17.11.2014
© М. М. Кузнецов, И. Н. Карманов, 2014
101
