Електричні характеристики фільтрів НВЧ

Смугово-затримні (режекторні) фільтри

Найпростіший СЗФ – це штир довжиною , поміщений у прямокутний хвилевід (рис.1.81). Його еквівалентна схема – послідовний коливальний контур, включений у лінію паралельно. На цей контур загороджує (шунтує) прямокутний хвилевід і тим самим не пропускає ЕМЕ.

Через малу вибірковість такого СЗФ застосовують їхнє послідовне включення або фільтри на основі короткозамкнених шлейфів, з'єднаних з основним хвилеводом елементом зв'язку у вигляді щілини.

Резонатор, що утвориться, може бути включений паралельно основному хвилеводу (рис.1.82.а) або послідовно (рис.1.82.б).

Вони можуть бути також виконані одноланкові (рис.1.82) і багатоланковими (рис.1.83, 1.84), причому довжина резонаторів у коаксіальному і смуговому виконаннях повинна бути напівхвильова (рис.1.78, 1.84).

Основною характеристикою фільтрів частотної селекції є ЧХ – залежність унесеного фільтром ослаблення L від частоти f або від спеціальної частотної змінної v, що має зміст відносної розстройки: v = f / f ₀ – f ₀/ f» 2(f – f ₀)/ f ₀.

Ця залежність, називана функцією робочого ослаблення, пов’язана з коефіцієнтом відбиття Г від входу фільтра співвідношенням

Робоче ослаблення прийнято виражати в децибелах:

У фільтрах з МПЧХ згасання зростає монотонно (на рис. 1.85 у смузі пропускання – штрихова лінія, за її межами - суцільна) із відхиленням частоти від центральної f ₀:

(1.64)

У формулі (1.64) і на рис. 1.85 використано такі позначення: n - кількість ланок фільтра; h ² - нерівномірність ослаблення в смузі пропускання; f _п, f _-п і v _п, v _-п - граничні частоти смуги пропускання та відповідні їм відносні розлади; f _з, f _-з і v _з, v _-з- граничні частоти смуги затримування та відповідні їм відносні розстройки; 2D f - смуга пропускання фільтра; L _п і D L _п - допустимі втрати та нерівномірність ослаблення в смузі пропускання; L _з – гарантоване ослаблення на межах смуги затримування.

Мала крутість ЧХ Баттерворта в смузі пропускання пояснюється тим, що показник степеня 2 n слабко впливає на L у разі невеликого відносного розладу (особливо наочно це виявляється в багатоланкових фільтрах); їх ЧХ ослаблення близька до прямокутної (звідси виникла назва – максимально плоска характеристика).

Для фільтрів із чебишовською характеристикою залежність ослаблення від частоти в смузі пропускання має коливний характер (суцільна лінія на рис. 1.85); її можна описати виразом

(1.65)

де – поліном Чебишова першого роду n -го порядку.

Фільтр із чебишовською характеристикою реалізується меншою кількістю елементів, ніж фільтр із максимально плоскою характеристикою в разі однакових смуг пропускання та крутості схилів ЧХ. Однак його ЧХ в смузі пропускання нерівномірна, а ФЧХ більше відхиляється від лінійної (для того самого значення D L _п).

Останнім часом підвищується інтерес до СПФ зі сплесками ослаблення на заданих частотах смуги затримування (фільтрів із ЧХ Кауера – Золотарьова чи еліптичними характеристиками).

Через вплив дисперсії характеристики реальних хвилевідних фільтрів несиметричні й відрізняються від поліноміальних. Фазова характеристика фільтра визначається виразом

,

де Im(t ₁₁) і Re(t ₁₁) – уявна та дійсна частини елемента t ₁₁ матриці передачі [ T ] фільтра.

Якщо виражати j у радіанах, а w = 2p f – у радіанах за секунду, то час проходження сигналу на будь-якій частоті w через фільтр дорівнює

t _гр = – d j / d w.

Цю величину, що характеризує фізичний час проходження сигналу через фільтр, називають груповим часом проходження (ГЧП) чи груповим часом затримки (ГЧЗ).

Якщо залежність j(w) лінійна, то значення t _гр однакове для будь-яких частотних складових сигналу. У цьому випадку сигнал передається через фільтр без фазочастотних спотворень, хоча й затримується на виході відносно входу на час t _гр.

До характеристик фільтрів НВЧ належать також омічні (теплові) втрати у смузі пропускання L ₀, які зазвичай важко обчислити, тому їх визначають експериментально; ці втрати становлять соті чи навіть десяті частки децибела.

Під час розрахунку фільтрів слід задавати значення всіх параметрів ЧХ (рис. 1.85). У результаті визначають параметри, розміри та взаємне розміщення елементів, що забезпечують потрібну фільтрувальну дію.

Найпоширеніший метод розрахунку смугових фільтрів НВЧ ґрунтується на зіставленні ЧХ проектованого фільтра та якогось прототипу (наприклад, ФНЧ на LC -елементах чи східчастого трансформатора), параметри якого для різних смуг пропускання, а також значень L _п та L _з табульовано й наведено в довідниках, наприклад [18]. Цей метод дає прийнятну точність для фільтрів зі смугами пропускання до 10 %. У процесі проектування широкосмугових фільтрів і для підвищення точності розрахунку застосовують електродинамічні методи, що враховують хвильову природу явищ у фільтрі.

Фільтри ІС і модулів. Фільтри на елементах із зосередженими параметрами застосовують тільки в низькочастотній частині діапазону НВЧ (до 1…2 ГГц) через низьку добротність їх ланок на вищих частотах. В об’ємних конструкціях модулів НВЧ на частотах 100…500 МГц можна використовувати фільтри на коаксіальних резонаторах із зазором і на спіральних резонаторах, у яких на цих частотах менші втрати порівняно з фільтрами на елементах із зосередженими параметрами.

В інтегральних схемах використовують мікросмужкові фільтри. Їх елементами є короткозамкнені з одного боку відрізки МСЛ, що для довжини l < /4 мають індуктивний вхідний опір, а для l > /4 - ємнісний. У разі l = (2 n -1) /4 ці відрізки еквівалентні паралельним контурам.

Широко використовують як елементи фільтрів і розімкнені півхвильові відрізки зв’язаних ліній. Розглянемо топологію деяких типів мікросмужкових фільтрів (рис. 1.86):

а – ФНЧ, утворений послідовністю відрізків МСЛ із високим і низьким хвильовим опором; фільтри цього типу прості у виготовленні, але мають велику довжину; б – РФ зі зменшеними втратами на випромінювання з розімкнених кінців чвертьхвильових шлейфів; в – широко використовувані фільтри на чвертьхвильових зустрічних стрижнях, закорочених на одному кінці; важлива перевага цих фільтрів – можливість одержувати як вузькі, так і широкі смуги пропускання (від 1 до 60 %), велике ослаблення в смузі затримування, віддалення найближчої паразитної смуги пропускання на 3¦₀, великі зазори між резонаторами, зручні для реалізації; їхній недолік – потреба в КЗ стрижнів на корпус; г – фільтр з розімкненими паралельно зв’язаними півхвильовими резонаторами, що має смуги пропускання 5…20 % (найближча паразитна смуга пропускання віддалена від центральної частоти на 2¦₀; такі фільтри технологічні у виконанні, але потрібна велика площа підкладки); д – фільтр на півхвильових підковоподібних (шпилькових) резонаторах; у нього немає недоліку попередньої конструкції; е – СПФ на копланарній лінії з паралельними шлейфами; є – СПФ на комбінації щілинної та мікросмужкової ліній.

Для порівняння якості СПФ і оцінки оптимальності їх конструкції введено зручний комплексний критерій – габаритний індекс втрат (дБ/см³), що враховує й габарити, і втрати [6]:

де V / n – середній об’єм одного резонатора (ланки) фільтра з урахуванням усіх додаткових елементів (рознімань, екранів, магнітів і т. ін.); L ₀/ n – середні втрати, що приходяться на один резонатор на центральній частоті смуги пропускання фільтра; D f _п/ f ₀ – відносна смуга пропускання фільтра, %. Добуток (L ₀/ n)(D f _п/ f ₀) – постійна величина для фільтрів цього типу, тому кращому фільтру відповідає менше значення G _ф. Для фільтрів різного типу 10-сантиметрового діапазону у літературі наведено такі значення індексу G _ф, що дає змогу порівнювати ці фільтри: для хвилевідного з півхвильовими резонаторами, що має найменші втрати, але великі габаритні розміри - 14,6; на позамежних хвилеводах – 3…6;

боночного на зв’язаних СЛ – 2,2…2,6; зустрічно-стрижневого на СЛ – 2,2…3,3; гребінчастого на СЛ – 3,0…3,5; на зв’язаних СЛ – 7,5…8,1; на зв’язаних МСЛ – 3,0…3,6. Як показали дослідження, величина G _ф лінійно зростає зі збільшенням , тому, узявши відношення G _ф/ , одержимо значення показника якості, єдине для фільтра даного типу для всіх довжин хвиль.

1.3.10.5. Фільтри на діелектричних резонаторах (ФДР)

Зазначені фільтри реалізовано у хвилевідному, коаксіальному та мікросмужковому виконанні. Вони бувають одно- чи багатоланковими, працюють на частотах від сотень мегагерц до ста гігагерц, мають смугу пропускання від десятих часток до десятків відсотків, пропускають з малими втратами НВЧ потужність до декількох десятків ват. У сантиметровому діапазоні хвиль вони мають найменший габаритний індекс втрат порівняно з усіма іншими типами фільтрів.

Принцип дії СПФ оснований на використанні частотно-вибіркового зв’язку через один чи декілька діелектричних резонаторів ЛП, не зв’язаних між собою іншими способами. Діелектричні резонатори (крайні в багатоланкових фільтрах) збуджуються полем хвилеводу чи струмовим збудником (штирем, петлею), що є продовженням провідника коаксіальної чи мікросмужкової лінії. Форма частотної характеристики СПФ визначається настроюванням ДР, ступенем зв’язку ДР між собою та крайніх ДР із ЛП. Резонанси на частотах ¦_в = (1,3...1,5)¦₀ найближчих вищих типів коливань ДР зменшують крутість ЧХ та зумовлюють виникнення паразитних смуг пропускання.

За характером електромагнітних процесів у ланках ФДР їх можна поділити на два основні типи.

Перший тип – це смугово-пропускні фільтри із «хвилевідно-діелектричним резонатором», сконструйовані з відрізків позамежних хвилеводів з діелектричними (e = 10...15) вкладками, що не є резонаторами. Ці фільтри мають трохи менші габаритні розміри та втрати, ніж звичайні фільтри на позамежних хвилеводах. Методи розрахунку й особливості конструкцій таких ФДР досить добре розроблено. Для мікроелектронних пристроїв ці фільтри практично непридатні.

Другий тип – це смугово-пропускні й режекторні ФДР, ланками яких є відрізки ЛП із включеними між ними ДР «класичної» форми (диск, паралелепіпед і т. ін.) з e = 40...80. Такі фільтри найбільш придатні для мікроелектронних ПНВЧ. Їх можна реалізувати не тільки в мікросмужковому виконанні, але й у хвилевідному та коаксіальному.

Для прикладу на рис.1.87 показано конструкцію СПФ із ДР у формі паралелепіпедів 1, що приклеєні (пригвинчені діелектричним гвинтом) до підкладки 2. Резонатори збуджуються штирями 3. Конструкцію поміщено в корпус 4. який утворює позамежний хвилевід. Фільтр настроюють підточуванням ДР, невеликим зсувом їх щодо розрахункових положень, наближенням до них неоднорідностей.

Найменший габаритний індекс втрат мають ФДР другого типу з поміщеними в співвісний круглий екран дисковими ДР, у яких збуджуються коливання типу Н ₀₁₁. Довжина ДР дорівнює L = 0,5l₀/Öe, а відстань між ними l = 0,25l₀/Öe. У таких СПФ втрати становлять декілька десятих децибела в центрі смуги пропускання на СМХ; вони можуть мати як вузькі (менше 1 %), так і широкі (до 10 %) смуги пропускання. Смугу пропускання зручно регулювати зміною ступеня зв’язку між ланками, оскільки ДР поміщено у втулки з нарізним з’єднанням.

Типову конструкцію таких багаторезонаторних СПФ зі співвісним розміщенням ДР показано на рис. 1.88, де 1 – вхідне та вихідне коаксіальні рознімання; 2 – ДР; 3 – діелектричні втулки, що утримують ДР у корпусі (екрані); 4 – діелектричні підкладки; 5 – смужкові виводи енергії, концентричні циліндричній поверхні екрана (півпетлі); 6 – металевий екран. Екран складено зі згвинчених між собою циліндричних секцій за кількістю ланок фільтра.

У процесі настроювання фільтра секції можна зміщувати в невеликих межах одну відносно інших, таким способом регулюючи зв’язок між ланками.

Характерною рисою широкосмугових ФДР є менша крутість високочастотної гілки ЧХ ослаблення внаслідок зменшення ефекту позамежності на верхніх частотах.

Розглянемо способи поліпшення деяких характеристик ФДР. Втрати в смузі пропускання СПФ можна зменшити, застосовуючи ДР із матеріалів із рисим tgd та віддаляючи ДР від стінки екранів, виготовлених із добре оброблених металів із високою провідністю.

Кількість паразитних смуг пропускання зменшують такими способами: уведенням неоднорідностей у ДР для зсуву власних частот вищих видів коливань у більш високочастотну область; використанням різнорідних ДР з однаковими власними частотами основного типу коливань і різними - вищих; застосуванням стрижневих ДР і коаксіальних із зазором.

Частотну вибірковість (крутість схилів ЧХ) фільтрів на ДР поряд зі збільшенням кількості однотипних ланок можна підвищити, застосовуючи двомодові ДР; підключаючи додаткові ДР, що дають сплеск ослаблення (режекцію) на заданих частотах схилу ЧХ; використовуючи зв’язки цього резонатора не тільки із сусідніми, але й з іншими (ЧХ еліптичного типу); установлюючи у хвилевід ДР, зв’язані через один із поперечною та поздовжньою складовими поля хвилеводу.

Дата добавления: 2014-11-29; Просмотров: 966; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!