Коммутационно-фильтровое устройство радиолокатора непрерывного излучения с частотной манипуляцией и модуляцией

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра сверхвысоких частот и квантовой радиотехники (СВЧиКР)

Пояснительная записка к дипломному проекту

Коммутационно-фильтровое устройство радиолокатора непрерывного излучения с частотной манипуляцией и модуляцией

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Волноводные фильтры

2 Волноводно-микрополосковый переход

3 Критерий качества полосно-пропускающих фильтров

ВВЕДЕНИЕ

 

Использование диапазонов сантиметровых волн для создания систем связи, локации, навигации, проведение сложных научных экспериментов позволяет получать результаты, недостижимые в других частотных диапазонах.

За последние годы резко возросли уровень и объем требований, предъявляемых к частотным характеристикам устройств, в которых используется диапазон сверхвысоких частот (радиорелейные линии, радиолокаторы, радиотелескопы и др.). Соответственно росту требований усложнился тракт, направляющий энергию от генератора СВЧ колебаний к нагрузке; в настоящее время направляющая система, помимо собственно фидера (волновода, коаксиальной линии и т.п.), включает большое число различных фидерных устройств: фильтрующих, согласующих, ответвляющих, суммирующих и др.

Фильтры – основной элемент многих радиотехнических устройств. Они используются для разделения или сложения сигналов разных частот в многоканальных системах связи или в узлах радиотехнических устройств. Спектр электромагнитных колебаний ограничен, и его отдельные участки необходимо отделить один от другого; фильтры используются для того, чтобы излучения радиопередатчиков были ограничены заданными пределами спектра; и наоборот, другие фильтры используются для защиты приемников от помех, расположенных вне их рабочей полосы частот.

Частотные характеристики фильтров должны удовлетворять жестким требованиям; соответствующий этим требованиям расчет систем называют синтезом.

При решении задач синтеза СВЧ устройств использование прямых электродинамических методов чрезвычайно затруднительно. Поэтому на практике используется приближенный компромиссный метод, дающий достаточно хорошие результаты.

Компромиссный метод состоит в том, что исходные позиции ограничиваются определенным кругом изученных простейших фидерных элементов, например, отрезков линий, диафрагм, штырей и др., обладающих некоторыми известными конструктивными и электрическими параметрами. Параметры этих элементов определяются методами электродинамики. Сложное соединение таких элементов рассчитывается с помощью матричного аппарата теории цепей в предположении, что матрицы, описывающие эти элементы, остаются неизменными при любом сложном соединении элементов. При этом предполагается, что зона возмущенного поля вблизи неоднородности в фидере локализована в непосредственной близости от элемента, а взаимодействие элементов осуществляется лишь на основном типе волны.

Цепь СВЧ с заданной частотной характеристикой строится из заранее выбранных звеньев. Особым типом звена является отрезок однородного фидера. Каскадное соединение таких отрезков с различными волновыми сопротивлениями широко применяется при синтезе.

В сложном процессе совершенствования радиотехнических систем СВЧ диапазона широко используются новейшие достижения в области электроники СВЧ, современной элементной базы и материаловедения в сочетании с комплексным подходом к проектированию и оптимизации параметров систем и устройств. Хотя за последние годы предложено большое число конкретных вариантов СВЧ фильтров, тем не менее интенсивный поиск новых типов фильтров продолжается и в настоящее время. Данное обстоятельство отражает два принципиальных момента:

1. Исключительно разнообразие требований, предъявляемых к фильтрам (вносимое затухание, избирательность, побочные полосы пропускания, допустимый уровень СВЧ мощности, габаритные размеры, устойчивость при изменении внешних механико – климатических условий и т. д.), что порождает соответствующее разнообразие конструкций.

2. Объективные трудности проектирования универсального фильтра, обеспечивающего “ абсолютное ” решение проблемы.

В этой ситуации задачу проектирования оптимального СВЧ фильтра целесообразно рассматривать как реализацию компромисса между отдельными, часто противоречивыми требованиями в пространстве соответствующих показателей качества [ ]. Особенно остро здесь стоит проблема создания узкополосных фильтров, обладающих минимальными потерями и габаритными размерами, высоким уровнем подавления паразитных полос пропускания при повышенной избирательности. Немаловажную роль играют также вопросы улучшения технологичности конструкций фильтров, высокой устойчивости и воспроизводимости их электрических характеристик, простота настройки. Необходимость формирования заданных частотных характеристик фильтров, при жестких ограничениях на габаритные размеры и массу существенно осложняют задачи разработки и проектирования их как в теоретическом, так и экспериментальных аспектах. Учитывая общую тенденцию миниатюризации радиотехнических СВЧ систем, увеличение концентрации энергии электромагнитного поля и непрерывное повышение требований в части электромагнитной совместимости (ЭМС), комплексное решение задач проектирования и практической реализации оптимальных СВЧ фильтров, а также обобщение накопленного опыта их проектирования представляется весьма актуальными.

1      Волноводные фильтры

 

Фильтры диапазона СВЧ обычно представляют собой каскадное соединение объемных резонаторов. Получили распространение два способа включения резонаторов в цепочку: непосредственное (фильтры с непосредственными связями – рис.1), с помощью отрезков линии (фильтры с четвертьволновыми связями – рис.2).

Рисунок 1. Схематическое изображение фильтра с непосредственными связями между резонаторами

К преимуществам фильтров с четвертьволновыми связями относится удобство их настройки, которая может осуществляться поэлементно.

К недостаткам – большие габариты, а также ограничения по полосе частот (не более 10-15%), в которой сохраняется приемлемая точность расчета.

Метод расчета включает в себя два этапа: сначала рассчитывается некоторая, принятая в качестве прототипа, схема из LC элементов, далее этой схеме ставится в соответствие фильтр СВЧ и определяются параметры всех его объемных резонаторов. Прототипом принят полосно-пропускающий фильтр, изображенный на рис.3; задачей его расчета является определение нагруженных добротностей Q контуров по заданной частотной характеристике рабочего затухания (собственная добротность контуров предполагается при этом бесконечной).

Рисунок 2. Схематическое изображение фильтра с четвертьволновыми связями

После расчета прототипа переход к фильтру СВЧ облегчается изменением прототипной схемы и приведением ее к виду, изображенному на рис.4.

Рисунок 3. Схема прототипа

Рисунок 4. Видоизмененная схема прототипа

Эквивалентность схем, изображенных на рис.3 и 4, сохраняется в полосе до 20%; причиной ограничений является частотная чувствительность четвертьволновых отрезков линии.

Рисунок 5. Частотная характеристика прототипа

Ниже дана последовательность операций синтеза прототипа. Прежде всего необходимо задать шесть величин, характеризующих требуемые электрические свойства фильтра(рис.5):

граничные частоты полосы пропускания f_п и f_-п;

граничные частоты заграждения f_з и f_-з;

максимальное затухание в полосе пропускания b_п (или допуск на рассогласование |Г|_мах);

минимальное затухание в полосе заграждения b_з.

Первый этап синтеза состоит в выборе конкретной формы функции рабочего затухания. Наиболее распространены два вида этой зависимости:

чебышевская

и максимально плоская

.

Где T_n – полином Чебышева 1-го рода n-го порядка;

n – число звеньев фильтра;

 - частотная переменная;

h – амплитудный множитель;

;

;

S – масштабный множитель;

 при ;

;

 - добротность (по уровню 3 дБ) фильтра с максимально плоской характеристикой.

Для чебышевского фильтра:

;

и для фильтра с максимально-плоской характеристикой:

.

При этом

;

;

где b_п и b_з даны в дБ

и

.

Второй этап синтеза заключается в определении коэффициента передачи Т₁₁ по заданному в виде функции  квадрату его модуля. Для этой цели необходимо найти корни уравнения

и представить функцию рабочего затухания в виде произведения двух комплексно-сопряженных множителей:

.

Где h₁,h₂,…, h_n – корни, расположенные в верхней полуплоскости комплексной переменной h;

h^*₁,h^*₂,…, h^*_n – сопряженные корни.

В качестве Т₁₁ выбираем тот из сомножителей в (), корни которого лежат в верхней полуплоскости, т.е. соответствуют устойчивому полиному.

Третий этап синтеза состоит в определении сопротивления холостого хода Z_xx фильтра по найденному значению Т₁₁. Если в заданной функции рабочего затухания  полином  - нечетный, то фильтр будет симметричным; его сопротивление холостого хода следует определять по формуле:

.

Если же  - четный полином, то соответствующий фильтр антиметричный и сопротивление холостого хода вычисляется по формуле:

.

В последнем случае в схеме может понадобиться идеальный трансформатор, обеспечивающий ; это характерно для чебышевских фильтров с четным числом звеньев.

Четвертый этап синтеза заключающийся в определении числовых значений ветвей лестничной схемы. С этой целью найденное значение сопротивления холостого хода Z_xx разлагается в цепную дробь:

;

и коэффициенты к₁, к₂,_…, к_nотождествляются с элементами лестничной схемы. Если синтезируется полосно-пропускающий фильтр, то  и к₁, к₂,_…, к_nсоответствуют добротностям параллельных и последовательных контуров в ветвях лестничной схемы.

Приведенный выше метод в первоначальном своем виде неудобен при расчетах вследствие громоздкости и значительной вероятности ошибок.

Известны два способа преодоления этих трудностей. В первом способе выявляются общие закономерности в распределении добротностей контуров лестничной схемы; эти закономерности исследуются при разложении Z_xx в цепную дробь и затем (по индукции) обобщаются. Наиболее простой закон распределения добротностей в фильтре с максимально плоской характеристикой:

,

где Q_m – требуемая добротность m-го звена;

Q_ф – заданная добротность всего фильтра;

n – число звеньев фильра.

Второй способ преодоления расчетных трудностей заключается в полной каталогизации всех трудоемких процессов расчета.

Приведем пример расчета полосно-пропускающего фильтра (ППФ) по следующим произвольно заданным характеристикам:

 ГГц;

 ГГц;

 ГГц;

;

 дБ;

тип характеристики – чебышевский.

1.Определим число звеньев фильтра:

;

;

 

;

;

;

;

Выбираем .

Определяем нормированную добротность каждого звена фильтра пользуясь табулированными значениями приведенными в [ ]:

;

;

3. Находим абсолютные значения добротностей:

;

4. Вычислим начальные добротности:

.

Аналогично вычисляем

с той лишь разницей, что контуры расположенные не на краях цепочки, а внутри имеют приращение  вместо .

5. По графикам приведенным в [1,2] находим соответствующие проводимости индуктивных неоднородностей:

6. По графику в [1,2] находим относительные, а затем и абсолютные значения диаметров штырей:

 мм;

 мм;

 мм;

7. Определим длину объемных резонаторов:

 мм;

и аналогично

 мм;

 мм;

8. Вычислим расстояние между контурами:

 мм;

 мм;

Для объективной оценки основных параметров СВЧ фильтров специалисты используют понятие габаритного индекса потерь (G) [3,7], которое включает такие характеристики, как объем, затухание, избирательность, число звеньев и полосу пропускания.

Полоснопропускающий фильтр, имеющий наименьшую величину габаритного индекса потерь, считается оптимальным. Экспериментальные значения G для основных типов ППФ СВЧ для различных диапазонов длин волн приведены в [3]; исходя из них следует, что критерий качества фильтра (габаритный индекс потерь) ограничен по своему наименьшему значению.

Среднее значение G для длины волны  см составляет 0,8 .

Рассчитаем G по следующей формуле:

 

;

где  - потери ППФ;

V – эффективный объем ППФ в ;

n – число резонаторов;

- относительная полоса пропускания.

.

Вывод: фильтр рассчитан рационально.

Идея использования многослойных структур для фильтрации электромагнитных волн первоначально была успешно реализована в оптическом диапазоне. В 60 – 70-е годы эти же принципы фильтрации были перенесены в СВЧ диапазон, где в качестве волноведущих элементов широко используются как различные типы линии передачи, так и волны в свободном пространстве. Основными преимуществами, которые достигаются в таких фильтрах, являются: широкий частотный диапазон использования (0,5…30 ГГц); простота конструкции; низкий уровень вносимых потерь; высокий уровень пропускаемой мощности (до нескольких киловатт). К недостаткам ВДР, использующих традиционные волноведущие конструкции, следует отнести большие поперечные размеры, которые в основном определяются поперечными размерами волновода, и довольно низкие значения нагруженной добротности резонансных звеньев, что вынуждает увеличивать их число.

Для устранения отмеченных недостатков используют три направления:

1. Применение в качестве резонаторов структуры типа «А- сэндвич» с четвертьволновыми связями. Здесь нагруженная добротность существенно возрастает, но поперечное сечение остаётся довольно большим, так как необходимо обеспечить режим распространения основной волны на участке четвертьволновой связи.