Разработка узкополосного режекторного фильтра с широкой полосой пропускания

Разработка фильтрующих СВЧ-устройств и частотных мультиплексоров для систем телекоммуникаций, радиолокации и навигации представляет комплекс сложных задач, решение которых требует проведения исследований, особенно в свете поиска новых перспективных схемотехнических и конструктивных решений, позволяющих уменьшить габариты этих устройств, упростить их проектирование, изготовление и настройку. Использование в телекоммуникационных и навигационных системах сложных сигналов приводит к необходимости подробного исследования свойств СВЧ-фильтров [1]. Именно эти вопросы и определяют цель и задачи исследования в настоящей работе.

Аналоговая частотная фильтрация активно применяется в приемопередающих трактах, в случае если отношение сигнал/шум становится значительно меньше единицы, а амплитуда полезного сигнала имеет один порядок с величиной шума квантования, целесообразно использовать аналоговый фильтр как звено предварительной обработки для качественного выделения информативной составляющей на фоне помехи. Для сглаживания сигналов на выходе цифроаналоговых преобразователей в настоящее время также широко применяются аналоговые фильтры.

В зависимости от поставленных задач устанавливают СВЧ-фильтры нижних и верхних частот, полосовые и режекторные фильтры. Данные типы различаются формой амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристик. Немало внимания в научных трудах и литературе уделено режекторным фильтрам. Архитектура их построения, подходы к разработке представляют отдельный интерес. Данный тип СВЧ-фильтров выполняет важную роль в частотной селекции, а именно подавление узкой или широкой полосы частот и обеспечение высокого коэффициента передачи вне данных полос.

СВЧ-фильтры выполняются в различном элементном базисе, но наиболее широкое распространение получили фильтры на основе микрополосковых линий передачи (МЛП). Однако, будучи элементами с распределенными параметрами, резонаторы на МЛП не свободны от паразитных резонансов высших гармоник, следовательно, их уровень требуется уменьшать. В статье представлен результат разработки режекторного фильтра с подавлением частоты в точке 1200 МГц и обеспечением широкой полосы пропускания как слева от данной точки, так и на гармониках справа до 7 ГГц.

При решении поставленных задач использовался аппарат анализа электрических цепей с распределенными постоянными, теория матриц, аппарат математического анализа и численные методы. Компьютерное моделирование СВЧ-устройств выполнено с помощью прикладного пакета CST MICROWAVE STUDIO. Проверка основных теоретических результатов работы выполнялась экспериментально.

Абстрактное математическое описание характеристик режекторного фильтра возможно с помощью комплексной передаточной функции, которая записывается в виде [1]:

где s — комплексная переменная, равная произведению частоты w на мнимую единицу j = √–1; w0 — центральная частота режекторного фильтра; Q — добротность фильтра. Центральная частота и добротность определяются исходя из конкретной схемотехнической реализации фильтра и могут зависеть из различных параметров устройства.

Компьютерная модель микрополоскового режекторного СВЧ-фильтра с отсутствием влияния высших гармоник представлена на рис. 1. Топология фильтра — это линия передачи с включенными в нее шлейфами. Шлейфы имеют топологию печатной антенны, представляющей собой резонатор.

Рис. 1. Режекторный СВЧ-фильтр в САПР CST

Конструктивной основой фильтра служит подложка из поликора с относительной диэлектрической проницаемостью 9,8  и толщиной 1 мм. В качестве СВЧ-разъемов использовались упрощенные модели перехода СРГ‑50–751 ФВ. Корпус выполнен из алюминия.

На рис. 2 представлены результаты компьютерного моделирования режекторного фильтра.

Рис. 2. Зависимость коэффициента передачи модели режекторного СВЧ-фильтра от частоты

Изготовленный фильтр-прототип представлен на рис. 3.

Рис. 3. Прототип режекторного фильтра

Результаты измерения прототипа режекторного СВЧ-фильтра показаны на рис. 4. Измерения проводились на вектором анализаторе цепей Agilent E5071C.

Рис. 4. Зависимость коэффициента передачи прототипа режекторного СВЧ-фильтра от частоты в диапазоне частот 0,1–8,5 ГГц

Изготовленный прототип режекторного СВЧ-фильтра обеспечивает широкую полосу пропускания (до 7 ГГц) с потерями менее 8,7 дБ и подавление на рабочей частоте более 70 дБ. Неравномерности полосы пропускания имеют несколько минимумов, которые возможно контролировать за счет подстройки топологии фильтра мягкими металлами (висмутом, индием). Для более детального анализа полосы подавления фильтра на рис. 5 представлена зависимость коэффициента передачи от частоты в диапазоне 0,1–2 ГГц.

Рис. 5. Зависимость коэффициент передачи прототипа режекторного СВЧ-фильтра от частоты в диапазоне частот 0,1–2 ГГц

Таким образом, удалось реализовать режекторный СВЧ-фильтр с высоким подавлением на рабочей частоте 1200 МГц и широкой полосой пропускания как слева от рабочей частоты, так и справа.

Экспериментальный опыт работы с режекторным фильтром, выполненным на основе резонаторов в виде печатных антенн, показывает, что такие фильтры способны обеспечить решение двух из трех основных проблем создания фильтров такого типа: во‑первых, удовлетворить условию широкополосности по полосе пропускания и, во‑вторых, удовлетворить требуемой величине затухания и крутизны в полосе задерживания. Важным достоинством такого построения режекторных фильтров является отсутствие у них кратных полос заграждения.

Работоспособность топологии режекторного фильтра СВЧ проверена и подтверждена как с помощью компьютерного моделирования, так и путем измерений прототипа.