Исследование свч фильтров с широкими полосами заграждения на плавно-нерегулярных линиях передачи
На правах рукописи
Клименко Денис Николаевич ИССЛЕДОВАНИЕ СВЧ ФИЛЬТРОВ С ШИРОКИМИ ПОЛОСАМИ ЗАГРАЖДЕНИЯ НА ПЛАВНО-НЕРЕГУЛЯРНЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ Специальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ устройства и их технологии
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Новосибирск – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образователь ном учреждении высшего и профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Плавский Леонид Григорьевич
Официальные оппоненты: Петров Виктор Петрович, доктор техниче ских наук, профессор, Сибирский государ ственный университет телекоммуникаций и информатики, г. Новосибирск, начальник лаборатории Пальчун Юрий Анатольевич, доктор техни ческих наук, профессор, Сибирский научно исследовательский институт метрологии, г. Новосибирск, ученый-секретарь
Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский ин ститут электронных приборов (ФГУП «НИИЭП»), г. Новосибирск
Защита состоится “17” апреля 2012г. в 1000 часов на заседании диссертационно го совета K212.173.01 при Новосибирском государственном техническом уни верситете по адресу: 630092, Новосибирск, проспект К. Маркса 20.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государ ственного технического университета.
Автореферат разослан “_ ” марта 2012г.
Ученый секретарь диссертационного совета Райфельд М. А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Разработка систем связи, радиолокации и радиона вигации, работающих в СВЧ-диапазоне длин волн, потребовало в последние годы совершенствования качественных показателей фильтров, которые явля ются одними из самых распространенных устройств в радиотехнических си стемах. Повышение требований к массогабаритным показателям, помехозащи щенности передачи информации, электромагнитной совместимости и примене нием шумоподобных сигналов в технике связи и радиолокации обуславливает создание и миниатюризацию фильтров СВЧ-диапазона с применением элемен тов на базе микрополосковых линий передачи.
Современные требования для высокочувствительных систем измерений ВЧ- и СВЧ-диапазона длин волн требуют снижения общего уровня шума в ра бочем диапазоне частот. Важным требованием к таким системам является от сутствие паразитных полос пропускания, которые влияют на общую шумовую картину. Соответственно, при проектировании низкошумящих систем измере ний повышение чувствительности достигается за счет уменьшения собственно го уровня шума детектора до его минимального значения и путем сужения по лосы измерения при увеличении внеполосного затухания. Последнее требова ние можно выполнить в случае использования фильтров с широкой полосой за граждения.
В настоящее время в аппаратуре СВЧ диапазона применяются миниатюр ные частотно-избирательные устройства (фильтры) в микрополосковом испол нении.
Микрополосковым СВЧ-фильтрам присущи малые габариты, высокая тех нологичность при изготовлении (отсюда и низкая стоимость, особенно при се рийном производстве). К недостаткам микрополосковых фильтров (МПФ) от носят трудности обеспечения высокой крутизны склонов амплитудно частотной характеристики (АЧХ) и широкой полосы заграждения, что снижает качественные показатели радиотехнических систем на их основе.
Указанные недостатки в значительной мере могут быть устранены при проектировании фильтров с использованием в их составе плавно-нерегулярных линий передачи (НЛП), т.е. линий передачи с изменяющимися параметрами вдоль направления распространения волны.
Таким образом, разработка новых и оптимизация известных конструкций микрополосковых фильтров на основе НЛП с целью совершенствования харак теристик устройств, а именно устранения кратных паразитных полос пропуска ния в широком диапазоне частот, является на сегодняшний день важной и акту альной задачей.
Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование плавно-нерегулярных линий передачи и создание на их основе микрополоско вых фильтров, обладающих широкими полосами заграждения, исследование полученных структур аналитическими и экспериментальными методами.
Задачи исследования 1. Обосновать выбор метода синтеза плавно-нерегулярных линий переда чи для линий конечной длины на основе спектрального подхода.
2. Получить уравнения перехода от входного сопротивления (проводимо сти) к интегральному уравнению синтеза волнового сопротивления НЛП для двух типов линий: разомкнутой и замкнутой на конце линии передачи.
3. Провести теоретические исследования и получить уравнения для опре деления перепада волнового сопротивления плавно-нерегулярных ли ний передачи по их спектру.
4. Разработать и исследовать конструкции фильтров в диапазоне частот 0.1-10ГГц с широкими полосами заграждения на основе отрезков плав но-нерегулярных линий передачи.
Методы исследования. Используемые методы исследований предусмат ривают комплексный подход к решению поставленных задач и включают ис пользование аппарата функционального анализа, методов матричной алгебры, теории радиотехнических цепей и сигналов, численных методов и компьютер ного моделирования;
экспериментального исследования изготовленных опыт ных образцов устройств. Были так же использованы численные методы реше ния систем нелинейных и интегральных уравнений.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Обос нованно корректностью используемых математических выводов и моделей, ре зультатами компьютерного моделирования и натурного эксперимента, внедре нием разработанных элементов и устройств в производство.
Научная новизна работы. В процессе исследований и разработки теоре тических положений получены следующие научные результаты:
1. Выведены уравнения, позволяющие осуществить переход от функции входного сопротивления (проводимости) к интегральному уравнению синтеза волнового сопротивления НЛП для двух типов линий: коротко замкнутой и разомкнутой на конце линии передачи.
2. На основании проведенных исследований выведены функциональные зависимости изменения минимального и максимального значения вол нового сопротивления короткозамкнутой на конце и разомкнутой на конце плавно-нерегулярной линии передачи от коэффициента сдвига резонансной частоты отрезка линии и номера гармоники.
3. Исследованы секции связанных линий передачи гребенчатого и решет чатого типа. Определены условия, при которых обеспечиваются полюса затухания секций гребенчатого и решетчатого типа в микрополосковом исполнении. Получены уравнения для расчета таких секций на связан ных плавно-нерегулярных линиях передачи.
4. Разработаны и экспериментально исследованы полосно-пропускающие фильтры и фильтры нижних частот с использованием физически реали зуемых плавно-нерегулярных шлейфов. Такие фильтры характеризуют ся полосой заграждения до 10ГГц и уровнем внеполосного подавления не менее 30дБ и стабильной работой при температурах ниже 4.2 К.
Практическая значимость 1. Разработанное программное обеспечение реализует метод синтеза вол новых сопротивлений отрезков плавно-нерегулярных линий передачи.
2. Полученные уравнения перехода от функции входного сопротивления (проводимости) к интегральному уравнению синтеза волнового сопро тивления плавно-нерегулярной линии позволяют проводить синтез ос новных элементов конструкции фильтров: короткозамкнутой и разо мкнутой на конце плавно-нерегулярной линии передачи.
3. Выведенные функциональные зависимости изменения минимального и максимального значения волнового сопротивления плавно нерегулярной линии передачи от коэффициента сдвига резонансной ча стоты отрезка линии и номера гармоники позволяют использовать ме тоды оптимизации фильтров с ограничением на перепад волнового со противления плавно-нерегулярной линии передачи и сделать определе ние ширины нерегулярной линии конечной стадией проектирования фильтра.
4. Предложены оригинальные конструкции микрополосковых НЧ- и по лосно-пропускающих фильтров с широкой полосой заграждения, а применение плавно-нерегулярных линий передачи в их составе позво лило добиться лучших селективных свойств устройств, а так же суще ственно уменьшить влияние шумов высокочувствительных измери тельных систем и внешних электромагнитных помех.
Положения, выносимые на защиту 1. Уравнения перехода от входного сопротивления (проводимости) к ин тегральному уравнению синтеза волнового сопротивления плавно нерегулярных линий передачи двух типов: короткозамкнутого и разо мкнутого на конце отрезка линии передачи.
2. Ограничения, накладываемые на НЛП и уравнения для определения минимального и максимального значения волнового сопротивления ко роткозамкнутых и разомкнутых на конце резонаторов на плавно нерегулярных линиях передачи по спектру линии.
3. Новые конструкции микрополосковых фильтров с широкой полосой за граждения на плавно-нерегулярных линиях передачи.
Реализация и внедрение результатов исследований. Работа выполнена на кафедре «Конструирования и технологии радиоэлектронных средств» Ново сибирского государственного технического университета. Достижения теоре тического и практического характера, в которых используются полученные ав тором результаты, внедрены в Научно-исследовательском институте электрон ных приборов (г. Новосибирск, ФГУП «НИИЭП»), ОАО «Дельта» (г. Новоси бирск), Институте фотонных технологий IPHT Jena (Лаборатория исследования квантовых объектов, г. Йена, Германия).
Апробация результатов. Основные теоретические и практические резуль таты диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской научно технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Красноярск, 2006, 2007, 2009гг.;
VIII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП», г. Новосибирск, 2006-2010гг.;
Межвузовской научно студенческой конферен ции «Современные проблемы технических наук», г. Новосибирск, 2006г.;
Межвузовской научной конференции «Дни науки НГТУ», г. Новосибирск, 2006-2009гг.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 научных работ, в том числе 3 статьи входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 4 публикации в сборниках научных трудов, 6 статей в материалах международ ных и всероссийских конференций.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Общий объ ем работы составляет 156 страницы, включая 78 рисунков, 13 таблиц. Список литературы содержит 122 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и по ставлены задачи, на решение которых направлена диссертационная работа. Из ложена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а так же приведены основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена краткому обзору нерегулярных структур исполь зующихся в качестве резонансных элементов СВЧ-фильтров. Рассмотрено со временное состояние разработок СВЧ-фильтров на нерегулярных линиях пере дачи.
Проведен анализ функциональных устройств на основе ступенчато нерегулярных и плавно-нерегулярных линиях передачи, показано, что устрой ства на основе плавно-нерегулярных линиях передачи позволяют получить бо лее совершенные характеристики.
В рассмотренных публикациях по вопросам расширения внеполосного за граждения авторами не затрагивается вопрос о физической реализуемости фильтрующих структур на НЛП. Так, в работах В.В. Козловского, О.Н. Литвиненко, В.И. Сошникова затронуты только теоретические аспекты синтеза НЛП, а вопрос их реализации не затрагивается в принципе, приводятся фильтрующие структуры на отрезках нерегулярных линий передачи с нереали зуемыми на практике волновыми сопротивлениями. И.Н. Салий и М.Я. Воронин в своих работах используют НЛП с заданным законом изменения волнового сопротивления в виде тригонометрических функций, что, в свою очередь, накладывает ограничения на оптимальность выбора структур.
Сделан вывод о том, что существует потребность в дальнейших исследо ваниях, направленных на изучение свойств нерегулярных линий передачи, по иск новых фильтрующих структур на их основе и разработку методов их расче та. Очевидно, это касается и ключевых составных частей фильтров – резонанс ных элементов на плавно-нерегулярных линиях передачи.
На основании проведенного обзора литературных источников выявлены направления исследований, проведенных в настоящей диссертационной работе, сформулирована ее цель и поставлены задачи, которые решаются для ее дости жения.
Во второй главе обосновано использование методики синтеза плавно нерегулярных линий передачи, на основе спектрального подхода. Описана суть спектрального подхода к синтезу устройств на основе нерегулярных линий, от личительными чертами которого являются универсальность и удобство.
Для синтеза плавно-нерегулярных линий передачи используется инте гральное уравнение вида z f z, y f s, y K z, s ds K z, y 0. (1) Где закон изменения волнового сопротивления определяется из выражения z z 0 1 K z, t dt (2) 0 Выведены уравнения перехода от функции входного сопротивления к ин тегральному уравнению (1) синтеза волнового сопротивления НЛП по спектру линии передачи, для основных элементов конструкций фильтров:
короткозамкнутого на конце отрезка линии передачи 2n 1 2n 1 f z, y Ln n, z, y cos y, (3) z cos n 1 2 n 1 разомкнутого на конце отрезка линии передачи 2 k0 1, L, z, y cos n n f z, y y (4) z cos n 1n n n 1 где Ln n, z, y k n cos n z cos n y, – электрическая длина линии, – центральная частота НЛП, n – резонансные частоты нерегулярной линии передачи, k n – вычет в полюсе n входного сопротивления нерегулярной ли нии передачи.
Реализован численный метод решения интегрального уравнения синтеза НЛП и проведен анализ сходимости алгоритма синтеза, на примере разомкну той на конце канонической нерегулярной линии передачи (КНЛП), рассчитан ной на основе аналитической функции. Сравнение закона изменения волнового сопротивления, полученного с помощью метода синтеза НЛП по входному со противлению, с волновым сопротивлением КНЛП, рассчитанным по аналити ческому выражению, показало максимальное отклонение характеристик не превышающее 0.1%.
В третьей главе описываются условия физической реализуемости плавно нерегулярных линий передачи. На основе теоретических исследований поведе ния максимального и минимального значения волнового сопротивления плав но-нерегулярных линии передачи от положения собственных частот линий бы ли выведены уравнения для определения минимального и максимального зна чения волнового сопротивления линий передачи по спектру НЛП.
Функциональная зависимость изменения максимального и минимального значения волнового сопротивления от величины смещения собственной часто ты НЛП и от номера гармоники для короткозамкнутой и разомкнутой на конце линии передачи 1 sign 1 1 sign max min, n 0 1 n, 0 1 n,, (5) 2 где 0 – волновое сопротивление в начале линии, – коэффициент сдвига ре зонансной частоты (где n n, n – резонансная частота плавно нерегулярного отрезка, n – резонансная частота регулярного отрезка линии передачи, n – номер гармоники).
1 1n, exp c1n 1 c2 n 12 c3 n ln, ci n a1 a2 n a3n 2 a4 n3 – полином, aj – вычисляемые коэффициенты, i=1…3, n – номер гармоники.
При сдвиге нескольких собственных частот НЛП итоговая функциональ ная зависимость изменения минимального и максимального значения волново го сопротивления от величин смещения собственных частот записывается сле дующим образом:
m 1 sign 1 m 1 sign 1 n, 0 1 n,, (6) min max 0 n n 2 n 1 n где m – общее количество смещенных резонансных частот.
Сравнение результатов теоретического исследования и расчетных данных показало, что максимальная ошибка интерполяции изменения максимального и минимального значения волнового сопротивления от коэффициента сдвига гармоники не превышает 0.5%.
Четвертая глава посвящена проектированию фильтров с широкими поло сами заграждения на плавно-нерегулярных линиях передачи. Показана возмож ность эффективного подавления нерабочих частот в широком частотном диапа зоне.
В первом разделе, предложена конструкция фильтра нижних частот (ФНЧ) с плавно-нерегулярными шлейфами. Метод расчета фильтров основан на ис пользовании прототипа нижних частот на сосредоточенных элементах.
L2 L C2 C L C Рисунок 1 – Прототип ФНЧ на со- Рисунок 2 – Амплитудно-частотная характери средоточенных элементах стика ФНЧ на сосредоточенных элементах Использование прототипа ФНЧ (рис. 1) с Кауэровской характеристикой за тухания позволило сконструировать фильтр с более крутыми характеристиками АЧХ (рис 2), а применение в качестве шлейфных элементов плавно нерегулярных линий передачи позволило расширить полосу заграждения и уве личить уровень внеполосного затухания.
Для обеспечения полосы задерживания в НЧ-фильтре (рис. 1) должно вы полняться условие противорезонансности паразитных частот шлейфов на НЛП, т.е. расположение нулей входного сопротивления первого шлейфа должно со ответствовать расположению полюсов входного сопротивления следующего шлейфа и т.д.:
2 2 2 2 pn 0n 0n 2 (7) 2 n 1 0n НЛП1 n 1 pn n 1 0n НЛП 2 2 НЛП 2 2 2 2 0n pn pn (8) n 1 pn n 1 0n НЛП 2 n 1 pn 2 2 2 2 2 НЛП1 НЛП 3, 0n и pn – нули и полюса входного сопротивления, 0n и pn – смещенные нули и полюса входного сопротивления.
Коэффициенты сдвига нулей входного сопротивления НЛП шлейфов для обеспечения полюсов затухания 1 вблизи полосы пропускания:
a, 0 L1C где a – коэффициент сдвига нуля входного сопротивления НЛП шлейфа, а 0 – резонансная частота НЛП шлейфа.
На рисунке 3 показана топология микрополоскового фильтра такого типа, с частотой среза 1ГГц, уровнем пульсаций в полосе пропускания =0.5дБ, и его амплитудно-частотная характеристика.
Штрихпунктирной линией на рисунке 3 показана характеристика затуха ния микрополоскового ФНЧ с регулярными шлейфами.
Анализируя полученную функцию рабочего затухания, можно сказать, что применение НЛП в качестве резонансных элементов в фильтре нижних частот позволило расширить полосу заграждения до 10ГГц при уровне затухания -30дБ.
НЛП НЛП Рисунок 3 – Топология ФНЧ в микрополосковом варианте, АЧХ фильтра на плавно нерегулярных резонаторах В следующем подразделе рассматривается синтез узкополосных полосно пропускающих фильтров (ППФ) шпилечного типа на нерегулярных шлейфах.
Для подавления паразитных полос пропускания, возникающих из-за раз личных фазовых скоростей (в результате различных электрических длин) для четных и нечетных мод секций связанных линий, в полосе задерживания, были применены эквивалентные Т-образные плавно-нерегулярные шлейфы, разо мкнутые на конце, вместо последовательных четвертьволновых соединитель ных линий в фильтре. Схема замещения показана на рис. 4.
Рисунок 4 – Схема замещения последовательной линии передачи Т-образной плавно нерегулярной разомкнутой на конце Т-образные шлейфы, разомкнутые на конце, имеют ослабление на соб ственных резонансных частотах и малые вносимые потери в остальном спектре частот. Настройка резонансных частот таких шлейфов на паразитные гармони ки фильтра шпилечного типа позволяет обеспечить их подавление.
Параметры фильтра шпилечного типа рассчитываются на основе НЧ прототипа. Параметры шлейфов на НЛП 1 cot Z1 ctg 1 Z0, (9) sin 1 cos cot 2 0n p 2 2 p cot pn Z2 Z 0. (10) cos21 cos 0 sin n 1 p n 1 p pn 2 2 2 0n Электрическая длина плавно-нерегулярного шлейфа выбирается из усло вия: 2, где n – номер паразитной гармоники, 0n и pn – нули и полю n са входного сопротивления, 0n и pn – смещенные нули и полюса входного сопротивления, количество нерегулярных шлейфов выбирается из условия N m 1, где m – количество паразитных гармоник для подавления.
Моделирование такого типа фильтров подтвердило, что структура с плав но-нерегулярными шлейфами обеспечивает затухание паразитных полос про пускания, не хуже -40дБ в широком частотном спектре, с учетом ограничения на перепад волнового сопротивления не более 3. Экспериментальные характе ристики фильтра такого типа приведены в гл. 5 диссертации.
Далее были рассмотрены секции связанных плавно-нерегулярных микро полосковых линий (СНЛП) гребенчатой и решетчатой структуры (рис. 5).
а б Рисунок 5 – Секции связанных плавно-нерегулярных линий передачи: а) зве нья гребенчатого типа;
б) звенья решетчатого типа На основе связанных нерегулярных линий можно синтезировать устрой ства, характеристики которых являются предельными или близкими к ним.
Например, можно реализовать фильтры с бесконечной полосой заграждения.
Звенья фильтров решетчатого (рис. 5а) и гребенчатого (рис.5б) типов при регулярной области связи являются всезаграждающими по всем диапазоне ча стот. Их характеристические сопротивления имеют чисто мнимый характер, а затухание – довольно большую величину.
При нерегулярной связи звенья наряду с всезаграждающими могут обла дать полосно-пропускающими свойствами в зависимости от параметров СНЛП.
Всезаграждающими свойствами звенья обладают в том случае, если нере гулярность для ортогональных типов волн одинакова и выполняется условие jtg oe l jtg oo l. (11) Условие (11) для звеньев фильтра решетчатого (рис. 5а) и гребенчатого (рис. 5б) типов справедливо во всей частотной области в случае однородной среды (симметричная полосковая линия передачи;
, µ - скалярные константы).
Если среда неоднородная, то электрические длины четных oe и нечетных oo мод будут различными. Тогда для микрополосковой связанной линии oooe n oooe, где коэффициенты замедления нормальных волн oeoo n oeoo r oo, r oe – эффективная диэлектрическая проницаемость эф эф подложки. В этом случае, из-за различных фазовых скоростей четных и нечет ных мод, возникают дополнительные паразитные полосы пропускания на ча стотах 2f0, 4f0 и т.д. и jtg l jtg l (рис. 6) oe oo Zoe Zoo - Zвх, Ом |S21|, dB - - - - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (GHz) Частота (ГГц) Частота (ГГц) а б Рисунок 6 – Частотные характеристики звена фильтра решетчатого типа: а) расчетная частотная характеристика звена на несимметричной микрополоско вой линии;
б) входное сопротивление четной и нечетной мод Поэтому, чтобы обеспечить затухание на частотах 2f0, 3f0, 4f0 и т.д. требу ется выполнение условия (11).
Данное условие может быть выполнено за счет применения секций парал лельно-связанных плавно-нерегулярных линий передачи.
Были получены коэффициенты сдвига резонансных частот для четной и нечетной мод СНЛП обеспечивающие условие (11):
a oe 0 b oo 0 a 0 0 b0 oe oo oe oe oo oo p p n n n n, (12) oe oo oe oo где 0 0 0 – резонансная частота СНЛП, oe и oo – электрические oe oo длины четных и нечетных мод СНЛП соответственно, n – номер гармоники, a oe и b oo – коэффициенты сдвига полюса четной и нечетной гармоники, a oe pn pn n oo и b0 – коэффициенты сдвига нуля четной и нечетной гармоники.
n На рис. 7 приведена расчетная частотная характеристика звена на СНЛП для условия (11) и зависимость входных сопротивлений четной и нечетной мод от частоты. Из рисунка видно, что при выполнении условия (11) на резонанс ных частотах 2ГГц и 4ГГц обеспечивается дополнительное затухание.
0 Zoe Zoo - - |S21|, dB Zвх, Ом - - - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Частота (ГГц) Частота (ГГц) а б Рисунок 7 – Частотные характеристики звена фильтра решетчатого типа:
а) расчетная частотная характеристика звена на СНЛП;
б) входное сопротивле ние четной и нечетной мод Основываясь на вышесказанных положениях, был спроектирован фильтр нижних частот на секции СНЛП решетчатого типа, с частотой среза 2ГГц. То пология фильтра представлена на рисунке 8.
Матрица проводимости фильтра запишется следующим образом Y Y Y. (13) Коэффициент передачи фильтра S21:
2Y S 21. (14) 1 Y11 1 Y22 Y12Y а б Рисунок 8 – а) структурная схема ФНЧ на связанных линиях передачи, б) мат ричное представление фильтра Все нули передачи фильтра могут быть определены из условия S21=0, от куда из (14) Y21=0, следовательно, для обеспечения нулей передачи на заданных частотах должно выполняться условие:
Y21 Y21, (15) Таким образом, используя связанные плавно-нерегулярные линии переда чи в качестве звена решетчатого типа в фильтре (рис. 8а) и условие нулей пере дачи (15), можно добиться отсутствия паразитных полос пропускания в широ ком частотном диапазоне.
Рисунок 9 – Топология НЧ фильтра на СНЛП На рис. 9 представлена полная конструкция рассчитанного микрополоско вого НЧ-фильтра с геометрическими размерами, а на рис. 10 приведена расчет ная АЧХ и АЧХ фильтра, промоделированного в пакете электромагнитного анализа CST Studio.
Анализируя полученную функцию рабочего затухания, можно сделать вы вод, что применение СНЛП в структуре фильтра нижних частот (рис. 8а) поз волило достигнуть широкой полосы заграждения до 10ГГц при уровне затуха ния -20дБ.
а) б) Рисунок 10 – АЧХ микрополоскового НЧ фильтра: а) амплитудно-частотная характеристика, б) АЧХ в полосе пропускания;
штрихпунктирная линия – рас четная характеристика, сплошная линия – ЭМ модель Таким образом, исследования показали возможность построения фильтров СВЧ с высокой избирательностью на основе применения звеньев с нерегуляр ной областью связи. Полученные свойства можно использовать в дальнейшем при проектировании высокоизбирательных цепей СВЧ на связанных нерегу лярных линиях передачи относительно небольших размеров.
В пятой главе проводятся экспериментальные исследования узкополосно го полосно-пропускающего фильтра для высокочувствительных систем изме рения.
Для измерительной установки состояний квантовых систем, выполненных на основе трехконтактных потоковых сверхпроводящих квантовых битов, был разработан полосно-пропускающий микрополосковый фильтр на параллельно связных линиях передачи, комбинированный с нерегулярными линиями. Про ектирование ППФ осуществлялось на основании рекомендаций, изложенных в диссертации. Особенностями данного фильтра являются широкая полоса за граждения, высокая крутизна АЧХ, малые габаритные размеры и физическая реализуемость плавно-нерегулярных линий. Частота основной гармоники сверхпроводящего осциллятора, связанного с кубитом, составляет 2.5ГГц. Цен тральная частота полосно-пропускающего фильтра рассчитывается из учета данной резонансной частоты и составляет 2.5ГГц. Данный фильтр был реализо ван с использованием материала подложки RT/Duroid 6010LM с r=10.2, тол щина подложки h 0.64 мм, толщина металлизации 17мкм, tan 0.0023 на частоте 10ГГц (рис. 11).
Рисунок 11 – ППФ шпилечного типа с плавно-нерегулярными резонаторами Были произведены измерения S-матриц и характеристики входных и вы ходных импедансов при комнатной температуре и температуре кипения жидко го азота, 77К (рис. 13). Схемы измерений представлены на рисунке 12а и ри сунке 12б, соответственно.
Рисунок 12 – Схема измерений характеристик полосно-пропускающего фильтра шпи лечного типа: а – комнатная температура, б - криогенная температура, 1 - фильтр на подложке, 2 – 50-омные соединяющие разъемы SMA, 3а - гибкий 50-омный коакси альный кабель, 3б - интегрированный 50-омный коаксиальный кабель в измеритель ную штангу Рисунок 13 – Экспериментально полученные S-параметры полосно пропускающего фильтра шпилечного типа при комнатной температуре Для уменьшения потерь в полосе пропускания, применили охлаждение фильтрующей структуры до криогенных температур, компенсируя, к тому же, омические потери в проводящем металле.
Были произведены измерения ППФ шпилечного типа с плавно нерегулярными линиями при температуре 77К. Передаточная характеристика такого фильтра представлена на рис. 14 и рис. 15.
Рисунок 14 – Экспериментально полученные S-параметры полосно пропускающего фильтра шпилечного типа комбинированного с плавно нерегулярными линиями при 77К Рисунок 15 – Экспериментально полученные S-параметры полосно пропускающего фильтра шпилечного типа при комнатной температуре и при 77К Экспериментальные измерения фильтра подтвердили, что данная комби нированная структура обеспечивает полосу пропускания 100МГц на централь ной частоте 2.5ГГц, имеет внеполосное затухание в спектре от 3ГГц до 10ГГц по уровню -30-40дБ. Одним из направлений использования данных фильтру ющих структур является частотная селекция во входных СВЧ цепях измерения характеристик состояний трехконтактных кубитов, работающих при темпера турах ниже 50мК на частотах 1-10ГГц.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Выведены уравнения, позволяющие осуществить переход от функции входного сопротивления (проводимости) к интегральному уравнению синтеза волнового сопротивления НЛП для двух типов линий: коротко замкнутой и разомкнутой на конце линии передачи.
2. Реализован численный метод решения интегрального уравнения синтеза волнового сопротивления плавно-нерегулярных линий передачи, адап тированный к решению задач синтеза фильтров СВЧ. Сравнение закона изменения волнового сопротивления, полученного с помощью метода синтеза НЛП по входному сопротивлению, с волновым сопротивлением КНЛП, рассчитанным по аналитическому выражению, показало макси мальное отклонение характеристик не превышающее 0.1%.
Определены условия физической реализуемости отрезков плавно 3.
нерегулярных линий передачи. Выведены функциональные зависимо сти изменения минимального и максимального значения волнового со противления короткозамкнутой на конце и разомкнутой на конце плав но-нерегулярной линии передачи от коэффициента сдвига резонансной частоты отрезка линии и номера гармоники. Максимальная ошибка ин терполяции изменения максимального и минимального значения волно вого сопротивления НЛП от коэффициента сдвига гармоники не пре вышает 0.5%.
Исследованы секции связанных линий передачи гребенчатого и решет 4.
чатого типа. Определены условия, при которых обеспечиваются полюса затухания секций гребенчатого и решетчатого типа в микрополосковом исполнении. Получены уравнения для расчета таких секций на связан ных плавно-нерегулярных линиях передачи.
Разработаны и экспериментально исследованы фильтры нижних частот 5.
и полосно-пропускающие фильтры с использованием физически реали зуемых плавно-нерегулярных шлейфов. Такие фильтры характеризуют ся полосой заграждения до 10ГГц и уровнем внеполосного подавления не хуже -30дБ. Такие фильтры позволяют существенно уменьшить вли яние шумов высокочувствительных измерительных систем и внешних электромагнитных помех.
Исследовано влияние технологических погрешностей изготовления 5.
НЛП на смещение резонансных частот. Построены регрессионные ха рактеристики и доказано, что вероятность попадания в доверительный интервал отклонения резонансных частот, равный ±50МГц, составляет 85% при заданных технологических погрешностях.
Теоретические и экспериментальные результаты работы применены при 6.
проектировании полосно-пропускающих фильтров с плавно нерегулярными шлейфами для криогенных высокочувствительных си стем измерения.
Основные публикации по материалам диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Клименко Д.Н., Плавский Л.Г. Исследование фильтров с широкими полосами заграждения на связанных нерегулярных линиях передачи. Науч ный вестник НГТУ, – 2008. – № 1 (30). – С. 93-103.
2. Клименко Д.Н., Плавский Л.Г. Определение минимально го/максимального значения волнового сопротивления нерегулярной линии передачи по заданному спектру линии. Научный вестник НГТУ. – 2009.
– №3(36). – С.149-154.
3. Клименко Д.Н., Иванов Б.И. Микрополосковые фильтры шпилечно го типа для криогенных высокочувствительных систем измерений. Научный вестник НГТУ. – 2011. – №4(45). – С. 155-160.
Публикации в сборниках трудов 4. Клименко Д.Н. Синтез фильтров с взаимно-противоположным рас положением резонансных частот. Materials of the international conference «Agroinfo-2006». Novosibirsk 2006, part 2, p. 245.
5. Клименко Д.Н., Плавский Л.Г. Особенности проектирования филь тров с широкой полосой заграждения. Материалы VIII международной кон ференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Новоси бирск, – 2006. – Т. 4. – С. 162-165.
6. Клименко Д.Н., Плавский Л.Г. Синтез фильтров гармоник на нере гулярных линиях передачи с широкой полосой запирания. Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. / под ред.: А.И.Громыко, А.В. Са рафанов. – М.: «Радио и Связь». – 2006. – С. 134-137.
7. Клименко Д.Н. Синтез фильтров на резонаторах с взаимно противоположным распределением собственных частот. Материалы Между народной научно-практической конференции «Агроинфо-2006». Россельхо закадемия. Сиб. отделение. Новосибирск. – 2006. – Ч. 2. – С. 175-179.
8. Клименко Д.Н., Плавский Л.Г. Использование нерегулярных линий в полосно-пропускающих фильтрах в качестве резонансных элементов. Со временные проблемы радиоэлектроники: Сб. науч. ст. / ред.: А. И. Громыко, А. В. Сарафанов;
– Красноярск: Сибирский федеральный ун-т;
Политехни ческий институт. – 2007. – С. 246-249.
9. Клименко Д.Н., Плавский Л.Г. Определение перепада волнового сопротивления нерегулярной линии передачи по заданному спектру линии.
Материалы IХ Международной научно-технической конференции “Акту альные проблемы электронного приборостроения” (АПЭП-2008) в 7-ми то мах, Новосибирск, НГТУ. – 2008. – Т. 4. – С. 111-115.
10. Клименко Д.Н. Вычисление перепада волнового сопротивления плавно-нерегулярных линий передачи. Современные проблемы радиоэлек троники: сб. науч. тр. / науч. ред.: А.И. Громыко. - Красноярск: ИПК СФУ. – 2009. – С. 261-263.
11. Клименко Д.Н. Новый компактный НЧ фильтр с широкой полосой заграждения. Наука. Технологии. Инновации. Материалы всероссийской студенческой конференции молодых ученых. Новосибирск: Изд-во НГТУ, – 2009. – Ч. 2. – C.148-150.
12. Клименко Д.Н., Плавский Л.Г. Полосно-пропускающий фильтр с широкой полосой заграждения на связанных нерегулярных линиях передачи.
Техническая электродинамика и электроника. Сборник научных трудов.
СГТУ (Саратов). – 2009. – C. 121-125.
13. Алексеев А.А., Клименко Д.Н., Плавский Л.Г. Способ определения перепада волнового сопротивления нерегулярной линии передачи. Мате риалы Х Международная научно-техническая конференция “Актуальные проблемы электронного приборостроения” (АПЭП-2010) в 7-ми томах, Но восибирск, НГТУ, – 2010. – T. 4. – C. 126-128.
14. Клименко Д.Н., Плавский Л.Г. Свидетельство о государственной регистрации программы ЭВМ №2011611946, Компьютерная программа по синтезу плавно-нерегулярных линий передач «Синтез НЛП». 03.03.2011г.
Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, тел./факс (383) 346-08- Формат 60 X 84/16, объем 1.5 п.л., тираж 100 экз.
заказ № подписано в печать.2012 г.