Глава2. Фильтры свч.

2.1. Общие сведения.

В последние годы при рассмотрении СВЧ устройств все чаще стал использоваться аппарат теории цепей как более наглядный и удобный в отличии от ранее господствовавших в технике СВЧ методов электродинамики. Отправным пунктом при построении методов расчета является фильтр прототип. В качестве последнего используется чаще всего фильтр нижних частот на сосредоточенных параметрах.

Аналогично индуктивно-емкостным фильтрам диапазона умеренных частот для апроксимации характеристик затухания фильтров СВЧ используется баттервортовская и чебышевская характеристики рис.1.1 и рис.1.2. Возможные варианты схемы фильтра прототипа рассмотрены далее.

Как известно, на СВЧ в качестве резонаторов используются цепи с распределенными параметрами, а именно, отрезки длинных линий. В диапазоне частот от 300 МГц до 4 ГГц применяются фильтры состоящие из отрезков коаксиальных, полосковых и микрополосковых линий передач.

Ниже рассматривается расчет только полосно-пропускающих фильтров СВЧ, построенных на указанных линиях передач.

Подобные фильтры структурно представляют собой цепочку резонаторов с реактивной проводимостью В_i( ), связанных между собой инверторами проводимости J_i,i+1 рис.2.1.

G_A

G_B

Рис.2.1

В этой главе дан расчет некоторых наиболее широко распространенных полосовых фильтров СВЧ по методике [2,3,4].

2.2. Выбор конструктивного построения фильтра, определение класса фильтра и выбор прототипа.

Проектирование фильтра начинается с выбора конструктивного исполнения его элементов (резонаторов). Критериями выбора типа резонатора могут служить габариты, потери, широкополосность, простота изготовления и т.д.

Фильтры на коаксиальных (стержневых) резонаторах с воздушным заполнением имеют наибольшую добротность (малые потери), но узкополосны и имеют большие габариты и вес.

Фильтры на полосковых и микрополосковых отрезках линий имеют большие потери, но более технологичны и широкополосны, а также малогабаритны.

В длинноволновой части СВЧ диапазона целесообразнее применять четвертьволновые резонаторы как имеющие наименьшие габариты. В верхней части диапазона до 4 ГГц можно использовать полуволновые резонаторы.

При выборе апроксимирующего полинома для характеристики фильтра необходимо учитывать, что чебышевские фильтры имеют большую крутизну характеристики затухания, чем баттервортовские, однако баттервортовские фильтры вносят меньше фазовых искажений. Класс фильтра (количество резонаторов) определяется из графиков рис.2.2 для баттервортовских и рис.2.3 для чебышевских фильтров.

L,дБ

Рис.2.2.

L,дБ

Рис.2.3.

На рис2.2 и рис.2.3 обозначено:

полоса пропускания фильтра на уровне 0,7 от максимума;

полоса запирания фильтра при заданном ослаблении L,дБ;

класс (порядок) фильтра, равный числу элементов прототипа или количеству резонаторов фильтра;

заданное ослабление вне полосы фильтра;

пульсации на вершине чебышевской характеристики.

Для фильтров преселектора супергетеродинного приемника полоса запирания определяется зеркальным каналом. Например, если приемник настроен на частоту f₀, промежуточная частота f_п, зеркальный канал f₃=f₀+2f_п, то вследствие симметрии характеристики затухания, полоса запирания фильтра равна 4f_п.

Класс фильтра n, равный числу элементов прототипа или количеству резонаторов фильтра, определяется из вышеприведенных графиков рис.2.2 или рис.2.3 по заданному ослаблению зеркального канала L,дБ.

g₂

g₁

g₃

После определения класса фильтра выбирают прототип рис.2.4.

R_n+1=g_n+1

R₀=g₀

g₁

g₃

g_n

G₀=g₀

g₂

g_n

R_n+1=g_n+1

а) б)

Рис.2.4

Очевидно схема рис.2.4а удобна для нечетных n, а схема рис.2.4б для четных n.

Параметры прототипа определяют из таблицы 2.1 для фильтров с баттервортовской характеристикой затухания.

Таблица 2.1.

N	g0	g1	g2	g3	g4	g5	g6	g7	g8	g9
1 2 3 4 5 6 8	1 1 1 1 1 1 1	2,0 1,41 1,0 0,76 0,61 0,51 0,39	1, 1,41 2,0 1,84 1,61 1,41 1,11	1,0 1,0 1,84 2,0 1,93 1,66	1,0 0,76 1,61 1,93 1,96	1,0 0,61 1,41 1,96	1,0 0,51 1,66	1,0 1,11	0,39	1,0

Из таблицы 2.2 определяют параметры прототипа с чебышевской характеристикой затухания при пульсации на вершине дБ

Таблица2.2.

N	g0	g1	g2	g3	g4	g5	g6	g7	g8	g9
1 2 3 4 5 6 8	1 1 1 1 1 1 1	1,01 1,82 2,02 2,09 2,13 2,15 2,17	1,0 0,68 0,99 1,06 1,09 1,1 1,11	2,65 2,02 2,83 3,0 3,06 3,11	1,0 0,78 1,09 1,15 1,18	2,65 2,13 2,93 3,14	1,0 0,81 1,16	2,65 2,96	0,81	2,65

Количество параметров g берется n+1.

Конструктивное исполнение фильтра определяется его назначением и частотой. В радиоприемных устройствах в диапазоне от 0,3ГГц до 4ГГц широко используются полосовые фильтры на отрезках микрополосковых линий.