Проектирование СВЧ устройства фильтрации и коммутации

УДК621.372.543.2

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЧ УСТРОЙСТВА ФИЛЬТРАЦИИ И КОММУТАЦИИ

Д.В. Осьминин

В данной работе рассматривается методика проектирования устройства фильтрации и коммутации, обеспечивающего снижение потерь сверхвысокочастотного сигнала в полосе пропускания и снижение массогабаритных параметров за счет объединения полезных свойств электрических фильтров и высокочастотных коммутаторов в одном устройстве

Ключевые слова: проектирование, оптимизация, фильтр, коммутатор

Постановка задачи. СВЧ коммутаторы активно используются для амплитудных манипуляций высокочастотных колебаний в современных трактах приемо-передающих систем. Схемы СВЧ коммутаторов на РШ-диодах выгодно отличаются от схем других коммутаторов высоким уровнем запирания высокочастотного сигнала в закрытом канале, малым уровнем потерь мощности в открытом канале, быстрым переключением между каналами, а также возможностью коммутации сигналов большой мощности в широком диапазоне частот. Главным недостатком СВЧ коммутаторов на РШ-диодах являются их большие габаритные размеры, возникающие в связи с необходимостью применения в цепях управления РШ-диодами развязывающих катушек индуктивности.

Электрические фильтры используются во всех приемо-передающих системах для выделения полезной составляющей из всего спектра электромагнитных сигналов. Самыми распространёнными из электрических фильтров являются пассивные фильтры, обладающие следующими преимуществами: возможность пропускать высокочастотные сигналы большой мощности, отсутствие нелинейных искажений, "бесшумность", отсутствие энергопотребления и тепловыделения. Основным недостатком пассивных электрических фильтров является их значительная масса и габаритные размеры.

Как видно из выше изложенного, СВЧ коммутаторы на РШ-диодах и пассивные электрические фильтры, являясь необходимыми элементами практически любой приемо-передающей системы, значительно влияют на ее размеры и вес. Помимо этого, и СВЧ коммутаторы на РШ-диодах и электрические фильтры вносят собственные потери высокочастотного сигнала, снижая КПД приемопередающей системы. Целью данной работы является попытка объединить в одном устройстве положительные свойства мощных СВЧ коммутаторов на РШ-диодах и пассивных электрических фильтров на сосредоточенных элементах, тем самым снизив общие электрические потери в приемо-передающем тракте и уменьшив их общие габариты и массу.

В состав любого мощного РШ-диодного СВЧ коммутатора входят цепи управления РШ-диодами

постоянным напряжением, которые состоят из индуктивных элементов для защиты управляющих схем от высокочастотного сигнала, а также блокировочные емкостные элементы в СВЧ тракте для защиты входов и выходов коммутатора от высокого постоянного напряжения запирания РШ-диодов. Любого пассивный электрический фильтр состоит из резонансных контуров, в состав которых входят индуктивности и емкости. Следовательно, если добавить последовательную или параллельную емкость к индуктивностям питания РШ-диодов и последовательную индуктивность к блокировочным емкостям коммутатора, получим резонансные контуры в структуре коммутатора, а следовательно, коммутатор приобретет фильтрующие свойства.

1 этап - разработка эквивалентной схемы коммутатора с идеальными элементами без учета РШ-диодов. Рассмотрим проектирование СВЧ устройства фильтрации и коммутации на примере схемы дуплексного СВЧ коммутатора с двумя плечами приема и передачи с последовательно включенными диодами, объединенными общим выходом [1]. Для расчетов наиболее удобна схема, в которой последовательно с блокировочными емкостями на входах и выходе коммутатора установлены индуктивности, а с индуктивностями питания РШ-диодов параллельно установлены емкости, так как такая компоновка хорошо описывается уравнениями, соответствующими характеристике, обратной Чебышевской. Для одного плеча СВЧ устройства фильтрации и коммутации эквивалентная схема без учета РШ-диодов представлена на рис. 1.

В случае использования в схеме идеальных элементов, индуктивности и емкости параллельных контуров равны, следовательно, данная схема упрощается до схемы, эквивалентной трехзвенному Т-образному полосно-пропускающему фильтру (рис. 3). Переход от эквивалентной схемы рисунка

1 к эквивалентной схеме рис. 3 проводится по следующим формулам:

Сэкв=С2+С2+С2=3*С2,

Ьэкв=1/Ь2+1/Ь2+1/Ь2=3/Ь2.

Осьминин Денис Владимирович - ОАО «Концерн «Созвездие», аспирант, тел. 89204035706

Рис. 1. Эквивалентная схема одного плеча коммутатора без учета РШ-диодов

Рис. 2. Эквивалентная схема PIN-диода, где: Ьв - индуктивности выводов PIN-диода;

Сп - емкость i-слоя PIN-диода;

Ил - сопротивление i-слоя PIN-диода;

Ск - емкость корпуса PIN диода;

Кобр - Сопротивление PIN-диода в закрытом состоянии

Рис. 3. Эквивалентная схема преобразованного Т-образного полосно-пропускающего фильтра

Параметры Т-образного полосно-

пропускающего фильтра рассчитывались по методу прототипов фильтров нижних частот, имеющих бесконечное затухание на конечных частотах [2, 3]. В результате были получены значения элементов рассматриваемого фильтра для заданной полосы частот с удовлетворительными электрическими параметрами. Далее был осуществлен обратный переход по формулам 3, 4 от Т-образного полосно-пропускающего фильтра эквивалентной схемы 2 к эквивалентной схеме 1. В результате проведенных расчетов была рассчитана эквивалентная схема СВЧ устройства фильтрации и коммутации с идеальными элементами не учитывающая влияние РШ-диодов на характеристику устройства.

С2=СЭКВ/3,

L2=L3KB*3.

2 Этап - введение в полученную эквивалентную схему СВЧ устройства фильтрации и коммутации с идеальными элементами модели PIN -диодов. Эквивалентная схема PIN-диода представлена на рис. 2. В данной эквивалентной схеме PIN-диодов учитывается, что полное сопротивление PIN-диода в открытом состоянии для СВЧ сигнала носит активный характер, а в закрытом состоянии, соответственно, PIN-диод эквивалентен сосредоточенной емкости. Значения эквивалентных элементов, составляющих PIN-диод - табличные величины [4], переключение PIN-диода между двумя состояниями осуществляется изменением значения элемента Иобр.

3 этап - синтез двух плечей коммутатора в

результате чего был получен шестиполюсный элемент с 3 портами Х1, Х2 и Х3, эквивалентная схема которого представлена на рисунке 4. Х1 является входом передающего плеча, Х3 является выходом приемного плеча, Х2 является входом антенны, У1 и У2 являются источниками управляющих напряжений. Т ак как плечо приема и плечо передачи выполняют разные задачи, то в них были использованы различные PIN-диоды, а следовательно номинальные значения индуктивностей и емкостей в резонансных контурах в плечах коммутатора будут различаться. В результате синтеза было получено первое приближение математической модели СВЧ устройства фильтрации и коммутации.

Рис. 4. Эквивалентная фильтрации и коммутации

схема СВЧ устройства

4 этап - оптимизация. В качестве последнего шага проектирования была проведена оптимизация полученного шестиполюсника для двух состояний РШ-диодов при помощи генетического алгоритма [5], учитывающая оба режима работы коммутатора для обоих плечей коммутатора одновременно. При оптимизации модели СВЧ устройства фильтрации и коммутации учитывалось, что в режиме передачи РШ-диоды передающего плеча открыты, а РШ-диоды приемного плеча закрыты и, соответственно, в режиме приема РШ-диоды приемного плеча открыты, а РШ-диоды передающего плеча закрыты. В качестве параметров оптимизации задавались: ослабление в полосе пропускания в режиме передачи и приема, потери в полосе непропускания в режиме передачи и приема, КСВ в режиме передачи, развязка приемника от передатчика. В результате была получена математическая модель СВЧ устройства фильтрации и коммутации, расчетные характеристики которой хорошо совпадают с экспериментальными характеристиками построенного на основе этой модели макета.

Рис. 6. Расчетные АЧХ приемника в открытом (верхняя линия) и закрытом (нижняя линия) состоянии

Экспериментальные исследования. Расчетные характеристики математической модели разрабатываемого устройства представлены на рис. 5, 6 и 7, а экспериментальные характеристики макета представлены на рис. 8, 9 и 10.

тЭ ,

Тгео=іТ

<1Щ5<1І))=-27 911

т1 * 1пе<1= <1 сЩ(5(1.2))—0 62С аВ(Э(4.5>)=-7 557 и>2 с іге<і=іг 118(8(1.2))= -0 503 СІВ(8(4.5))=-27 250

Е^о/2 06(5(1.2))= -34 823

ттг

/ /г

1яа

Рис. 5. Расчетные АЧХ передатчика в открытом (верхняя линия) и закрытом (нижняя линия) состоянии

Рис. 7. Расчетный КСВ передатчика

Рис. 8. Экспериментальные АЧХ и КСВ передатчика в открытом состоянии

Рис. 9. Экспериментальная АЧХ приемника в открытом состоянии

Рис. 10. Экспериментальная АЧХ передатчика в закрытом состоянии

Как видно из рисунков, расчётные характеристики математической модели СВЧ устройства фильтрации и коммутации достаточно хорошо совпадают с рабочими характеристиками макета разрабатываемого устройства, следовательно, математическая модель может использоваться для расчета

аналогичных устройств в различных частотных диапазонах.

Результаты исследований. Полученное в ходе проектирования СВЧ устройство фильтрации и коммутации имеет следующие характеристики:

Ослабление в полосе пропускания передатчика - 1 дБ;

Ослабление в полосе непропускания передатчика на частотах ниже ґ0/2 - 27 дБ;

Ослабление в полосе непропускания передатчика на частотах выше 2ґ0 - 51 дБ;

КСВ передатчика - 1,34;

Ослабление в полосе пропускания приемника - 1,58 дБ;

Ослабление в полосе непропускания приемника на частотах ниже 10/2 - 21 дБ;

Ослабление в полосе непропускания приемника на частотах выше 210) -45 дБ;

Развязка приемника от передатчика - 44 дБ.

Выводы: в результате проектирования была разработана методика расчета и получена математическая модель устройства фильтрации и коммутации, дающая хорошее совпадение расчётных и экспериментальных характеристик. Использование устройства фильтрации и коммутации в приемопередающей системе вместо отдельных блоков

фильтрации и коммутации позволяет снизить общие электрические потери СВЧ сигнала в трактах приема-передачи, а также снизить массогабаритные параметры всей приемо-передающей системы.

Литература

1. Вайсблат А. В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах - «Радио и связь», 1997, с. 116.

2. Маттей Г. Л. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи / Г. Л. Маттей, Л. Янг, Е.М.Т. Джонс // Москва: Издательство «Связь», 1986 - С.439.

3. Weiland T. A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields // Electronics and Communication, 1977. V. 31. PP. 116-120.

4. Н. Н. Горюнов Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы, Справочник, издание второе, переработанное - Москва Энергоатомиздат, 1985, с.743.

5. Гилл Ф. Практическая оптимизация. Перевод с английского/ Ф. Гилл, У. Мюррей, М. Райт //Москва: Издательство «Мир», 1985- с. 402.

ОАО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж

VHF DEVICE OF FILTRATION AND SWITCHING DESIGNING D.V. Osminin

In this work considered the methodology of design the device of filtration and switching, that provides low less of VHF signal and reduction of overall dimension and weight due to integration in one device properties of electrical filters and VHF switcheres

Key words: design, optimization, filter, switcher