Моделирование и экспериментальное исследование узкополосного фильтра на встречных стержнях

Моделирование и экспериментальное исследование узкополосного

фильтра на встречных стержнях

1 2 А.В. Андрианов , А.Н. Зикий

1 Таганрогский научно-исследовательский институт связи, Таганрог 2 Южный Федеральный Университет, Таганрог

Аннотация: Проведено моделирование и экспериментальное исследование узкополосного фильтра на встречных стержнях. Центральная частота 1010 МГц. Фильтр в дальней зоне имеет заграждение более 100 дБ. Ширина полосы пропускания на уровне минус 3 дБ от максимума составляет 13 МГц, а потери в полосе пропускания составляют 8 дБ.

Ключевые слова: Фильтр на встречных стержнях, моделирование, эксперимент, амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания.

При создании приёмника дециметрового диапазона понадобился узкополосный фильтр с большим затуханием в полосе заграждения. Среди серийных фильтров на поверхностных акустических волнах такой найти не удалось, поэтому было принято решение о самостоятельной разработке.

К фильтру предъявляются следующие требования:

- волновое сопротивление входа и выхода 50 Ом;

- центральная частота 1010 МГц;

- ширина полосы пропускания 10 МГц;

- потери в полосе пропускания не более 5 дБ;

- потери в полосе заграждения при отстройке ± 100 МГц не менее 75 дБ;

- заграждение на второй гармонике не менее 60 дБ.

Такие требования можно реализовать в фильтре на встречных стержнях [1]. Фильтр на полуволновых резонаторах [2] не обеспечивает подавление второй гармоники и не может быть применён.

Выбираем фильтр на встречных стержнях с четырьмя резонаторами и расстоянием между крышками b=10 мм. Расчёт проведён по методике,

:

изложенной в [1]. Результат расчёта приведён в таблице 1. Эти результаты были использованы при моделировании как первое приближение. Моделирование фильтра проводилось в пакете прикладных программ AWR Design Environment [3].

Модель фильтра показана на рисунке 1. Амплитудно-частотная характеристика фильтра (АЧХ) приведена на рисунке 2.

Рис. 1. - Модель узкополосного фильтра 1010 МГц в AWR Design

Environment

Graph 1

^DB

о

Schematic 1

-ю

-20

-50

-30

-40

0.8

0.9

1.1

1.2

Frequency

Рис. 2. - АЧХ узкополосного фильтра 1010 МГц в AWR DE

Модель узкополосного фильтра 1010 МГц в AWR Design Environment имеет следующие особенности:

- в модели применены прямоугольные резонаторы, а в расчёте и эксперименте-круглые;

- длину связанных 4-х полосковых линий возможно изменять только синхронно, поэтому введены 4 отрезка не связанных полосковых линий, длину которых возможно менять асинхронно.

По результатам моделирования и расчёта был изготовлен макет фильтра, представленный на рисунке 3. Фильтр изготовлен из латуни, корпус выполнен методом фрезерования. Цилиндрические стержни выточены на токарном станке и запаяны в корпус. Корпус, резонаторы и крышки покрыты сплавом олово-висмут. Настройка фильтра проводится с помощью четырех винтов М4 длиной 20мм. После настройки винты фиксируются

контргайками. В качестве соединителей использованы вилка и розетка тип III по ГОСТ 13317-89 [4].

Эксперимент проводился на установке, содержащей анализатор цепей «0бзор-103» [5], персональный компьютер, комплект кабелей и переходов. Результаты эксперимента представлены на рисунках 4-6. Из рисунка 4 следует, что фильтр в дальней зоне имеет заграждение более 100 дБ. Узкая полоса достигнута благодаря высокой добротности резонаторов и слабой связи между ними. На рисунке 5 видно, что требование заграждения при отстройке на 100 МГц выполняется. Из рисунка 6 следует, что ширина полосы пропускания на уровне минус 3 дБ от максимума составляет 13 МГц, а потери в полосе пропускания составляют 8 дБ.

Т а б л и ц а 1. Геометрические размеры фильтра

Параметр фильтра Расчёт Моделирование Эксперимент Наименование параметра

= W2 = W3 = W4 Ф 5,7 Т=4, ширина 6,2 Ф 5,7 Сечение резонаторов

81=Б3 12,5 12,5 12,5 Размер зазоров между резонаторами

Б2 9,5 9,5 9,5 Размер зазора между двумя центральными резонаторами

а 10 10 10 Расстояние между крышками

Ь1 = Ь2 = Ь3 = Ь4 74,25 74,25 68,8 + винт + зазор Длина резонаторов

— — 74 Расстояние между стенками

4,5 4,5 4,5 Место подключения входа и выхода от заземлённого конца резонатора.

Рис. 3. - Макет фильтра на четырёх встречных стержнях круглого сечения

(/0=1010 МГц), верхняя крышка снята

0,0

-20,0

-40,0

-60,0

1Д4.. А . .А к -100,0

200,0 400,0 600,0 800,0 1000,0 1200,0

Рис. 4. - АЧХ фильтра в полосе от 0,3 до 1300 МГц

0,0

-20,0

-40,0

-60,0

-80,0

* -100,0

920,0 940,0 960,0 980,0 1000,0 1020,0 1040,0 1060,0 1080,0

Рис. 5. - АЧХ фильтра в полосе от 900 до 1100 МГц

Рис. 6. - АЧХ фильтра в полосе от 1000 до 1020 МГц

Основные электрические параметры фильтра на встречных стержнях дециметрового диапазона приведены в таблице 2.

Т а б л и ц а 2. Результаты моделирования и эксперимента.

Наименование параметра, размерность Задано Моделирование Эксперимент

Центральная частота, МГц 1010 1010 1010

Ширина полосы пропускания по уровню минус 3 дБ от max, МГц 10 18 13

Потери в полосе пропускания, дБ 5 13 8

Потери при отстройке + 100 МГц от центральной частоты, дБ > 75 >75 > 75

Волновое сопротивление входа и выхода, Ом 50 50 50

Из этой таблицы 2 видно, что потери в полосе пропускания превышают заданные.

При выполнении данной работы был полезен предыдущий опыт авторов [6-8], а также опыт других исследователей [9,10].

Литература

1. Леонченко В.П., Фельдштейн А.Л., Шепелянский Л.А. Расчёт полосковых фильтров на встречных стержнях. Справочник. -М.; Связь,1975-312с.

2. Андрианов А.В., ЗикийА.Н., Зламан П.Н. Моделирование и экспериментальное исследование микрополоскового фильтра на полуволновых резонаторах. ЭТИКС, 2016, №3, с.32-35

3. Разевиг В. Д., Потапов Ю.В., Курушин А. А. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office-М.: Солон-Пресс,2003-496 с.

4. Джуринский К.Б. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ-М.: Техносфера, 2006-216 с.

5. «Обзор-103», Измеритель комплексных коэффициентов передачи, Руководство по эксплуатации Р7 6687-028-21477812-2004-95с.

6. Андрианов А.В., Зикий А.Н., Быков С.А., Пустовалов А.И. Моделирование и экспериментальное исследование трактового фильтра сантиметрового диапазона. Инженерный вестник Дона, 2017, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y17/4042

7. Андрианов А.В., Зикий А.Н., Пустовалов А.И. Моделирование и экспериментальное исследование трактового фильтра на встречных стержнях. Инженерный вестник Дона, 2016, №4. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/№4y2016/3778

8. Зикий А.Н., Сивокоз Е.В., Хлебников А.С. Экспериментальное исследование фильтра дециметрового диапазона. Международная научно-практическая конференция «Научные перспективы ХХ1века. Достижения и перспективы нового столетия». Новосибирск, 10-11.07.2015, с.146-148.

9. Robert Dixon. Radio Receiver Design. CRC Press, 1998. - 488р.

10. ^mell Drentea. Modern Communications Receivers Design and Technology. Artech House, 2010 -484 р.

References

1. Leonchenko V.P., Feldshtein A.L., Shepelyansky L.A. Raschet poloskovih filtrov na vstrechnih sterzhnyah. Spravochnik. [Calculation of the stripline filters on quarter-wave resonators. Handbook]. M.: Svyaz, 1975. 312 p.

2. Andrianov A.V., Zikiy A.N. ETIKS, 2016, №3.

3. Razevig V.D., Potapov Y.V., Kurushin A. A. Proektirovanie SVCH ustrojstv s pomoschyu Microwave Office [Designing of microwave devices using Microwave Office]. M.: Solon-Press, 2003. 496 p.

4. Dzhurinskiy K.B. Miniatyurnye koaksialnye radiokomponenty dlya mikroelektroniki SVC [Miniature coaxial microwave radio components for microelectronics]. M.: Tekhnosfera, 2006. 216p.

5. «0bzor-103» Izmeritel kompleksnyh koefficientov peredaci, Rukovodstvo po ekspluatacii [Measuring complex transmission coefficients, operation Manual].

6. Andrianov A.V., Zikiy A.N., Bykov S.A., Pustovalov A.I. Inzhenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №1. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y17/4042

7. Andrianov A.V., Zikiy A.N., Pustovalov A.I. Inzhenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №4.URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/№4y2016/3778

8. Zikiy A.N., Sivokoz E.V., Hlebnikov A.S. Naucnye perspektivy XXI veka. Dostigeniya I perspektivy novogo stoletiya, 2015.

9. Robert Dixon. Radio Receiver Design. CRC Press, 1998. 488р.

10. Cornell Drentea. Modern Communications Receivers Design and Technology. Artech House, 2010 -484 р.