ТРАНСВЕРСАЛЬНЫЙ АНАЛОГОВЫЙ ФИЛЬТР ДИАПАЗОНА СВЧ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в устройствах радиолокации и передачи данных. Фильтрация представляет собой одну из самых распространенных операций обработки сигналов. Цель фильтрации состоит в подавлении помех, находящихся в соседних частотных диапазонах по отношению к заданному.
Трансверсальный аналоговый фильтр (ТАФ) диапазона СВЧ предназначен для выделения сигналов заданного частотного диапазона и подавления мешающих сигналов (помех), не входящих в заданный частотный диапазон.
Известны полосно-пропускающие (полосовые) фильтры диапазона СВЧ, выполненные на резонаторах той или иной конструкции или на отрезках линий передачи, в которых используется реактивные составляющие сопротивлений указанных отрезков.
Недостатками таких фильтров являются:
- сложность и приблизительность расчета;
- требование к зазорам, между связанными линиями;
- требование к стабильности параметров материала для фильтров на связанных резонаторах;
- низкая технологичность изготовление фильтров на связанных резонаторах;
- необходимость настроечных операций после изготовления фильтра.
Кроме того, известны трансверсальные фильтры, выполняемые в диапазоне частот от 10 МГц до 1 ГГц в виде устройств на поверхностных акустических волнах, а также цифровые фильтры. Из существующего уровня техники известен цифровой трансверсальный фильтр [патент RU 2119242, МПК Н03Н 15/00].
Недостатками данного технического решения является зависимость ширины спектра обрабатываемого сигнала от частоты дискретизации и невозможность прямой оцифровки СВЧ сигнала. Таким образом, в СВЧ диапазоне применение цифровых фильтров возможно только с переносом частоты вниз по спектру, что серьезно усложняет систему обработки сигнала, а также требует учета весовых коэффициентов и, как следствие, множественных операций умножения.
Прототипом является устройство свертки сигнала [RU патент №2290751, МПК Н03Н 17/06], содержащее элементарные фазовые контуры, пропорциональные звенья и сумматоры. Устройство реализует параллельно-последовательную схему построения трансверсального фильтра, в которой входной сигнал делится на необходимое количество каналов, исходя из требуемого порядка фильтра, сигнал каждого канала умножается на собственный весовой коэффициент, а выходной сумматор реализован на цепочке элементарных сумматоров, причем между сумматорами включены элементарные фазовые контуры. В прототипе дополнительно используется выход копии задержанного во времени входного сигнала.
Представленная в прототипе схема вычисления свертки сигнала также подходит для фильтрации входного сигнала по частоте, если весовые коэффициенты прототипа будут соответствовать выборкам импульсной характеристики реализуемого фильтра. При этом подразумевается, что все элементарные фазовые контуры обеспечивают одинаковую задержку, выбираемую по частоте дискретизации аналогичного цифрового фильтра, а выборки импульсной характеристики задаются при помощи весовых коэффициентов, в общем случае комплексных, что в прототипе не указано.
Представленная в прототипе схема устройства подразумевает получение копии исходного сигнала на каждом ответвлении с компенсацией потери мощности сигнала и без учета согласования сопротивлений.
Переход к диапазону СВЧ требует обязательного согласования сопротивления цепей по мощности, а ответвление сигнала возможно только при помощи определенных устройств, таких как тройники, делители и ответвители мощности СВЧ диапазона, и связано с делением мощности входного сигнала. Элементарные фазовые контуры должны обладать требуемой широкополосностью и фазовой стабильностью. При этом элементарные фазовые контуры должны обладать либо малыми собственными потерями, либо потери должны учитываться в пропорциональных звеньях. Таким образом, перенос структуры прототипа непосредственно в область СВЧ требует разработки новой структуры ТАФ, с учетом особенностей проектирования устройств и линий передачи СВЧ.
Технический результат, который требуется достигнуть - создание фильтра диапазона СВЧ с прогнозируемым видом получаемой АЧХ и исключением настроечных операций.
Задачей, которая ставилась при разработке данной полезной модели, является обеспечение фильтрации сигнала диапазона СВЧ за счет операции вычисления суммы задержанных на половину периода друг относительно друга взвешенных копий входного сигнала, что эквивалентно реализации трансверсального фильтра, например, цифрового.
Данный технический результат достигается за счет того, что трансверсальный аналоговый фильтр диапазона СВЧ, содержащий пропорциональные звенья, элементарные фазовые контуры и сумматоры, причем входной сигнал подается на симметрирующий трансформатор, например мост Маршанда, делители мощности, входящие в пропорциональные звенья, подключены к плечам данного моста в зависимости от знака весового коэффициента и разделяют входной сигнал на равное порядку фильтра количество равнозначных синфазных каналов, элементарные фазовые контуры содержат в составе каждого своего канала подключенные к выходам пропорциональных звеньев весовые коэффициенты, например п-образные аттенюаторы, и линии передачи, которые обеспечивают за счет разницы их длин в каждом канале смещение на половину периода уже взвешенных при помощи весовых коэффициентов копий входного сигнала и образуют подключенную к выходам весовых коэффициентов последовательно-параллельную схему, сумматоры, объединяющие выходы элементарных фазовых контуров, соединены в виде последовательной схемы подключения для каждой группы, а входы выходного сумматора, соединены с выходами крайних сумматоров каждой группы.
На фигуре 1 изображена структура ТАФ диапазона СВЧ.
На фигуре 2 изображена топология ТАФ шестнадцатого порядка, выполненная на микрополосковых линиях.
На фигуре 3а) изображен график смоделированной АЧХ фильтра шестнадцатого порядка.
На фигуре 3б) изображен график АЧХ экспериментально полученного ТАФ шестнадцатого порядка.
Трансверсальный аналоговый фильтр СВЧ диапазона содержит: симметрирующий трансформатор - 1; пропорциональные звенья - 2, состоящие из делителей мощности - 3; элементарные фазовые контуры - 4, включающие в себя весовые коэффициенты - 5 и линии передачи - 6; сумматоры - 7; выходной сумматор - 8.
0
0
Фильтр работает следующим образом. На вход симметрирующего трансформатора - 1, поступает входной сигнал, состоящий из суммы имеющего максимум энергии по спектру в требуемой полосе пропускания полезного сигнала и мешающих сигналов, имеющих основные спектральные компоненты вне полосы пропускания фильтра. Симметрирующий трансформатор - 1, как вариант, выполненный в виде моста Маршанда, обеспечивает противофазное деление сигнала на две группы в зависимости от знака весового коэффициента. При помощи делителей мощности - 3, например мостов Вилкинсона, происходит разделение сигнала на равное порядку фильтра количество равнозначных синфазных каналов. Один из возможных вариантов весовых коэффициентов - 5 для аналогового исполнения - п-образные аттенюаторы, реализующие набор положительных и отрицательных значений с учетом потерь в линиях передачи - 6 для первого и второго плеча фильтра ТАФ соответственно. Линии передачи - 6, как вариант, исполненные в виде микрополосковых линий, должны соответствовать длине волны 2·f·n, где f - центральная частота требуемой АЧХ, n - порядковый номер канала, и, таким образом, позволят задержать на половину периода взвешенные копии входного сигнала друг относительно друга. Умножение сигналов происходит в последовательной цепочке сумматоров - 7, выполненных, например, в виде моста Вилкинсона, для каждого плеча. Таким образом, отфильтрованный сигнал на выходе выходного сумматора - 8, к примеру также выполненного в виде моста Вилкинсона, образуется за счет умножения сумм взвешенных копий входного сигнала каждого плеча, где каждая копия имеет свое время задержки и свою амплитуду того или иного знака.
Знак, величина амплитуды и требуемое время задержки взвешенных копий входного сигнала выбираются согласно отсчетам импульсной характеристики фильтра, как и требуется для трансверсальных фильтров.
Для аналогового фильтра выходной сигнал во временной области будет определяться формулой:
где h(t) - импульсная характеристика фильтра, S(t) - входной сигнал.
Для трансверсального фильтра интеграл заменяется суммой, и выражение для выходного сигнала будет иметь следующий вид:
a
i
i
где  - отсчеты импульсной характеристики, S(t) - входной сигнал, зависящий от времени t, τ - время задержки, вносимое i-ой линией передачи, N - количество линий передачи.
Определяющая выходной сигнал для ТАФ формула совпадает с формулой для расчета выходного сигнала цифровых фильтров, таким образом, становится возможным обеспечение фильтрации сигнала диапазона СВЧ за счет вычисления суммы задержанных на половину периода друг относительно друга взвешенных копий входного сигнала. Задача, которая ставилась при разработке данной полезной модели - решена.
Это позволяет проектировать содержащие исключительно пассивные компоненты и, таким образом, исключающие настроечные операции трансверсальные аналоговые фильтры диапазона СВЧ по заранее заданному виду АЧХ, используя любой подходящий метод, дающий вещественные отсчеты импульсной характеристики. Особенности работы трансверсального аналогового фильтра и его характеристики, включая влияние технологических погрешностей, легко уточняются на этапе моделирования при помощи специализированных программ. Технический результат достигнут.
Кроме того, применение ТАФ позволит сократить время проектирования и уменьшит стоимость радиосистем, в которых применяются подобные фильтры, а также повысит надежность работы за счет применения топологической структуры, уменьшения количества паек и исключения механических подстроечных элементов.