Полосковые диплексеры для навигационных систем ГЛОНАСС/GPS и исследование коэффициентов связи согласующих цепей с входными резонаторами фильтров каналов
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………… 5
ГЛАВА 1. ПОЛОСКОВЫЕ И МИКРОПОЛОСКОВЫЕ ДИПЛЕКСЕРЫ. ОБЗОР
ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………………………………………………. 14
1.1 Способы построения диплексеров …………………………………………………….. 14
1.2 Способы согласования каналов диплексера по общему входу ……………. 21
1.2.1 Согласующая цепь в виде T-, Y-разветвления ……………………………. 22
1.2.2 Согласующая цепь на основе общего двухмодового резонатора … 26
1.2.3 Согласующая цепь в виде нерезонансных отрезков полосковых и
микрополосковых линий …………………………………………………………………… 31
1.2.4 Прочие способы согласования каналов ……………………………………… 34
1.3 Выводы по главе 1…………………………………………………………………………….. 37
ГЛАВА 2. СОГЛАСОВАНИЕ КАНАЛОВ МИКРОПОЛОСКОВОГО
ДИПЛЕКСЕРА С ПОМОЩЬЮ НЕРЕЗОНАНСНОГО ОТРЕЗКА МПЛ ………… 40
2.1 Структура диплексера с двухзвенными каналами на основе полуволновых
резонаторов ……………………………………………………………………………………………. 40
2.2 Исследование коэффициентов связи согласующей цепи с входными
резонаторами каналов …………………………………………………………………………….. 45
2.2.1 Вычисление характеристик микрополосковых субструктур в
квазистатическом приближении………………………………………………………… 46
2.2.2 Определение частотно-зависимых коэффициентов связи …………… 50
2.2.3 Исследование частотно-зависимых коэффициентов связи …………. 53
2.2.4 Способ исследования коэффициентов связи согласующей цепи с
входными резонаторами каналов по относительной ширине полосы
пропускания ……………………………………………………………………………………… 56
2.3 Максимально достижимая относительная ширина полосы пропускания
каналов диплексера ………………………………………………………………………………… 59
2.4 Разработка микрополоскового диплексера на полуволновых резонаторах
для СРНС ГЛОНАСС/GPS ……………………………………………………………………… 61
2.5 Выводы по главе 2…………………………………………………………………………….. 63
ГЛАВА 3. СОГЛАСОВАНИЕ КАНАЛОВ МИКРОПОЛОСКОВОГО
ДИПЛЕКСЕРА С ПОМОЩЬЮ НЕРЕГУЛЯРНОГО П-ОБРАЗНОГО
КОРОТКОЗАМКНУТОГО ПОЛОСКОВОГО ПРОВОДНИКА …………………….. 65
3.1 Структура диплексера с двухзвенными каналами на основе
четвертьволновых резонаторов ………………………………………………………………. 65
3.2 Исследование коэффициентов связи П-образной согласующей цепи с
входными резонаторами каналов ……………………………………………………………. 70
3.2.1 Вычисление характеристик микрополосковых субструктур в
квазистатическом приближении………………………………………………………… 71
3.2.2 Определение частотно-зависимых коэффициентов связи …………… 74
3.2.3 Исследование частотно-зависимых коэффициентов связи …………. 76
3.3 Максимально достижимая относительная ширина полосы пропускания
каналов диплексера ………………………………………………………………………………… 79
3.4 Экспериментальная модель диплексера на четвертьволновых резонаторах
с трехзвенными каналами ………………………………………………………………………. 81
3.5 Разработка микрополоскового диплексера на четвертьволновых
резонаторах для СРНС ГЛОНАСС/GPS ………………………………………………….. 83
3.6 Выводы по главе 3…………………………………………………………………………….. 85
ГЛАВА 4. СОГЛАСОВАНИЕ КАНАЛОВ В ПОЛОСКОВОМ ДИПЛЕКСЕРЕ
НА ПОДВЕШЕННОЙ ПОДЛОЖКЕ И ДВУХПРОВОДНИКОВЫХ
РЕЗОНАТОРАХ ………………………………………………………………………………………….. 87
4.1 Структура диплексера с двухзвенными каналами на основе
двухпроводниковых резонаторов ……………………………………………………………. 87
4.2 Исследование коэффициентов связи согласующей цепи с входными
резонаторами каналов …………………………………………………………………………….. 92
4.3 Максимально достижимая относительная ширина полосы пропускания
каналов диплексера ………………………………………………………………………………… 93
4.4 Экспериментальная модель полоскового диплексера на подвешенной
подложке и двухпроводниковых резонаторах с трехзвенными каналами …. 94
4.5 Разработка полоскового диплексера на подвешенной подложке и
двухпроводниковых резонаторах для СРНС ГЛОНАСС/GPS ………………….. 98
4.6 Выводы по главе 4…………………………………………………………………………… 100
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………. 103
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ …………………….. 105
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………………………………… 107
Приложение А – Микрополосковый диплексер на полуволновых
резонаторах для систем ГЛОНАСС/GPS ……………………………………………….. 123
Приложение Б – Микрополосковые диплексеры на четвертьволновых
резонаторах для систем ГЛОНАСС/GPS ……………………………………………….. 125
Приложение В – Полосковый диплексер на подвешенной подложке для
систем ГЛОНАСС/GPS…………………………………………………………………………. 128
Приложение Г – Полосковый диплексер на подвешенной подложке для
работы на стыке VHF/UHF диапазонов …………………………………………………. 130
Приложение Д – Патент на изобретение ……………………………………………….. 134
Приложение Е – Акт о внедрении …………………………………………………………. 135
Актуальность темы диссертационного исследования и степень ее
разработанности. Частотно-селективные устройства (ЧСУ) сверхвысоких частот
(СВЧ) являются важнейшими элементами современных радиотехнических систем.
Они широко используются в системах связи, в том числе спутниковой, в
радиолокационных станциях, а также в различной измерительной и специальной
аппаратуре. Среди большого разнообразия ЧСУ наиболее востребованными
являются полосно-пропускающие фильтры (ППФ), фильтры нижних частот (ФНЧ),
фильтры верхних частот (ФВЧ), фильтры с двумя полосами пропускания и другие.
Современные радиосистемы, например, спутниковые радионавигационные
системы (СРНС) ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система) и
GPS (Global Positioning System), часто являются многодиапазонными, поэтому
кроме вышеперечисленных устройств также востребованы и многоканальные
частотно-разделительные устройства – мультиплексеры, служащие для разделения
спектра сигнала по каналам с соответствующими им частотами. В частности, к
таким устройствам относятся диплексеры, т. е. двухканальные мультиплексеры,
разделяющие спектр сигнала на два независимых канала.
С развитием радиотехники и радиоэлектроники к частотно-селективным
устройствам предъявляются все более жесткие требования, а именно: к их
миниатюрности, избирательности, надежности, технологичности в производстве и,
конечно, стоимости. Наиболее высоким уровнем всех перечисленных качеств в
совокупности обладают диплексеры, построенные на полосковых и
микрополосковых резонаторах (МПР) [1, 2], получившие, в связи с этим, широкое
распространение в СВЧ-технике [3].
Чаще всего диплексеры конструируют как два полосно-пропускающих
фильтра, имеющих один общий вход (порт) [26–105]. Из-за взаимодействия между
двумя фильтрами каналов, составляющих диплексер, их характеристики
искажаются, т. е. получаются отличными от характеристик двух отдельных
фильтров. Для того чтобы свести эти искажения к минимуму, каждый канал
диплексера необходимо правильно согласовать с общим входным портом с
помощью соответствующей конфигурации согласующей цепи (СЦ). К настоящему
времени известно несколько основных подходов к согласованию общего порта с
фильтрами каналов в полосковых и микрополосковых диплексерах. Однако эти
подходы не позволяют создавать диплексеры, которые полностью удовлетворяют
требованиям современных радиосистем. Часто цепи согласования занимают до
половины площади всего устройства [4, 5], что неприемлемо при разработке
миниатюрных диплексеров. Некоторые способы согласования слишком сложны в
настройке, что делает невозможной разработку диплексеров для серийного
производства.
Вместе с тем нерешенной остается важная задача создания миниатюрных
диплексеров, характеризующихся высокими электрическими характеристиками.
Наиболее эффективным подходом к миниатюризации полосковых устройств
является использование подложек с высокой относительной диэлектрической
проницаемостью (εr>11). Чаще всего в литературе описываются диплексеры,
которые выполнены на подложках с диэлектрической проницаемостью,
находящейся в пределах εr=2…11. В связи с этим они имеют размеры, которые не
удовлетворяют современным требованиям по миниатюрности. Поэтому
актуальной задачей является разработка простых способов согласования каналов,
позволяющих проектировать миниатюрные диплексеры на подложках с высокой εr,
которые удовлетворяют требованиям современных радиосистем.
1. Показана возможность применения нерезонансного отрезка
микрополосковой линии для согласования общего порта с фильтрами каналов
микрополоскового диплексера для реализации миниатюрных устройств на
подложке с высокой εr [118].
На основе одномерных моделей субструктур каналов диплексера
разработаны программы расчета частотно-зависимых коэффициентов связи
согласующей цепи с входными резонаторами каналов. С их помощью исследовано
влияние параметров согласующей цепи на поведение коэффициентов связи.
Показано, что использование модифицированного энергетического подхода для
расчета коэффициентов связи двух проводников различных конфигураций,
резонансные частоты которых не совпадают, оправдано.
Также показано, что использование в качестве согласующей цепи
нерезонансного отрезка микрополосковой линии позволяет разрабатывать
микрополосковые диплексеры на полуволновых резонаторах, с использованием
подложек с высокой εr и широкими (до 15%) относительными полосами
пропускания каналов.
2. Разработана новая конфигурация согласующей цепи в виде нерегулярного
П-образного короткозамкнутого полоскового проводника для согласования общего
порта с каналами микрополоскового диплексера на основе четвертьволновых
резонаторов. Использование подложки с высокой εr, компактной согласующей
цепи и четвертьволновых резонаторов в фильтрах каналов позволило уменьшить
размеры диплексера более чем в два раза (по сравнению с ранее используемой
конструкцией). Такая конфигурация согласующей цепи позволяет минимизировать
взаимное влияние каналов, что облегчает разработку диплексеров такой
конструкции.
На основе одномерных моделей субструктур каналов диплексера
разработаны программы расчета частотно-зависимых коэффициентов связи
согласующей цепи с входными резонаторами каналов. С их помощью исследовано
влияние параметров согласующей цепи на поведение коэффициентов связи.
Показано, что использование в качестве согласующей цепи нерегулярного
П-образного короткозамкнутого полоскового проводника позволяет разрабатывать
миниатюрные микрополосковые диплексеры на четвертьволновых резонаторах, с
использованием подложек с высокой εr и широкими (до 17%) относительными
полосами пропускания каналов.
3. Предложена конфигурация согласующей цепи в виде короткозамкнутого
отрезка полосковой линии для согласования каналов с общим портом в полосковом
диплексере на подвешенной подложке на основе двухпроводниковых резонаторов.
Согласующая цепь электромагнитно связана с входными резонаторами каналов
диплексера. Использование подложки с высокой εr и компактные размеры
согласующего проводника позволили разработать миниатюрный диплексер.
Исследовано влияние ширины проводника согласующей цепи на величину
взаимодействия с фильтрами каналов. Показано, что использование такой
согласующей цепи для согласования общего порта с каналами позволяет
разрабатывать полосковые диплексеры на подвешенной подложке и
двухпроводниковых резонаторах с широкими (до 21%) относительными полосами
пропускания каналов.
4. Разработанные и исследованные способы согласования каналов в
полосковых и микрополосковых диплексерах позволили реализовать ряд устройств
для применения в радиотехнических системах, которые внедрены в серийное
производство на предприятии АО «НПП «Радиосвязь», что подтверждается актом
о внедрении (приложение Е).
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
GPS – система глобального позиционирования
(global positioning system)
LTCC – низкотемпературная совместно обжигаемая керамика
(low temperature co–fired ceramic)
UHF – ультравысокие частоты
(ultra high frequency)
VHF – очень высокие частоты
(very high frequency)
АЧХ – амплитудно–частотная характеристика
ВЧ – высокочастотный
ГЛОНАСС – глобальная навигационная спутниковая система
КСВ – коэффициент стоячей волны
МПЛ – микрополосковая линия
МПР – микрополосковый резонатор
НЧ – низкочастотный
ПДПП – полосковый диплексер на подвешенной подложке
ПЛ – полосковая линия
ППФ – полосно–пропускающий фильтр
СВЧ – сверхвысокочастотный
СРНС – спутниковая радионавигационная система
СЦ – согласующая цепь
ТБНС – керамическая подложка BaSm2Ti4O12–BaNd2Yi4O12
ТЗ – техническое задание
ФВЧ – фильтр верхних частот
ФНЧ – фильтр нижних частот
ЧСУ – частотно–селективные устройства
ε – диэлектрическая проницаемость, [б/р]
Δf/f0 – относительная ширина полосы пропускания фильтра, [%]
kL, kL(f) – коэффициент индуктивной связи резонаторов, [б/р]
kC, kC(f) – коэффициент емкостной связи резонаторов, [б/р]
k, k(f) – коэффициент полной связи резонаторов, [б/р]
S11 – коэффициент отражения от порта 1 в логарифмическом
масштабе
S21 – коэффициент прохождения от порта 1 в порт 2 в
логарифмическом масштабе
S31 – коэффициент прохождения от порта 1 в порт 3 в
логарифмическом масштабе
S23 – коэффициент прохождения от порта 3 в порт 2 в
логарифмическом масштабе
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (44 отзыва)
4.2 (6 отзывов)
5 (174 отзыва)
5 (49 отзывов)
4.9 (343 отзыва)
5 (14 отзывов)
4.9 (20 отзывов)
4.7 (46 отзывов)
4.9 (826 отзывов)
