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

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