Исследование характеристик полосно

Н. О. Гурьянов
Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю. А.
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОПОЛОСКОВОГО
ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩЕГО ФИЛЬТРА
Научный руководитель: Ю. П. Слаповская, к.т.н., доцент каф. ЭПУ
The article presents the simulation results and study the characteristics of microstrip band pass
filter for multi-mode resonator in the form of a rectangular frame in the Sonnet. Also considered is
the impact of the topology change, indicators of the dielectric constant and tangent of dielectric
loss angle of the substrate of the filter at his frequency response.
Современные микрополосковые фильтры СВЧ применяются в системах
радионавигации, в телеметрии, радиорелейных и космических системах связи, в
телевидении, радиоуправлении, в системах радиопротиводействия, в различных
системах телекоммуникации. Хорошо известны микрополосковые фильтры на
встречно-штыревых резонаторах и микрополосковые фильтры на связанных
полуволновых резонаторах [1, 2]. Они имеют малые потери в полосе
пропускания, просты в расчёте и имеют низкую стоимость при массовом
производстве. Также ведутся работы по разработке широкополосных
микрополосковых фильтров СВЧ на многослойных подложках.
Микрополосковый полосно-пропускающий фильтр на многомодовом
резонаторе в форме прямоугольной рамки, рассмотренный в [3], реализован на
подложке из материала ФЛАН-2,8 с диэлектрической проницаемостью ε=2,8 и
толщиной 2 мм. Конструкция фильтра показана на рисунке 1.
Рисунок 1 – Конструкция микрополоскового полосно-пропускающего фильтра
на многомодовом резонаторе в виде прямоугольной рамки.
На одну сторону подложки нанесены соединенные в замкнутую
прямоугольную рамку два полосковых проводника 3, имеющие размеры
15,8х4,6 мм и 14,4х0,4 мм, и два полосковых проводника 4, состоящие из двух
состыкованных отрезков, имеющие ступенчатое изменение ширины. Размеры
первого из состыкованных отрезков – 7,4х1,5 мм, второго – 33,3х0,8 мм. На
этой же стороне подложки параллельно длинным сторонам прямоугольной
рамки находятся полосковые проводники 5, имеющие размеры 27,5х0,2 мм, и
отстоящие от рамки на расстоянии по оси х: 0,5 мм, а по оси y: 0,2 мм.
Рассматриваемый фильтр имеет ширину полосы пропускания Δf/f0 ≈ 36%,
измеренную по уровню -3 дБ. В статье указано, что уровень минимальных
потерь составляет Lmin ≈ 0,3 дБ на центральной частоте полосы пропускания f0 ≈
1,88 ГГц. Фильтр обладает высокими частотно-селективными свойствами,
обусловленными малыми потерями мощности в полосе пропускания, высокой
крутизной склонов полосы пропускания, протяженной высокочастотной
полосой заграждения и малыми габаритами.
Моделирование
и
исследование
характеристик
описанного
выше
микрополоскового полосно-пропускающего фильтра на многомодовом
резонаторе в форме прямоугольной рамки было произведено в программе
Sonnet Lite. В результате моделирования была получена амплитудно-частотная
характеристика (рисунок 2), схожая с амплитудно-частотной характеристикой,
приведенной в [3].
Рисунок 2 – АЧХ микрополоскового полосно-пропускающего фильтра на
многомодовом резонаторе в виде прямоугольной рамки, построенная в Sonnet.
При моделировании микрополоскового полосно-пропускающего фильтра на
многомодовом резонаторе в виде прямоугольной рамки в Sonnet Lite были
получены следующие результаты:
 уровень минимальных потерь Lmin ≈ 0,37 дБ на центральной частоте
полосы пропускания f0 ≈ 1,94 ГГц;
 ширина полосы пропускания Δf/f0 ≈ 30%, измеренная по уровню -3 дБ.
Также было проведено исследование влияния изменения топологии
микрополоскового полосно-пропускающего фильтра на многомодовом
резонаторе в виде прямоугольной рамки на АЧХ данного фильтра. Были
получены следующие результаты:
1. При изменении ширины большего проводника 3 (рисунок 1) в диапазоне от
2,5 мм до 6 мм с шагом 0,7 мм можно сделать вывод, что с увеличением
ширины большего проводника 3, ширина полосы пропускания фильтра
увеличивается, происходит удаление мод низших и высших типов колебаний
друг от друга.. На рисунке 3 изображены АЧХ данного фильтра при различной
ширине большего проводника.
Рисунок 3 – АЧХ микрополоскового ППФ при различной ширине большего
проводника.
2. При синхронном изменении длины проводников 5 (рисунок 1) с неизменным
местоположением входного и выходного портов в диапазоне от 22,5 мм до 27,5
мм с шагом 1 мм можно сделать вывод, что с синхронным уменьшением длины
проводников 5, ширина полосы пропускания фильтра уменьшается, АЧХ
приобретает двугорбый вид, за счет перемещения мод высших типов колебаний
в высокочастотную область. Также увеличивается уровень минимальных
потерь на резонансных частотах фильтра.. На рисунке 4 изображены АЧХ
данного фильтра при различной длине проводников.
Рисунок 4 – АЧХ микрополоскового ППФ при различной длине проводников.
Также рассмотрено влияние изменения показателей диэлектрической
проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь подложки
микрополоскового полосно-пропускающего фильтра на многомодовом
резонаторе в виде прямоугольной рамки на АЧХ данного фильтра. Результаты
представлены на рисунке 5.
а
б
в
Рисунок 5 – Графики зависимостей: верхней и нижней граничной частоты ППФ
(а) и коэф. передачи ППФ (б) от показателя диэлектрической проницаемости
подложки; коэф. передачи ППФ от показателя тангенса угла диэлектрических
потерь подложки (в).
Таким образом, был проведен аналитический обзор по теме «Микрополосковые
полосно-пропускающие фильтры СВЧ», проведено моделирование и
исследованы характеристики микрополоскового полосно-пропускающего
фильтра на многомодовом резонаторе в виде прямоугольной рамки в
программе Sonnet. Также было рассмотрено влияние изменения топологии,
показателей диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических
потерь подложки данного фильтра на его АЧХ.
Список использованных источников
1. Новая конструкция миниатюрного фильтра на микрополосковых резонаторах со встречноштыревой структурой проводников / Б. А. Беляев [и др.] // Письма в ЖТФ. – 2015. – №10. –
С.89-96.
2. Двухполосные фильтры на шпильковом нерегулярном резонаторе / Б. А. Беляев [и др.] //
Решетневские чтения. – 2014. – №18. – С. 251-253.
3. Микрополосковый полосно-пропускающий фильтр на многомодовом резонаторе в форме
прямоугольной рамки / Б. А. Беляев [и др.] // Решетневские чтения. – 2013. – №17. – С. 209211.