ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІНФОРМАЦІЙНО - КОМУНІКАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Івко Сергій Олександрович

УДК 621.372

СМУГОВІ ФІЛЬТРИ З ПЕРЕСТРОЮВАННЯМ ЧАСТОТИ

НА КОМБІНОВАНИХ ХВИЛЕВОДНО-ДІЕЛЕКТРИЧНИХ ЛАНКАХ ДЛЯ ВІДОМЧОЇ ТЕХНІКИ БАГАТОКАНАЛЬНОГО РАДІОЗВ’ЯЗКУ

05.12.13 – радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій Міністерства транспорту та зв’язку України

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Почерняєв Віталій Миколайович,

ВАТ "Олімп", головний науковий співробітник

Офіційні опоненти: |

доктор технічних наук, професор

Семенко Анатолій Іларіонович,

Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій,

професор кафедри телекомунікаційних систем,

кандидат технічних наук

Наритник Теодор Миколайович,

Інститут електроніки та зв’язку Української академії наук, директор

Провідна установа: | Одеська національна академія зв’язку

ім. О.С. Попова, м. Одеса.

Захист відбудеться 13.03.2006р. о ___14-30___ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .861.01 Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій за адресою: 03110, м. Київ, вул. Солом’янська, 7.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій, за адресою: 03110, м. Київ, вул. Солом’янська, 7.

Автореферат розісланий 12.02.2006р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент Н.І. Кунах

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Удосконалення техніки багатоканального радіозв’язку надвисокочастотного (НВЧ) діапазону йде в напрямку підвищення мобільності, стійкості й завадозахищеності систем зв’язку. При цьому фактором, що стоїть на шляху модернізації наявних і створення нових зразків техніки зв’язку, є громіздкість НВЧ трактів, які займають від Ѕ до ? обсягу і маси апаратури мобільних станцій багатоканального радіозв’язку.

Основна складність при конструкторсько-технологічних розробках та створеннях НВЧ трактів багатоканальних засобів радіозв’язку полягає у виконанні тракту досить компактним, зручним при монтажі та в експлуатації, при виконанні жорстких вимог щодо відповідності масо-габаритним показникам, електричній міцності, широкосмуговості й екрануванню. Найбільшу складність викликає конструювання НВЧ трактів тропосферних станцій зв’язку, що пов’язано з необхідністю боротьби із завмираннями сигналів на тропосферних лініях зв’язку й реалізацією рознесеного прийому.

Реалізація ефективної системи прийому в перспективних цифрових тропосферних станціях, у тому числі контейнерного типу, потребує виконання вимог з обмеження масо-габаритних показників НВЧ тракту, пристрої якого повинні, крім цього, забезпечувати передачу широкосмугових сигналів, мати високу електричну міцність, що є суперечливими вимогами при конструюванні трактів НВЧ тропосферних станцій зв’язку.

Збільшення кількості радіовипромінюючих засобів на окремих вузлах зв’язку призводить до росту територіальної щільності радіозасобів і, як наслідок, викликає значне погіршення електромагнітної сумісності діючих засобів радіозв’язку. При створенні перспективних мобільних станцій зв’язку контейнерного типу, вузлових багатонаправлених станцій, комбінованих тропосферно-радіорелейних засобів, необхідно враховувати, що в одній транспортній одиниці буде знаходитись декілька радіовипромінюючих засобів суміжних діапазонів, що також ставить задачу забезпечення їхньої електромагнітної сумісності.

Розвиток єдиної системи зв’язку неможливий без розв’язання питання поліпшення електромагнітної сумісності радіоелектронних засобів різних відомчих систем зв’язку та мережі загального користування, які використовують існуючий ресурс частот.

Задачу досягнення необхідної чистоти спектра випромінювання радіозасобів НВЧ діапазону доцільно вирішувати за допомогою селекції спектру сигналу частотно-виборчими ланцюгами приймально-передавальних трактів. Вирішення цієї задачі можливе за допомогою смугових фільтрів, що перестроюються по частоті, які мають високу крутість схилів частотної характеристики внесеного затухання.

У відомчих багатоканальних системах радіозв’язку широкого розповсюдження набули хвилеводні фільтри на напівхвильових резонаторах, які мають найкращі показники по мінімуму втрат у смузі пропускання, але за масо-габаритними параметрами вже не відповідають вимогам, що висуваються до сучасних мобільних засобів зв’язку.

У зв’язку з цим викликають підвищений інтерес фільтри на комбінованих хвилеводно-діелектричних ланках, які можуть бути виготовлені на основі добре відпрацьованої технології та по добротності й електричній міцності можуть конкурувати з хвилеводними фільтрами на напівхвильових резонаторах, а по масо-габаритних показниках з фільтрами на діелектричних резонаторах (ДР). При цьому існує принципова можливість підвищення крутості схилів частотної характеристики внесеного затухання (ЧХВЗ) фільтрів та керування електричними параметрами таких фільтрів, зокрема, резонансною частотою та смугою пропускання. Тому розробка, теоретичні й експериментальні дослідження смугових фільтрів, що перестроюються по частоті, на таких ланках, є актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами і планами.

Вибраний напрям наукових досліджень безпосередньо пов'язаний з тематикою науково-дослідних робіт, що проводились у Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій, а також випливає із задач у сфері науки і техніки, сформульованих у „Концепції розвитку зв’язку України до 2010 року”, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України №223/8 від 09.12.1999р.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення крутості схилів ЧХВЗ смугових фільтрів НВЧ, що перестроюються по частоті, із забезпеченням збереження ширини смуги пропускання при перестроюванні в заданому діапазоні робочих частот. При цьому враховуються такі вимоги до фільтрів НВЧ мобільних станцій зв’язку як зменшення масо-габаритних показників у порівнянні з відомими зразками.

Для досягнення цієї мети необхідно було розв’язати наступні задачі:

- розробити смугові фільтри НВЧ, що перестроюються, із підвищеною крутістю схилів ЧХВЗ і зменшеними масо-габаритними параметрами для багатоканальних станцій радіозв’язку;

- розробити електродинамічну модель комбінованої хвилеводно-діелектричної ланки (КХДЛ), що перестроюється по частоті, на основі якої здійснюється розрахунок смугових фільтрів;

- розробити електродинамічну модель та провести розрахунок нерегулярного хвилеводного резонатору з поздовжнім і поперечним отворами в його бічних стінках;

- розробити методику інженерного розрахунку смугових фільтрів на КХДЛ, що перестроюються по частоті;

- провести експериментальні дослідження електричних параметрів смугових фільтрів з перестроюванням частоти на комбінованих хвилеводно-діелектричних ланках;

- провести порівняння теоретичних і експериментальних результатів досліджень смугових фільтрів та виробити рекомендації з їх настройки в процесі виготовлення.

Об’єктом дослідження виступають смугові фільтри, що перестроюються по частоті, виконані на основі комбінованих хвилеводно-діелектричних ланок для тропосферних, радіорелейних та супутникових станцій зв’язку.

Предметом дослідження є якісні показники смугових фільтрів з перестройкою частоти, які визначаються функцією робочого затухання фільтрів: середня робоча частота, ширина смуги пропускання і максимально-припустимий рівень затухання в ній (необхідне значення коефіцієнта стоячої хвилі або коефіцієнта відбиття), смуга загородження та мінімальне гарантоване затухання в ній, діапазон перестройки фільтра. Враховані конструктивні та масо-габаритні показники даних фільтрів.

Методи дослідження. У дисертаційній роботі як методи дослідження використовувались: метод власних функцій, метод часткових ділянок, апарат теорії матриць, експерименти по визначенню електричних характеристик смугових фільтрів.

Наукова новизна отриманих результатів. При виконанні дисертаційної роботи вперше отримано наступні результати.

1. Розроблено і досліджено нову конструкцію смугових фільтрів, що перестроюються по частоті, на КХДЛ із високою крутістю схилів ЧХВЗ для трактів НВЧ мобільних станцій тропосферного, радіорелейного і супутникового зв’язку. Досягнуто збереження ширини смуги пропускання при перестройці в 9%-вому робочому діапазоні.

2. Запропоновано та проаналізовано електродинамічну модель комбінованої хвилеводно-діелектричної ланки, що перестроюється по частоті. В результаті визначені зовнішні параметри КХДЛ. Показано, що при застосуванні хвильових матриць передачі окремих складових КХДЛ, таких як діафрагми, плоско-поперечні стики відповідних відрізків хвилеводів, можливо визначити коефіцієнт передачі ланки, функцію робочого затухання та добротність.

3. Запропоновано та проаналізовано електродинамічну модель нерегулярного хвилеводного резонатора, частково заповненого діелектриком з поздовжнім і поперечним отворами в бічних поверхнях, яка дозволила визначити зовнішні параметри даного резонатора.

4. Удосконалено методику визначення параметрів комбінованої хвилеводно-діелектричної ланки, що перестроюється по частоті: резонансної частоти, геометричних розмірів резонатору, добротності. Методика відрізняється від відомих тим, що заснована на використанні власних скалярних та векторних функцій частково заповненого діелектриком хвилеводу з довільним розташуванням діелектрика.

5. Розроблено алгоритм інженерного розрахунку смугових фільтрів на КХДЛ, що перестроюються по частоті. Алгоритм дозволяє проектувати смугові фільтри з підвищеною крутістю схилів ЧХВЗ і стабільною смугою пропускання при перестройці в діапазоні робочих частот. Розроблений алгоритм відрізняється простотою і дозволяє мінімізувати поточні похибки.

Достовірність та обґрунтованість результатів.

1. Достовірність одержаних результатів базується на досконалому виборі адекватного класу математичних моделей, що відповідають реальним НВЧ приладам і перевірці отриманих аналітичних виразів на окремих випадках для відомих результатів.

2. Обґрунтованість результатів базується на фундаментальних положеннях електродинаміки, використанні й виборі обґрунтованих математичних методів дослідження, які враховують фізичну сутність моделей, що вивчались.

3. Достовірність теоретичних результатів підтверджено експериментальними дослідженнями і порівнянням їх точності, а відповідність висновків витікає зі змісту роботи.

Практична значимість роботи. У результаті теоретичних і експериментальних досліджень створені смугові фільтри на КХДЛ, що перестроюються і в порівнянні з відомими мають збільшену крутість скатів ЧХВЗ та відрізняються її сталістю у робочому діапазоні частот. Крім того, дані фільтри мають зменшені масо-габаритні показники в порівнянні з відомими.

Виконані в дисертаційній роботі теоретичні дослідження дозволили створити алгоритм розрахунку смугових фільтрів на КХДЛ, що перестроюються по частоті. Даний алгоритм може бути використаний фахівцями при розробці техніки НВЧ та проектуванні трактів НВЧ мобільних станцій зв’язку.

Одержала подальший розвиток методика експериментальних досліджень смугових фільтрів на КХДЛ, що перестроюються по частоті, та розроблено рекомендації з конструювання і настроювання даних фільтрів.

Теоретичні й експериментальні результати роботи можуть бути основою для виробництва смугових фільтрів НВЧ на підприємствах Міністерства промислової політики України і Національного космічного агентства України не тільки для тропосферних, радіорелейних, супутникових станцій зв’язку відомчого призначення, але й радіолокаційних, радіонавігаційних станцій і інших безпровідних засобів зв’язку.

Отримані в ході рішення наукової задачі нові підходи до розробки смугових фільтрів НВЧ з перестроюванням по частоті розширюють базу для подальшого розвитку теорії пристроїв на частково заповнених діелектриком хвилеводах за рахунок застосування методу власних функцій. Нові наукові результати дисертаційної роботи доповнюють теоретичні положення, що існували відносно проектуванню хвилеводних фільтрів, які перестроюються по частоті.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати дисертаційної роботи належать здобувачу. У дисертаційній роботі розроблені моделі й алгоритми теоретичних розрахунків смугових фільтрів на КХДЛ, що перестроюються по частоті. Всі алгоритми розрахунків хвилеводно-діелектричних структур і програми для розрахунку їхніх характеристик розроблені безпосередньо здобувачем.

Дисертант є автором всіх експериментальних досліджень, що складають основу дисертації.

У працях, підготовлених у співавторстві здобувачу належить: опис електродинамічної моделі нерегулярного хвилеводного резонатора, частково заповненого діелектриком з отворами в боковій поверхні [1]; опис методики розрахунку прохідного хвилеводно-діелектричного резонатору, який перестроюється по частоті [2]; опис електродинамічної моделі щілинної антени на комбінованих хвилеводно-діелектричних резонаторах [4]; опис конструкції смугового фільтра, що перестроюється по частоті, на комбінованих хвилеводно-діелектричних ланках, а також отримані теоретичні та експериментальні результати [5]; вироблення технічних аспектів застосування у винесених приймально-передавальних модулях цифрових радіорелейних станцій технології частково заповненого хвилеводу [6,7,8].

Із спільних публікацій у дисертаційну роботу включені тільки результати, отримані автором самостійно.

Всі основні наукові та практичні результати, а також висновки по дисертації сформульовані автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися на 3-ій Міжнародній науково-технічній конференції "Техника и технология связи" (м. Одеса, ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2001 р.), науково-практичному семінарі "Сучасні системи зв’язку і АСУВ та їх подальший розвиток" (м. Київ, ВІТІ  НТУУ  “КПІ”,   р.), науково-практичному семінарі "Проблеми розвитку інформаційних мереж військового призначення" (м. Київ, НАОУ, 2004 р.), міжкафедральних наукових семінарах ДУІКТ м. Київ, ВІТІ  НТУУ  “КПІ” м. Київ, ПВІЗ м. Полтава в 1999-2005 рр.

Публікації. Результати роботи опубліковані в 8 роботах, із них 5 статей в часописах, які наведено в переліку фахових видань ВАК України [1-5] та в 3 працях матеріалів наукових конференцій [6-8].

Структура та обсяг дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних літературних джерел. Дисертація викладена на 152 сторінках, містить 54 рисунки на 34 сторінках, а також список використаних джерел містить 82 найменування на 7 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність та доцільність дисертаційного дослідження за обраною темою, наявність та стан наукової задачі, розв’язанню якої присвячена дисертація, наведено огляд літератури за темою, розкрито зв’язок роботи з науковими програмами, планами і тематикою НДР, сформульовано кінцеву мету і основні задачі досліджень, вирішення яких забезпечує досягнення зазначеної мети, висвітлена новизна отриманих наукових результатів, що виносяться на захист, їх практична значимість, наведено відомості про особистий внесок здобувача, апробації та публікації основних результатів досліджень.

У першому розділі проведено аналіз стану і напрямки підвищення якості НВЧ трактів тропосферних, радіорелейних станцій зв’язку відомчого призначення, визначено шляхи, за якими необхідно їх удосконалювати.

В сучасних умовах особливого значення набувають такі вимоги до зв’язку як мобільність, стійкість й завадозахищеність.

Дані вимоги досягаються:

- скороченням часу розгортання й згортання вузлів і ліній зв’язку;

- забезпеченням високої надійності багатоканальних засобів радіозв'язку – радіорелейних, тропосферних і супутникових систем передачі;

- забезпеченням керування в складній електромагнітній обстановці, а також в умовах навмисного впливу радіоелектронних засобів;

- застосуванням складних сигналів, шумоподібних сигналів, псевдовипадкової перестройки робочої частоти, наносекундних імпульсів з розширеним спектром.

Щоб задовольнити дані вимоги, по-перше, необхідно вдосконалення засобів каналоутворення. Насамперед це стосується техніки багатоканального радіозв'язку – радіорелейних, тропосферних і космічних станцій зв’язку.

По-друге, виконання даних вимог досягається при комбінованому використанні засобів радіорелейного, тропосферного й космічного зв'язку, техніки міліметрового діапазону хвиль, до того ж "сильним" у польовій опорній мережі є тропосферний компонент.

Все це призводить до необхідності вдосконалення техніки багатоканального радіозв'язку. При цьому НВЧ обладнання в значній мірі визначає такі важливі характеристики станцій тропосферного та радіорелейного зв’язку, як протяжність інтервалу, якість каналів, завадозахищеність і час розгортання.

Побудова НВЧ трактів техніки багатоканального радіозв'язку полягає у виборі єдиної лінії передачі електромагнітної енергії для станції тропосферного, радіорелейного й космічного зв'язку сантиметрового діапазону хвиль із можливістю створення гібридних радіорелейно-тропосферних та тропосферно-космічних станцій для забезпечення високої мобільності, стійкості й завадозахищеності систем зв'язку.

На рис. представлено один з НВЧ трактів цифрової тропосферної станції зв’язку, в основу побудови якого покладено комбінація принципів приймання і передавання широкосмугових сигналів та просторового рознесення. Робота схеми забезпечується двома приймальними та двома передавальними трактами, спільними елементами яких є дві просторово рознесені антени (А) і дуплексери. В склад дуплексера входять щілинні мости (ЩМ) і смугові фільтри з перестроюванням частоти (ПСФ). Окрім фільтру дуплексеру в трактах приймання та передавання розташовані смугові фільтри настроєні на фіксовані частоти (СФ). Всі елементи тракту розраховані на роботу при рівні потужності 2 кВт і тому виконані по хвилеводній технології, та займають більш третини обсягу і маси апаратури станції.

Рис. . Приймально-передавальний НВЧ тракт тропосферної станції зв’язку

Внаслідок проведеного аналізу визначена необхідність переходу від НВЧ трактів на порожніх хвилеводах, що реалізовані по традиційній технології, до НВЧ трактів на частково заповнених діелектриком хвилеводах з використанням гібридно-хвилеводної технології, на якій можливо створення повного ряду пристроїв для НВЧ трактів радіотехнічних систем.

Розглянута можливість створення на основі даної технології високоякісних фільтруючих пристроїв – смугових фільтрів, що перестроюються по частоті з високою крутістю схилів ЧХВЗ.

Визначено вимоги до смугових фільтрів, які перестроюються по частоті, та напрямок поліпшення їх електричних характеристик шляхом застосування фільтрів на комбінованих хвилеводно-діелектричних ланках, що перестроюються по частоті (рис. ).

Рис. . Комбінована хвилеводно-діелектрична ланка

Смуговий фільтр на таких ланках має зменшені габарити і масу, підвищену крутість схилів ЧХВЗ за рахунок настроювання резонансної частоти ДР на відповідні граничні частоти смуги загородження. При перестроюванні таких фільтрів в робочому діапазоні частот частотна характеристика залишається незмінною при незначному збільшенні ~ 0,2 дБ затухання в смузі пропускання фільтра.

Велика кількість функцій, що виконується фільтрами, висуває до них різноманітні вимоги: малі втрати в смузі пропускання, задане затухання в смузі загородження, висока крутість схилів ЧХВЗ, можливість оперативної перестройки робочої частоти, малі габарити й маса, висока електрична міцність та інші.

Роботи зі створення нових типів смугових фільтрів, що перестроюються, спрямовані на їхню мініатюризацію при збереженні характеристик, що відрізняються високою вибірковістю. Запропоновано новий шлях реалізації смугових фільтрів, що перестроюються по частоті, з вищевикладеними характеристиками.

На основі проведеного аналізу вибрано метод дослідження комбінованої хвилеводно-діелектричної ланки смугового фільтру, що перестроюється по частоті, за допомогою якого визначаються власні функції і постійні поширення такої ланки в явному вигляді. Це дозволяє знайти провідність КХДЛ, а також зовнішні параметри і добротність ланки смугового фільтру, що перестроюється. Сформульовано задачі досліджень.

У другому розділі проведено дослідження комбінованих хвилеводно-діелектричних резонаторів (КХДР), як невід'ємних елементів НВЧ трактів багатоканальних станцій радіозв'язку, а також інших радіотехнічних систем.

Обґрунтована та узагальнена електродинамічна модель прохідного хвилеводного резонатору, частково заповненого діелектриком. У якості вихідної моделі використана електродинамічна модель для прохідного хвилеводу, частково заповненого діелектриком, та його власні векторні функції. Розрахована постійна розповсюдження КХДР. Показано, що одні й ті ж значення постійної розповсюдження можливо отримати, варіюючи діелектричною проникністю матеріалу та розмірами ДР. Отримані результати розрахунків порівнюються з відомими із літератури для окремих випадків.

Вперше досліджені нерегулярні комбіновані хвилеводно-діелектричні резонатори, що являють собою сполучення хвилеводних резонаторів частково заповнених діелектриком і неоднорідності у вигляді отворів у широкій або вузькій стінках хвилеводу (рис. ).

Проведено електродинамічний аналіз та розроблена електродинамічна модель з використанням методу часткових ділянок та власних векторних функцій хвилеводів частково заповнених діелектриком.

Рис. . Конструкція нерегулярних комбінованих хвилеводно-діелектричних резонаторів з поперечним отвором в широкій стінці хвилеводу (а) та з поздовжнім отвором в вузькій стінці хвилеводу (б)

Вперше отримано аналітичні вирази для розрахунків стиків КХДР з отворами. Схема заміщення КХДР, який має отвір у широкій стінці хвилеводу (позначення з індексом ) або вузькій стінці хвилеводу (позначення з індексом z), наведена на рис.4.

Рис. . Схема заміщення комбінованого хвилеводно-діелектричного резонатору з отвором в широкій стінці хвилеводу (індекс ) та з поздовжнім отвором в вузькій стінці хвилеводу (індекс z)

Визначені провідності, що характеризують нерегулярний комбінований хвилеводно-діелектричний резонатор, які необхідні для визначення його зовнішніх параметрів та параметрів інших пристроїв даного класу.

Провідності, що характеризують КХДР, мають вигляд:

Y=(1/2)NY~ + jB, (1)

Yz=(1/2)NzY~ + jBz, (2)

де Y, Yz – провідність, що характеризує КХДР із поперечним отвором у широкій стінці і поздовжнім отвором у вузькій стінці відповідно;

Y~ – хвильова провідність КХДР при відсутності отвору;

jB, jBz – реактивна провідність, що враховує реакцію місцевих полів, які виникають на стику КХДР і поперечного отвору, а також стику КХДР і поздовжнього отвору.

Труднощі визначення провідностей Y, Yz за формулами (1), (2) пов'язані, насамперед, зі знаходженням коефіцієнтів трансформації N та Nz.

На основі проведеного аналізу, та згідно з вибраним методом дослідження, отримано вираз для коефіцієнтів трансформації N та Nz комбінованого хвилеводно-діелектричного резонатора з отвором в широкій або вузькій стінці хвилеводу, які відповідно мають вид:

де

де

де Сеn, Sen – парні і непарні функції Мат’є відповідно;

h10 – постійна розповсюдження основної хвилі КХДР;

lш, lу – довжини отворів в широкій та вузькій стінках.

Проведено розрахунок коефіцієнтів трансформації Nz (рис. .а) та N (рис. .б), вірогідність отриманих співвідношень підтверджена двома різними способами розв’язання поставленої задачі – з використанням тригонометричного представлення функції Мат’є (крива 1) і розкладом по функціях Бесселя (крива 2).

Рис. . Залежність коефіцієнта трансформації Nz від параметра ah10 (а), і коефіцієнта трансформації N від параметра bh10 (б): 1 – з використанням тригонометричного представлення функції Мат’є; 2 – з використанням розкладу по функціях Бесселя

Розроблено модель комбінованого хвилеводно-діелектричного резонатору, що перестроюється по частоті, яка базується на представленні КХДР у вигляді нерегулярного частково заповненого хвилеводу, обмеженого діафрагмами з елементом перестроювання частоти – металевим стрижнем змінної довжини , що вводиться через вузьку стінку хвилеводу (рис. ).

Рис. 6. Схема комбінованого хвилеводно-діелектричного резонатора, що перестроюється по частоті

Доведено, що еквівалентна схема заміщення КХДР з перестроюванням частоти, що враховує місцеві поля, які виникають поблизу нерегулярностей, зводиться до схеми рівнобіжної провідності.

Визначено зовнішні параметри такого резонатору з використанням власних векторних і скалярних функцій частково заповненого діелектриком хвилеводу. Знання зовнішніх параметрів КХДР з перестроюванням частоти необхідно при синтезі багатоланкових фільтрів на його основі.

Для перевірки точності моделі були проведені експериментальні дослідження та чисельні розрахунки даних структур.

У третьому розділі проведено аналіз комбінованої хвилеводно-діелектричної ланки, що перестроюється по частоті, та визначені функція робочого затухання, добротність, а також резонансна частота КХДЛ.

Проаналізовано функцію робочого затухання та добротність смугового фільтра на КХДЛ, що перестроюється по частоті, і побудована його ЧХВЗ (рис. .а). Із приведених даних видно, що КХДЛ має тільки одну (робочу) частоту, на якій внесені втрати дорівнюють нулеві. Паразитні смуги пропускання смугового фільтра на КХДЛ у порівнянні з хвилеводним (рис. .б) значно ослаблені, крім того, підвищилась крутість схилів ЧХВЗ фільтра на КХДЛ.

Отримана частотна характеристика внесеного затухання смугового фільтра з перестройкою частоти має смугу пропускання 2%, в якій затухання не перевищує 0,5 дБ.

Зроблено вибір методу синтезу смугових фільтрів на КХДЛ, що перестроюються по частоті, визначені необхідні й достатні умови реалізації заданої ЧХВЗ. В якості апроксимуючої функції робочого затухання смугового

Рис. . Частотна характеристика внесеного затухання фільтра на КХДЛ (а) та хвилеводного фільтра (б)

фільтра вибрана максимально плоска характеристика, у якої втрати зростають монотонно по мірі відхилення резонансної частоти від середньої частоти смуги пропускання. Крім того, такі фільтри мають найбільш лінійну фазову характеристику.

Вибраний метод синтезу базується на використанні елементів фільтру-прототипу низької частоти та алгоритмів чисельної оптимізації фізичних моделей хвилеводно-діелектричних структур. В якості незалежних змінних величин застосовуються фізичні параметри ланок фільтру.

На основі проведених розрахунків залежності відносної розстройки від глибини занурення стрижня через вузьку стінку хвилеводу вироблені та надані рекомендації щодо вибору геометричних розмірів елементу перестройки КХДЛ.

Розроблено методику і алгоритм інженерного розрахунку смугового фільтра, що перестроюється по частоті, на КХДЛ по заданих вимогах до діапазону перестройки частоти та крутості схилів ЧХВЗ.

Алгоритм побудовано по схемі, коли чисельне розв’язання рівнянь на сумісність є показником фізичної реалізації заданих вимог до фільтру на КХДЛ.

(3)

де – коефіцієнт матриці передачі КХДЛ, що перестроюється;

– безрозмірна розстройка;

Q* – задана величина добротності.

Несумісність системи рівнянь (3) свідчить про неможливість реалізації вимог з меншою кількістю ланцюгів фільтру та навпаки сумісність – дозволяє ще зменшити кількість ланцюгів.

Проведені співставлення розрахунків фільтрів за даною методикою з розрахунками таких же хвилеводних фільтрів традиційної хвилеводної конструкції. При цьому лінійна довжина фільтра на КХДЛ зменшилась в середньому в  ,5 раза. Також були проведені розрахунки фільтрів для деяких радіорелейних та тропосферних станцій відомчого призначення. Виграш за габаритними розмірами в порівнянні з існуючими зразками, склав від 1,5 до 1,7 раза.

Застосування комбінованих хвилеводно-діелектричних ланок, що перестроюються, дозволяє зменшити не тільки розміри резонаторів, але й за рахунок високої крутості схилів ЧХВЗ скоротити кількість ланок фільтру в порівнянні з хвилеводними фільтрами.

У четвертому розділі досліджено можливість практичного використання смугових фільтрів на КХДЛ, що перестроюються для техніки багатоканального радіозв’язку.

Використовуючи результати отримані у попередніх розділах, було розроблено ряд конструкцій фільтрів з електромеханічним керуванням резонансною частотою. В ролі резонансних елементів було використано діелектричні резонатори прямокутної та циліндричної форми, що виготовлені з високодобротної кераміки. В якості елементів перестройки частоти використовувались металеві та діелектричні стрижні з діаметрами від 0,125а до 0,5а.

Подано опис методики експериментальних досліджень смугових фільтрів НВЧ, які перестроюються по частоті, котрі проводились в діапазоні 8 ГГц. Проведена порівняльна оцінка результатів та зроблено висновки про відповідність теоретичних викладок експериментальним дослідженням.

Сформульовано ряд принципів, які використовуються при розробці смугових фільтрів на КХДЛ, що перестроюються по частоті.

Визначено, що для забезпечення вузьких смуг фільтрації доцільно використовувати циліндричні діелектричні резонатори, для розширення смуги – прямокутні діелектричні резонатори. При настроюванні резонансних частот діелектричного резонатора, розміщеного у хвилеводному резонаторі, на граничні частоти смуги загородження фільтра отримано ЧХВЗ із високою крутістю схилів та збереженням ширини смуги пропускання при перестройці в робочому діапазоні частот (рис.8).

Розроблені перестроювані смугові фільтри на комбінованих хвилеводно-діелектричних ланках мають зменшені масо-габаритні показники в порівнянні з хвилеводними фільтрами за рахунок зменшення кількості резонаторів.

Такі фільтри мають смуги пропускання до 2які можна змінювати в залежності від ступеня розстройки діелектричного і хвилеводного резонатора.

Рис. . Експериментальні ЧХВЗ смугових фільтрів з перестройкою частоти з КХДЛ (неперервна) та хвилеводного типу (штрихова лінія)

При використанні смугових фільтрів на КХДР в трактах НВЧ тропосферних станцій зв’язку суттєвим є питання їх термостабільності. Температурна стабільність характеристик фільтрів на КХДЛ в значній мірі залежить від температурного коефіцієнту діелектричної проникності матеріалу ДР, оскільки від нього залежить дрейф резонансної частоти ДР.

Проведені дослідження показали, що в робочому діапазоні температур параметри цих фільтрів слабко залежать від температури і тому КХДР можуть бути використані для створення практичних конструкцій керованих фільтрів НВЧ для тропосферних та радіорелейних станцій зв’язку.

Рис.9 демонструє результати експериментальних досліджень та теоретичних розрахунків відносної розстройки робочої частоти КХДЛ від занурення металевого стрижня через вузьку стінку хвилеводу. Встановлено, що відносна зміна частоти на лінійній ділянці для стрижня діаметром d1=1/8(a-c) забезпечує перестроювання фільтра в діапазоні 12%, яке складає близько 1% на кожні 5% занурення стрижня.

При конструюванні смугових фільтрів НВЧ з перестройкою частоти на КХДЛ рекомендовано дотримуватись наступних обмежень на розміри КХДЛ:

1) розмір с/а < 0,3 – якщо r 10;

2) розмір c/d = 0,150,25;

3) початкове занурення стрижня 0,2;

4) діаметр стрижня d1 = 0,05а0,25а.

Вироблені рекомендації направлені на спрощення задачі синтезу та дозволять уникнути похибок при розрахунках смугових фільтрів на КХДЛ.

Рис. . Залежність відносної розстройки КХДЛ від занурення металевого стрижня через вузьку стінку хвилеводу: розрахунок (штрихова лінія), експеримент (неперервна)

Експериментальні дослідження розроблених смугових фільтрів з перестройкою частоти на КХДЛ показали, що похибка запропонованої методики інженерного розрахунку складає ~3% і свідчить про можливості застосування вищевикладеного підходу.

ВИСНОВКИ

1. Показано, що задача удосконалювання засобів багатоканального радіозв’язку НВЧ діапазону невід’ємно зв’язана з удосконалюванням трактів НВЧ тропосферних, радіорелейних і космічних станцій зв’язку і не може бути вирішена в повному обсязі без розробки смугових фільтрів, що перестроюються по частоті, які мають високу крутість схилів частотної характеристики внесеного затухання, зменшені масо-габаритні параметри в порівнянні з іншими традиційними фільтрами і сталістю смуги перестройки резонатора в робочому діапазоні частот.

2. Запропоновано нову конструкцію комбінованої хвилеводно-діелектричної ланки, що перестроюється по частоті, яка може бути використана як основа для побудови багатоланкових смугових фільтрів НВЧ для трактів тропосферних, радіорелейних і космічних станцій зв’язку.

3. Встановлено, що застосування комбінованої хвилеводно-діелектричної ланки дозволить скоротити не тільки кількість ланок фільтру, але й зменшити розмір хвилеводного резонатора.

4. Методом власних функцій з використанням термінів і схем заміщення теорії ланцюгів розроблена електродинамічна модель комбінованої хвилеводно-діелектричної ланки, що перестроюється по частоті.

5. Проаналізовані моделі та визначені параметри нерегулярного комбінованого хвилеводно-діелектричного резонатора, в якому в якості нерегулярностей виступають отвори в широкій та вузькій стінках хвилеводу.

6. Розроблено методику визначення параметрів комбінованої хвилеводно-діелектричної ланки, що перестроюється по частоті, для режиму однохвильової роботи відрізків порожнього і частково заповненого діелектриком хвилеводів. Визначені провідності вхідних елементів резонатора, резонансні частоти, межі перестройки резонансної частоти при переміщенні елемента перестройки уздовж вузької стінки хвилеводу, геометричні розміри діелектричного резонатора та елемента перестройки.

7. Створено алгоритм і методику інженерного розрахунку смугових фільтрів на комбінованих хвилеводно-діелектричних ланках, що перестроюються по частоті.

8. Вивчені і визначені функціональні параметри хвилеводно-діелектричної ланки, що перестроюється по частоті, та смугового фільтра на її основі. Експериментально підтверджено теоретичні висновки збереження високої крутості схилів зі збереженням форми частотної характеристики внесеного затухання при перестройці в 9%-вому діапазоні.

9. Експериментально підтверджено вплив на відносну відстройку резонансної частоти хвилеводно-діелектричної ланки, розмірів і матеріалу елемента перестройки. Визначені форма, геометричні розміри і місце включення елемента перестройки, що забезпечують роботу фільтра в широкому діапазоні частот.

10. Розроблено практичні рекомендації щодо виготовлення й настроювання смугових фільтрів на комбінованих хвилеводно-діелектричних ланках, що перестроюються по частоті.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Почерняев В.М., Івко С.О. Зовнішні параметри частково заповненого прямокутного хвилеводу з отворами в боковій поверхні // Збірник наукових праць – К.: КВІУЗ, 2000. №5. – С. 120 – 124.

2. Почерняев В.М., Івко С.О. Методика розрахунку прохідного хвилеводно-діелектричного резонатору який перестроюється по частоті // Збірник наукових праць – К.: КВІУЗ, 2001. №3. – С. 98 – 102.

3. Івко С.О. Експериментальне дослідження смугового фільтра на КХДЛ, який перестроюється по частоті // Збірник наукових праць – К.: ВІТІ НТУУ “КПІ”, 2002. №4 – С. 108 – 112.

4. Івко С.О., Коломієць А.С. Застосування нерегулярних хвилеводів з діелектриком в електронних комплексах авіатранспорту // Системи обробки інформації. – Х.: Харківський університет Повітряних Сил. – 2005. Вип. 6 (46). – С. 58 – 61.

5. Ивко С.А., Коломиец А.С. Фильтр СВЧ с перестройкой частоты на комбинированных волноводно-диэлектрических звеньях // Моделювання та інформаційні технології. – К.: Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Пухова. – 2005. Вип. 32. – С. 88–92.

6. Почерняев В.Н., Башинский О.Н., Ивко С.А. Микроэлектронные частотно-избирательные устройства СВЧ вынесенных приемо-передающих модулей цифровых радиорелейных станций // Труды 3-ей Международной НТК "Техника и технология связи". – Одесса: УГАС им. А.С. Попова. – 2001. – С. 470 – 473.

7. Почерняев В.Н., Ивко С.А., Башинский О.Н. Антенно-фидерный тракт репортажной цифровой радиорелейной станции // Труды 3-ей Международной НТК "Техника и технология связи". – Одесса: УГАС им. А.С. Попова. – 2001. – С. 364 – 367.

8. Івко С.О. Електродинамічна модель перестроюваємого комбінованого хвилеводно-діелектричного резонатора // Тези доповідей та повідомлень НПС "Сучасні системи зв’язку і АСУВ та їх подальший розвиток". – Київ: ВІТІ НТУУ “КПІ”. – 2002. – С. 104 – 105.

АНОТАЦІЯ

Івко С.О. Смугові фільтри з перестроюванням частоти на комбінованих хвилеводно-діелектричних ланках для відомчої техніки багатоканального радіозв’язку. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 – радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, м. Київ, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню комбінованих хвилеводно-діелектричних ланок, що перестроюються по частоті з підвищеною крутістю схилів частотної характеристики внесеного затухання.

Розглянуті шляхи вдосконалення трактів НВЧ відомчої техніки зв’язку за рахунок вдосконалення частотно-вибіркових пристроїв. Обґрунтовані нові підходи до проектування смугових фільтрів з частотною перестройкою.

Результати досліджень можуть бути використані при проектуванні чи науково-технічному супроводженні розробок з модернізації існуючої і створення перспективної відомчої техніки зв’язку. Нові теоретичні підходи розширюють базу для подальшого розвитку теорії техніки НВЧ діапазону.

Результати дослідження підтвердили той факт, що бурхлива інформатизація суспільства, все більше впровадження засобів зв'язку у повсякденне життя призводить до необхідності опанування нових частотних діапазонів, створення нових засобів зв'язку з більш широкими функціональними можливостями, що потребує пошуку нових рішень у сфері створення засобів зв'язку.

Ключові слова: фільтри, резонансні структури, діелектричний резонатор, хвилеводний резонатор.

АННОТАЦИЯ

Ивко С.А. Полосовые фильтры, перестраиваемые по частоте, на комбинированных волноводно-диэлектрических звеньях для ведомственной техники многоканальной радиосвязи. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук за специальностью 05.12.13 – радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций. Государственный университет информационно-коммуникационных технологий, г. Киев, 2006.

Диссертация посвящена исследованию перестраиваемых комбинированных волноводно-диэлектрических звеньев с повышенной крутизной склонов частотной характеристики вносимого затухания.

Рассмотрены пути усовершенствования трактов СВЧ ведомственной техники связи за счет усовершенствования частотно-избирательных устройств. Обоснованы новые подходы к проектированию полосовых фильтров с частотной перестройкой.

Проанализированы основные методы электродинамики для решения сложных волноводных задач. При выборе метода исследований отдано предпочтение методу собственных векторных функций.

Обобщена электродинамическая модель комбинированного волноводно-диэлектрического резонатора для последующего использования при анализе и синтезе перестраиваемых полосовых фильтров.

Исследованы нерегулярные комбинированные волноводно-диэлектрические резонаторы с отверстиями связи в боковых поверхностях. Получены аналитические выражения для расчета их параметров.

Разработана электродинамическая модель перестраиваемого комбинированного волноводно-диэлектрического резонатора – звена перестраиваемого полосового фильтра. Показано, что, используя волновые матрицы передачи диафрагмы, плоско-поперечного стыка, соответствующих отрезков волновода, можно определить функцию рабочего затухания и добротность проектируемых перестраиваемых фильтров.

С целью проверки полученных результатов, а также исследования характеристик резонаторов, получены известные результаты как частные случаи разработанных моделей.

Проведен анализ комбинированного волноводно-диэлектрического звена, в результате которого получена функция рабочего затухания, имеющая высокую крутизну скатов на рабочей частоте.

Обоснован выбор метода синтеза, базирующегося на сочетании электродинамического описания процесса фильтрации и использовании аппарата современной теории цепей.

Предложен алгоритм инженерного расчета перестраиваемых полосовых фильтров на комбинированных волноводно-диэлектрических звеньях.

Проведенная серия экспериментальных исследований перестраиваемых полосовых фильтров на комбинированных волноводно-диэлектрических звеньях, а также внедрение полученных результатов, позволили подтвердить полученные теоретические результаты.

Результаты исследований могут быть использованы при проектировании или научно-техническом сопровождении разработок по модернизации существующей и создания перспективной ведомственной техники связи. Новые теоретические подходы расширяют базу для дальнейшего развития теории техники СВЧ диапазона.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы.

Ключевые слова: фильтры, резонансные структуры, диэлектрический резонатор, волноводный резонатор.

ANNOTATION

Ivko S.A. Reorganization of strip filters on combined waveguiding - dielectric circuit for departmental techniques of a multichannel radio communication. - Manuscript.

Ph.D. speciality 05.12.13 – radiotechnical devices and telecommunication equipment. State University of Information and Communications Technologies, Kyiv, 2006.

The dissertation is devoted to research of reorganized strip filters on combined waveguiding - dielectric circuit with the heightened steepness of slopes frequency characteristics of brought in attenuation.

The considered ways of improvement of pathes of super high frequencies (SHF) of departmental techniques of communication at the expense of improvement of frequency - selective devices.

The new approaches of strip filters designing with reorganization on frequency are substantiated. The electrodynamics models allowing to make the analysis and synthesis of reorganized filters on combined waveguiding - dielectric circuit are constructed.

The results of the researches can be applied to designing or scientific and technical support of development on modernization of existing departmental communications techniques and creation of perspective one. The new theoretical approaches expand the base for the further development of the theory of SHF techniques.

Keywords: filter, resonant structures, dielectric resonator, waveguiding resonator, combined waveguiding - dielectric circuit.

Підписано до друку 22.02.06. Формат 60x84 1/16

Обл.-вид. арк. 0,9. Набір комп’ютерний.

Наклад 100 прим. Зам. №7

УкрІНТЕІ, Київ-680, вул. Горького, 180

Захист 13.04.06, 14,30

Розсилка 4.03.06