Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Малошумный блочный преобразователь со снятыми крышкой и рожком, открывая доступ к сложной схеме внутри, за исключением гетеродина, который остается закрытым. Видно, что зонды горизонтальной и вертикальной поляризации выступают в круговое пространство, к которому обычно прикреплен рупор. Внизу устройства можно увидеть два выходных разъема.
Рисунок 1. Схема, показывающая многие из структур фильтров, описанных в этой статье. Рабочая частота фильтров составляет около 11  гигагерц (ГГц). Эта схема описана в рамке ниже.
Малошумящий блочный преобразователь
Схема, изображенная на рисунке 1, представляет собой малошумящий блочный преобразователь.и предназначен для подключения к спутниковой антенне приемной тарелки. Он называется блочным преобразователем, потому что он преобразует большое количество спутниковых каналов в блок без попытки извлечения в конкретный канал. Несмотря на то, что передача прошла 22000 миль от спутниковой орбиты, существует проблема с получением сигнала на последних нескольких футах от антенны до точки, где он будет использоваться внутри собственности. Сложность заключается в том, что сигнал доставляется внутрь здания по кабелю (так называемому нисходящему проводу), а высокие частоты спутникового сигнала значительно ослабляются в кабеле, а не в свободном пространстве. Блок-преобразователь предназначен для преобразования спутникового сигнала в более низкую полосу частот, которая может обрабатываться нисходящим проводом и абонентской приставкой.. Частоты зависят от спутниковой системы и географического региона, но это конкретное устройство преобразует блок частот из диапазона 10,7 ГГц в 11,8 ГГц. Выходной сигнал на нисходящий провод находится в диапазоне от 950 МГц до 1950 МГц. Два F-разъема в нижней части устройства предназначены для подключения к нисходящим проводам. В данной модели предусмотрено два (блочные преобразователи могут иметь любое количество выходов, начиная с одного), так что два телевизора или телевизор и видеомагнитофон могут быть настроены на два разных канала одновременно. Приемный рог обычно устанавливается в круглое отверстие в центре платы, два зонда, выступающие в это пространство, предназначены для приема с горизонтальной и вертикальной поляризацией.сигналы соответственно, и устройство может переключаться между этими двумя. В схеме можно увидеть множество структур фильтров: есть два примера полосовых фильтров с параллельной связью, которые предназначены для ограничения входящего сигнала интересующей полосой. Относительно большая ширина резонаторов (сравните с примером микрополоскового изображения на рис. 2 или с фильтрами гетеродина ниже и правее центрального металлического прямоугольника) отражает широкую полосу пропускания, которую фильтр должен пропускать. Существует также множество примеров шлейфовых фильтров, подающих смещение постоянного тока на транзисторы и другие устройства, причем фильтр требуется для предотвращения прохождения сигнала к источнику питания. Ряды отверстий на некоторых дорожках, называемые через заборы, не являются фильтрующими конструкциями, а образуют часть ограждения. [1] [2] [3]
Печатная плата внутри анализатора спектра Agilent N9344C с частотой 20 ГГц, демонстрирующая различные элементы микрополосковой технологии фильтрации с распределенными элементами

Распределенной фильтрующий элемент представляет собой электронный фильтр , в котором емкость , индуктивность и сопротивление (то элементы из схемы) не локализованы в дискретных конденсаторов , катушки индуктивности и резисторов , как в обычных фильтрах. Его цель - пропустить один диапазон частот сигнала , но заблокировать другие. Обычные фильтры состоят из катушек индуктивности и конденсаторов, а построенные таким образом схемы описываются моделью с сосредоточенными элементами., который считает, что каждый элемент "сосредоточен вместе" в одном месте. Эта модель концептуально проста, но она становится все более ненадежной по мере увеличения частоты сигнала или, что эквивалентно, по мере уменьшения длины волны . Модель с распределенными элементами применяется на всех частотах и ​​используется в теории линий передачи ; многие компоненты с распределенными элементами состоят из коротких отрезков линии передачи. В распределенном виде схемы элементы распределены по длине проводников.и неразрывно смешаны между собой. Конструкция фильтра обычно касается только индуктивности и емкости, но из-за такого смешения элементов их нельзя рассматривать как отдельные «сосредоточенные» конденсаторы и катушки индуктивности. Не существует точной частоты, выше которой должны использоваться фильтры с распределенными элементами, но они особенно связаны с микроволновым диапазоном (длина волны менее одного метра).

Фильтры с распределенными элементами используются во многих из тех же приложений, что и фильтры с сосредоточенными элементами, например, для избирательности радиоканала, ограничения полосы шума и мультиплексирования множества сигналов в один канал. Фильтры с распределенными элементами могут быть сконструированы так, чтобы иметь любую из полосовых форм, возможных с сосредоточенными элементами ( нижние частоты , полосовые фильтры и т. Д.), За исключением верхних частот , которые обычно являются только приближенными. Все классы фильтров, используемые в схемах сосредоточенных элементов ( Баттерворта , Чебышева и т. Д.), Могут быть реализованы с использованием подхода распределенных элементов.

Существует множество форм компонентов, используемых для создания фильтров с распределенными элементами, но все они имеют общее свойство вызывать прерывание в линии передачи. Эти неоднородности представляют собой реактивное сопротивление волновому фронту, движущемуся по линии, и эти реактивные сопротивления могут быть выбраны конструктивно, чтобы служить приближениями для сосредоточенных катушек индуктивности , конденсаторов или резонаторов , как того требует фильтр. [4]

Разработка фильтров с распределенными элементами была стимулирована военной необходимостью в радиолокационных и электронных мерах противодействия во время Второй мировой войны. Аналоговые фильтры с сосредоточенными элементами были разработаны задолго до того, но эти новые военные системы работали на микроволновых частотах, и требовались новые конструкции фильтров. Когда война закончилась, технология нашла применение в микроволновых каналах связи, используемых телефонными компаниями и другими организациями с крупными сетями фиксированной связи, такими как телекомпании. В настоящее время эту технологию можно найти в нескольких массовых потребительских товарах, таких как преобразователи (на рисунке 1 показан пример), используемые с антеннами спутникового телевидения .

Общие комментарии [ править ]

Рис. 2. Фильтр параллельных линий в микрополосковой конструкции.
Символ λ используется для обозначения длины волны сигнала, передаваемого по линии или участку линии с такой электрической длиной .

Фильтры с распределенными элементами в основном используются на частотах выше диапазона VHF (очень высоких частот) (от 30 до 300 МГц ). На этих частотах физическая длина пассивных компонентов составляет значительную часть длины волны рабочей частоты, и становится трудно использовать обычную модель сосредоточенных элементов.. Точная точка, в которой становится необходимым моделирование распределенных элементов, зависит от конкретной рассматриваемой конструкции. Общее практическое правило - применять моделирование с распределенными элементами, когда размеры компонентов превышают 0,1λ. Увеличивающаяся миниатюризация электроники означает, что схемы становятся все меньше по сравнению с λ. Частоты, за пределами которых становится необходим подход к проектированию фильтров с использованием распределенных элементов, становятся все более высокими в результате этих достижений. С другой стороны, размеры антенной структуры обычно сопоставимы с λ во всех частотных диапазонах и требуют модели с распределенными элементами. [5]

Наиболее заметное различие в поведении между фильтром с распределенными элементами и его приближением с сосредоточенными элементами состоит в том, что первый будет иметь несколько копий полосы пропускания прототипа полосы пропускания с сосредоточенными элементами , поскольку передаточные характеристики линии передачи повторяются с гармоническими интервалами. Эти ложные полосы пропускания в большинстве случаев нежелательны. [6]

Для наглядности изложения схемы в этой статье составлены с использованием компонентов, реализованных в полосковом формате. Это не подразумевает отраслевых предпочтений, хотя форматы плоских линий передачи (то есть форматы, в которых проводники состоят из плоских полос) популярны, потому что они могут быть реализованы с использованием установленных технологий производства печатных плат . Показанные структуры также могут быть реализованы с использованием методов микрополосковой или скрытой полосковой линии (с соответствующими корректировками размеров) и могут быть адаптированы для коаксиальных кабелей , сдвоенных выводов и волноводов., хотя некоторые структуры больше подходят для одних реализаций, чем другие. Например, реализации ряда структур с разомкнутым проводом показаны во втором столбце рисунка 3, а эквиваленты с разомкнутым проводом можно найти для большинства других полосковых структур. Планарные линии передачи также используются в конструкциях интегральных схем . [7]

История [ править ]

Разработка фильтров с распределенными элементами началась еще до Второй мировой войны. Уоррен П. Мейсон основал область схем с распределенными элементами . [8] Основная статья на эту тему была опубликована Мэйсоном и Сайксом в 1937 году. [9] Мейсон подал патент [10] намного раньше, в 1927 году, и этот патент может содержать первую опубликованную электрическую конструкцию, которая отходит от анализ сосредоточенных элементов. [11] Работа Мэйсона и Сайкса была сосредоточена на форматах коаксиального кабеля и симметричных пар проводов - планарные технологии еще не использовались. В годы войны были проведены большие разработки, обусловленные необходимостью фильтрации радиолокационных иэлектронные контрмеры . Хорошее дело это было в Радиационной лаборатории MIT , [12] , но и другие лаборатории в США и Великобритании также были вовлечены. [13] [14]

Потребовались некоторые важные достижения в теории сетей , прежде чем фильтры смогли выйти за рамки военного времени. Одним из них была теория соразмерных линий Пола Ричардса . [15] Соразмерные линии - это сети, в которых все элементы имеют одинаковую длину (или, в некоторых случаях, кратную единице длины), хотя они могут отличаться по другим размерам, чтобы давать разные характеристические сопротивления. Преобразование Ричардса позволяет принять проект с сосредоточенными элементами «как есть» и преобразовать его непосредственно в проект с распределенными элементами с помощью очень простого уравнения преобразования. [16]

Сложность преобразования Ричардса с точки зрения создания практических фильтров заключалась в том, что полученная конструкция с распределенными элементами неизменно включала последовательно соединенные элементы. Это было невозможно реализовать в планарных технологиях и часто было неудобно в других технологиях. Эту проблему решил К. Курода, который использовал трансформаторы импеданса для устранения последовательных элементов. В 1955 году он опубликовал серию трансформаций, известных как личности Куроды , но его работа была написана на японском языке, и прошло несколько лет, прежде чем его идеи были включены в англоязычную литературу. [17]

После войны одним из важных направлений исследований была попытка увеличить конструктивную полосу пропускания широкополосных фильтров. Подход, который использовался в то время (и используется до сих пор), заключался в том, чтобы начать с фильтра-прототипа сосредоточенных элементов и посредством различных преобразований прийти к желаемому фильтру в форме распределенных элементов. Этот подход, похоже, застрял при минимальном Q равном пяти (см. Полосовые фильтры ниже для объяснения Q ). В 1957 году Лео Янг из Стэнфордского научно-исследовательского института опубликовал метод проектирования фильтров, который начался с прототипа распределенных элементов. [18] Этот прототип был основан начетвертьволновые трансформаторы импеданса и были в состоянии производить конструкции с полосой пропускания до октавы , соответствующей добротности около 1,3. Некоторые процедуры Юнга в этой статье были эмпирическими, но позже были опубликованы точные решения [19] . В статье Янга конкретно рассматриваются объемные резонаторы с прямой связью, но эта процедура в равной степени может быть применена к другим типам резонаторов с прямой связью, таким как те, которые используются в современных планарных технологиях и проиллюстрированы в этой статье. Фильтр с емкостным зазором (рис. 8) и фильтр с параллельными линиями (рис. 9) являются примерами резонаторов с прямой связью. [16]

Рисунок 3. В первом столбце показаны некоторые простые плоские фильтрующие структуры. Во втором столбце показана эквивалентная схема с разомкнутым проводом для этих структур. Третий столбец представляет собой приближение полусосредоточенных элементов, где элементы, отмеченные K или J, являются трансформаторами полного сопротивления или проводимости соответственно. В четвертом столбце показано приближение с сосредоточенными элементами, в котором предполагается, что трансформаторы полного сопротивления являются трансформаторами λ / 4.
  1. Короткозамыкающий шлейф параллельно основной линии.
  2. Шлейф с разомкнутым контуром параллельно основной линии.
  3. Линия короткого замыкания соединена с основной линией.
  4. Связанные короткозамкнутые линии.
  5. Связанные линии с разомкнутой цепью.
представляет собой перемычку через плату, соединяющуюся с заземляющей пластиной внизу.

Внедрение печатных планарных технологий значительно упростило производство многих микроволновых компонентов, включая фильтры, и стало возможным создание микроволновых интегральных схем. Неизвестно, когда возникли планарные линии передачи, но эксперименты с их использованием были зарегистрированы еще в 1936 году. [20] Однако известен изобретатель печатной полосковой линии; Роберт М. Барретт опубликовал эту идею в 1951 году. [21] Она быстро завоевала популярность, и вскоре полосковая линия Барретта вызвала жесткую коммерческую конкуренцию со стороны конкурирующих планарных форматов, особенно трехпластинчатого и микрополоскового . Общий термин полоса в современном использовании обычно относится к форме, известной кактриплат . [22]

Ранние полосковые резонаторные фильтры с прямой связью имели торцевую связь, но длина была уменьшена, а компактность последовательно увеличивалась с введением линейных фильтров с параллельной связью, встречно-штыревых фильтров [23] , [24] и гребенчатых фильтров. [25] Большая часть этой работы была опубликована группой в Стэнфорде под руководством Джорджа Маттеи, включая Лео Янга, упомянутого выше, в знаковой книге, которая до сих пор служит справочником для проектировщиков схем. [26] [27] Шпильчатый фильтр был впервые описан в 1972 году. [28] [29] К 1970-м годам было описано большинство топологий фильтров, широко используемых сегодня. [30]Более поздние исследования сосредоточены на новых или вариантных математических классов фильтров, таких как псевдо- эллиптические , в то же время , используя те же самые основные топологии, или с помощью альтернативных технологий реализации , таких как подвешенной полосковой и finline . [31]

Первоначальная невоенные применение распределенных элементов фильтров в радиорелейных линий , используемых телекоммуникационными компаниями , чтобы обеспечить основу своих сетей. Эти ссылки также использовались другими отраслями промышленности с большими фиксированными сетями, особенно телевизионными вещательными компаниями. [32] Такие приложения были частью крупных программ капитальных вложений. Однако массовое производство сделало технологию достаточно дешевой для использования в отечественных системах спутникового телевидения . [33] Появляется новое применение в сверхпроводящих фильтрах для использования в базовых станциях сотовой связи, эксплуатируемых компаниями мобильной связи. [34]

Основные компоненты [ править ]

Простейшая структура, которая может быть реализована, - это ступенька характеристического импеданса линии, которая вносит разрыв в характеристики передачи. В планарных технологиях это делается путем изменения ширины линии передачи. На рисунке 4 (а) показано увеличение импеданса (более узкие линии имеют более высокий импеданс). Уменьшение импеданса будет зеркальным отражением рисунка 4 (а). Разрыв может быть представлен приблизительно в виде последовательной катушки индуктивности или, точнее, в виде Т-цепи нижних частот, как показано на рисунке 4 (а). [35] Множественные неоднородности часто объединяются с трансформаторами импеданса, чтобы получить фильтр более высокого порядка.. Эти трансформаторы импеданса могут быть лишь короткой (часто λ / 4) длиной линии передачи. Эти составные структуры могут реализовывать любое из семейств фильтров ( Баттерворта , Чебышева и т. Д.) Путем аппроксимации рациональной передаточной функции соответствующего фильтра с сосредоточенными элементами. Это соответствие не является точным, поскольку схемы с распределенными элементами не могут быть рациональными и являются основной причиной расхождения поведения с сосредоточенными и распределенными элементами. Трансформаторы импеданса также используются в гибридных смесях фильтров с сосредоточенными и распределенными элементами (так называемые полу-сосредоточенные структуры). [36]

Рисунок 4. Дополнительные полосковые элементы и их аналоги из сосредоточенных элементов.
  1. Резко скачкообразный импеданс. [35]
  2. Очередь резко обрывается. [35]
  3. Отверстие или прорезь в линии. [37]
  4. Поперечный полуразрез по линии. [38]
  5. Разрыв в строке. [38]

Другой очень распространенный компонент фильтров с распределенными элементами - заглушка . В узком диапазоне частот шлейф может использоваться как конденсатор или индуктор (его импеданс определяется его длиной), но в широком диапазоне он ведет себя как резонатор. Короткозамкнутые, номинально четвертьволновые шлейфы (рисунок 3 (а)) ведут себя как шунтирующие LC- антирезонаторы , а шлейфы разомкнутой номинальной четвертьволновой длины (рисунок 3 (b)) ведут себя как последовательный LC- резонатор . Шлейфы также могут использоваться в сочетании с трансформаторами импеданса для создания более сложных фильтров и, как и следовало ожидать из-за их резонансной природы, наиболее полезны в полосовых приложениях. [39]Хотя шлейфы разомкнутой цепи проще изготавливать с помощью планарных технологий, у них есть недостаток, заключающийся в том, что заделка значительно отличается от идеальной разомкнутой цепи (см. Рисунок 4 (b)), что часто приводит к предпочтению шлейфов короткого замыкания (всегда можно использоваться вместо другого путем добавления или вычитания λ / 4 к длине или из нее). [35]

Спиральный резонатор аналогичен заглушка, в том , что она требует модели распределенных элементов , чтобы представить его, но на самом деле построен с использованием сосредоточенных элементов. Они построены в неплоском формате и состоят из катушки с проволокой на каркасе и сердечнике и соединены только на одном конце. Устройство обычно находится в экранированной банке с отверстием в верхней части для регулировки сердечника. Часто он будет физически очень похож на LC-резонаторы с сосредоточенными параметрами, используемые для аналогичной цели. Они наиболее полезны в верхних диапазонах ОВЧ и нижних УВЧ, тогда как шлейфы чаще применяются в более высоких диапазонах УВЧ и СВЧ . [40]

Связанные линии (рис. 3 (в)) также могут использоваться в качестве фильтрующих элементов; как и шлейфы, они могут действовать как резонаторы, и аналогично они могут отключаться от короткого замыкания или обрыва. Связанные линии, как правило, предпочтительны в планарных технологиях, где их легко реализовать, тогда как в других местах предпочтение отдается шлейфам. Реализация истинной разомкнутой цепи в планарной технологии неосуществима из-за диэлектрического эффекта подложки, который всегда гарантирует, что эквивалентная схема содержит шунтирующую емкость. Несмотря на это, открытые цепи часто используются в плоских форматах вместо коротких замыканий, потому что их легче реализовать. Многочисленные типы элементов можно классифицировать как связанные линии, и на рисунках показаны наиболее распространенные из них. [41]

Некоторые общие конструкции показаны на рисунках 3 и 4 вместе с их аналогами с сосредоточенными элементами. Эти приближения с сосредоточенными элементами не следует рассматривать как эквивалентные схемы, а скорее как руководство к поведению распределенных элементов в определенном диапазоне частот. На рисунках 3 (a) и 3 (b) показаны шлейфы короткого замыкания и разомкнутой цепи соответственно. Когда длина шлейфа составляет λ / 4, они ведут себя, соответственно, как антирезонаторы и резонаторы и поэтому полезны, соответственно, в качестве элементов в полосовых и полосовых фильтрах . На рисунке 3 (c) показана короткозамкнутая линия, соединенная с основной линией. Он также ведет себя как резонатор, но обычно используется в фильтре нижних частот.приложения с резонансной частотой далеко за пределами интересующего диапазона. На рисунках 3 (d) и 3 (e) показаны связанные линейные структуры, которые полезны в полосовых фильтрах. Структуры на рисунках 3 (c) и 3 (e) имеют эквивалентные схемы, включающие шлейфы, размещенные последовательно с линией. Такую топологию просто реализовать в схемах с разомкнутым проводом, но не в планарной технологии. Поэтому эти две структуры полезны для реализации эквивалентного элемента серии. [42]

Фильтры нижних частот [ править ]

Микрополосковый фильтр нижних частот, реализованный с помощью заглушек-бабочек в анализаторе спектра Agilent N9344C с частотой 20 ГГц
Рис. 5. Фильтр нижних частот со ступенчатым сопротивлением, сформированный из чередующихся участков линии с высоким и низким импедансом.

Фильтр нижних частот может быть реализован достаточно непосредственно от топологии лестницы с сосредоточенными элементами прототип с ступенчатым фильтром импеданса , показанным на рисунке 5. Это также называется каскадом линия дизайном. Фильтр состоит из чередующихся участков линий с высоким и низким импедансом, которые соответствуют последовательным катушкам индуктивности и шунтирующим конденсаторам в реализации с сосредоточенными элементами. Фильтры нижних частот обычно используются для подачи постоянного тока смещения на активные компоненты. Фильтры, предназначенные для этого применения, иногда называют дросселями.. В таких случаях каждый элемент фильтра имеет длину λ / 4 (где λ - длина волны сигнала основной линии, который должен быть заблокирован от передачи в источник постоянного тока), а участки линии с высоким импедансом должны быть узкими. так как технология изготовления позволит максимально увеличить индуктивность. [43] Дополнительные секции могут быть добавлены по мере необходимости для работы фильтра так же, как они были бы для аналога с сосредоточенными элементами. Помимо показанной плоской формы, эта структура особенно хорошо подходит для коаксиальных реализаций с чередующимися дисками из металла и изолятора, навинченными на центральный провод. [44] [45] [46]

Рис. 6. Другой вариант фильтра нижних частот со ступенчатым сопротивлением, включающий шунтирующие резонаторы.

Более сложный пример конструкции ступенчатого импеданса представлен на рисунке 6. И снова узкие линии используются для реализации катушек индуктивности, а широкие линии соответствуют конденсаторам, но в этом случае аналог с сосредоточенными элементами имеет резонаторы, соединенные шунтом через основную линию. Эта топология может быть использована для создания эллиптических фильтров или фильтров Чебышева с полюсами затухания в полосе задерживания . Однако вычисление значений компонентов для этих структур - сложный процесс, в результате которого дизайнеры часто предпочитают реализовывать их в виде фильтров, производных от m , которые работают хорошо и их намного проще вычислить. Целью включения резонаторов является улучшение подавления полосы задерживания.. Однако за пределами резонансной частоты резонатора наивысшей частоты подавление полосы задерживания начинает ухудшаться по мере того, как резонаторы движутся в сторону холостого хода. По этой причине фильтры, построенные с такой конструкцией, часто имеют дополнительный одиночный конденсатор ступенчатого сопротивления в качестве заключительного элемента фильтра. [47] Это также обеспечивает хорошее подавление на высокой частоте. [48] [49] [50]

Рисунок 7. Фильтры нижних частот, построенные из шлейфов.
  1. Стандартные заглушки на чередующихся сторонах главной линии на расстоянии λ / 4 друг от друга.
  2. Аналогичная конструкция с использованием заглушек-бабочек.
  3. Различные формы пней, соответственно сдвоенные параллельно пеньки, радиальный пень, пень-бабочка (параллельные радиальные пеньки), пень клеверного листа (тройные параллельные радиальные пеньки).

Другой распространенный метод проектирования нижних частот заключается в реализации шунтирующих конденсаторов в виде шлейфов с резонансной частотой, установленной выше рабочей частоты, так что сопротивление шлейфа в полосе пропускания является емкостным. Эта реализация имеет аналог с сосредоточенными элементами общей формы, аналогичную фильтру на фиг. 6. Там, где позволяет пространство, заглушки могут быть установлены на альтернативных сторонах основной линии, как показано на фиг. 7 (а). Это делается для предотвращения связи между соседними шлейфами, которая ухудшает характеристики фильтра из-за изменения частотной характеристики. Однако конструкция со всеми заглушками на одной стороне по-прежнему является допустимой конструкцией. Если требуется, чтобы шлейф был линией с очень низким импедансом, шлейф может быть неудобно широким. В этих случаях одним из возможных решений является параллельное соединение двух более узких шлейфов. То есть на каждой позиции заглушки есть заглушка.обе стороны линии. Недостатком этой топологии является то, что возможны дополнительные поперечные резонансные моды на длине λ / 2 линии, образованной двумя шлейфами вместе. Для конструкции дросселя требуется просто сделать емкость как можно большей, для чего можно использовать максимальную ширину шлейфа λ / 4 с параллельными шлейфами по обе стороны от основной линии. Результирующий фильтр очень похож на фильтр со ступенчатым сопротивлением, показанный на рисунке 5, но был разработан на совершенно других принципах. [43]Трудность с использованием шлейфов такой ширины заключается в том, что точка, в которой они подключаются к основной линии, не определена. Шлейф, который является узким по сравнению с λ, можно считать подключенным по его центральной линии, и вычисления, основанные на этом предположении, точно предсказывают отклик фильтра. Однако для широкого ответвления расчеты, которые предполагают, что боковая ветвь подключена в определенной точке на главной линии, приводят к неточностям, поскольку это уже не является хорошей моделью схемы передачи. Одно из решений этой проблемы - использование радиальных заглушек вместо линейных. Пара радиальных штырей, соединенных параллельно (по одной с каждой стороны от основной линии), называется «бабочкой» (см. Рисунок 7 (b)). Группа из трех параллельных радиальных стержней, которая может быть получена в конце линии, называется клеверным листом. [51] [52]

Полосовые фильтры [ править ]

Полосовой фильтр может быть построен с использованием каких - либо элементов , которые могут резонировать. Фильтры с использованием заглушек однозначно можно сделать полосовыми; возможно множество других структур, некоторые из которых представлены ниже.

Важным параметром при обсуждении полосовых фильтров является относительная полоса пропускания. Это определяется как отношение ширины полосы пропускания к геометрической центральной частоте. Обратное этой величины называется Q-фактор , Q . Если ω 1 и ω 2 - частоты краев полосы пропускания, то: [53]

пропускная способность ,
геометрическая центральная частота и

Фильтр емкостного зазора [ править ]

Рис. 8. Полосковой фильтр с емкостным зазором.

Структура с емкостным зазором состоит из участков линии длиной около λ / 2, которые действуют как резонаторы и соединены "встык" через зазоры в линии передачи. Он особенно подходит для плоских форматов, легко реализуется с помощью технологии печатных схем и имеет то преимущество, что занимает не больше места, чем обычная линия передачи. Ограничение этой топологии состоит в том, что характеристики (особенно вносимые потери ) ухудшаются с увеличением доли полосы пропускания, и приемлемые результаты не достигаются при Q меньше примерно 5. Еще одна трудность с созданием конструкций с низким Q заключается в том, что ширина зазора требуется для быть меньше для более широкой фракционной полосы пропускания. Минимальная ширина зазоров, как и минимальная ширина дорожек, ограничено разрешением технологии печати. [46] [54]

Фильтр параллельных линий [ править ]

Рисунок 9. Фильтр полосковых параллельных линий. Этот фильтр обычно печатается под углом, как показано, чтобы минимизировать занимаемое пространство на плате, хотя это не является существенной особенностью конструкции. Также часто бывает, что оконечный элемент или перекрывающиеся половины двух оконечных элементов имеют меньшую ширину для целей согласования (не показано на этой диаграмме, см. Рисунок 1).

Параллельно соединенные линии - еще одна популярная топология для печатных плат, для которых линии с разомкнутой цепью являются наиболее простыми в реализации, поскольку производство состоит только из печатной дорожки. Конструкция состоит из ряда параллельных резонаторов λ / 2, но только λ / 4 взаимодействует с каждым из соседних резонаторов, таким образом образуя ступенчатую линию, как показано на рисунке 9. С этим фильтром возможны более широкие дробные полосы пропускания, чем с емкостным. щелевой фильтр, но аналогичная проблема возникает на печатных платах, поскольку диэлектрические потери снижают добротность . Нижний - QЛинии требуют более плотного соединения и меньших промежутков между ними, что ограничено точностью процесса печати. Одно из решений этой проблемы - напечатать дорожку на нескольких слоях с перекрытием соседних линий, но не в контакте, потому что они находятся на разных слоях. Таким образом, линии могут быть соединены по их ширине, что приводит к гораздо более сильному сцеплению, чем когда они соединяются между собой, и становится возможным больший зазор для тех же характеристик. [55] Для других (непечатаемых) технологий могут быть предпочтительны линии короткого замыкания, поскольку короткое замыкание обеспечивает механическую точку крепления для линии и Q-восстанавливающие диэлектрические изоляторы не требуются для механической опоры. За исключением механических и сборочных причин, разомкнутая цепь не имеет большого предпочтения перед линиями с коротким замыканием. Обе структуры могут реализовать один и тот же диапазон реализаций фильтров с одинаковыми электрическими характеристиками. Оба типа фильтров с параллельной связью теоретически не имеют паразитных полос пропускания с удвоенной центральной частотой, как это наблюдается во многих других топологиях фильтров (например, шлейфах). Однако подавление этой паразитной полосы пропускания требует точной настройки связанных линий, что не реализуется на практике, поэтому на этой частоте неизбежно остается некоторая остаточная паразитная полоса пропускания. [46] [56] [57]

Микрополосковый фильтр с шпилькой для печатной платы, реализованный в анализаторе спектра Agilent N9344C
Микрополосковый фильтр со шпилькой, за которым следует заглушка фильтра нижних частот на печатной плате в анализаторе спектра Agilent N9344C с частотой 20 ГГц
Рис. 10. Полосовой фильтр-шпилька.

Фильтр-шпилька - это еще одна структура, в которой используются параллельные линии. В этом случае каждая пара параллельно соединенных линий соединяется со следующей парой коротким звеном. Образованные таким образом U-образные формы дали начало названию фильтра- шпильки . В некоторых конструкциях связь может быть длиннее, что дает широкую шпильку с трансформатором импеданса λ / 4 между секциями. [58] [59]Угловые изгибы, показанные на рисунке 10, являются общими для полосковых конструкций и представляют собой компромисс между острым прямым углом, который приводит к большой неоднородности, и плавным изгибом, который занимает большую площадь платы, которая может быть сильно ограничена в некоторых продуктах. Такие изгибы часто можно увидеть на длинных заглушках, где иначе их нельзя было бы разместить в доступном пространстве. Эквивалентная схема с сосредоточенными элементами такого разрыва подобна разрыву со ступенчатым сопротивлением. [38] Примеры таких заглушек можно увидеть на входах смещения для нескольких компонентов на фотографии в верхней части статьи. [46] [60]

Межпальцевой фильтр [ править ]

Рисунок 11. Полосковый встречно-штыревой фильтр.
Три встречно-штыревых линейных фильтра с печатной платы анализатора спектра

Встречно-штыревые фильтры - это еще одна форма фильтров для связанных линий. Каждая секция линии имеет длину около λ / 4 и заканчивается коротким замыканием только на одном конце, а другой конец остается разомкнутым. Короткозамкнутый конец чередуется на каждом участке линии. Эту топологию легко реализовать в планарных технологиях, но также она особенно подходит для механической сборки линий, закрепленных внутри металлического корпуса. Линии могут быть либо круглыми стержнями, либо прямоугольными стержнями, и стыковка с линией коаксиального формата проста. Как и в случае линейного фильтра с параллельной связью, преимущество механической конструкции, не требующей изоляторов для поддержки, состоит в том, что исключаются диэлектрические потери. Требование к интервалу между строками не такое жесткое, как в структуре параллельных строк; как таковая, может быть достигнута более высокая фракционная пропускная способность,иВозможны значения Q до 1,4. [61] [62]

Гребенчатый фильтр подобен встречно-штыревому фильтру в том, что он поддается механической сборке в металлическом корпусе без диэлектрической опоры. В случае гребенчатой ​​линии все линии закорачиваются на одном конце, а не на разных концах. Другие концы соединены конденсаторами с землей, и, следовательно, конструкция классифицируется как полугруппа. Основное преимущество этой конструкции состоит в том, что верхнюю полосу задерживания можно сделать очень широкой, то есть без паразитных полос пропускания на всех интересующих частотах. [63]

Шлейфовые полосовые фильтры [ править ]

Рис. 12. Полосковый шлейф-фильтр, состоящий из короткозамыкающих шлейфов λ / 4.

Как упоминалось выше, заглушки подходят для полосовой конструкции. В общих чертах они похожи на шлейфовые фильтры нижних частот, за исключением того, что основная линия больше не является узкой линией с высоким сопротивлением. Разработчики могут выбирать из множества различных топологий заглушек, некоторые из которых дают одинаковые ответы. Пример заглушки фильтра показан на рисунке 12; он состоит из ряда короткозамкнутых шлейфов λ / 4, соединенных между собой трансформаторами импеданса λ / 4. Шлейфы в корпусе фильтра представляют собой двойные параллельные шлейфы, в то время как шлейфы на концевых секциях являются только одиночными, что дает преимущества согласования импеданса. Трансформаторы импеданса преобразуют ряд шунтирующих антирезонаторов в лестницу из последовательных резонаторов и шунтирующих антирезонаторов.Фильтр с аналогичными свойствами может быть сконструирован с помощью шлейфов разомкнутой цепи λ / 4, размещенных последовательно с линией и соединенных вместе с трансформаторами импеданса λ / 4, хотя такая структура невозможна в планарных технологиях.[64]

Рис. 13. Заглушка Konishi 60 ° в форме бабочки.

Еще одна доступная структура - это шлейфы разомкнутой цепи λ / 2 на линии, соединенные с трансформаторами импеданса λ / 4. Эта топология имеет характеристики как низких частот, так и полосы пропускания. Поскольку он пропускает постоянный ток, можно передавать напряжение смещения на активные компоненты без необходимости в блокирующих конденсаторах. Кроме того, поскольку не требуются перемычки короткого замыкания, при реализации в виде полосковой линии не требуется никаких сборочных операций, кроме печати на плате. Недостатки: (i) фильтр будет занимать больше места на плате, чем соответствующий фильтр-шлейф λ / 4, так как все шлейфы в два раза длиннее; (ii) первая паразитная полоса пропускания имеет значение 2ω 0 , в отличие от 3ω 0 для шлейфового фильтра λ / 4. [65]

Кониши описывает широкополосный полосовой фильтр 12 ГГц, в котором используются шлейфы типа «бабочка» с углом 60 °, а также имеется низкочастотный отклик (для предотвращения такого отклика требуются шлейфы короткого замыкания). Как это часто бывает с фильтрами с распределенными элементами, форма полосы, на которую классифицируется фильтр, в значительной степени зависит от того, какие полосы требуются, а какие считаются ложными. [66]

Фильтры высоких частот [ править ]

Настоящие фильтры верхних частот сложно, если вообще возможно, реализовать с распределенными элементами. Обычный подход к проектированию - начать с конструкции с полосой пропускания, но сделать верхнюю полосу задерживания на такой высокой частоте, что это не представляет интереса. Такие фильтры описываются как псевдо-верхние частоты, а верхняя полоса задерживания описывается как рудиментарная полоса задерживания. Даже структуры, которые кажутся имеющими «очевидную» топологию верхних частот, такие как емкостный щелевой фильтр на рисунке 8, оказываются полосовыми, если учитывать их поведение для очень коротких длин волн. [67]

См. Также [ править ]

  • RF и микроволновый фильтр
  • Волноводный фильтр
  • Сперлайн
  • Делители мощности и направленные ответвители

Ссылки [ править ]

  1. ^ Баль, pp.290-293.
  2. ^ Benoit, pp.44-51.
  3. ^ Лундстрем, pp.80-82
  4. ↑ Коннор, стр.13–14.
  5. ^ Golio, pp.1.2-1.3,4.4-4.5.
  6. ^ Matthaei et al. С. 17–18.
  7. ^ Rogers et al. , стр.129.
  8. ^ Терстон, стр. 570
  9. ^ Мейсон и Сайкс, 1937.
  10. ↑ Мейсон, Уоррен П., «Волновой фильтр», патент США 1781469 , подана 25 июня 1927 г., выдана 11 ноября 1930 г.
  11. ^ Fagen и Мильман, с.108.
  12. ^ Ragan, 1965.
  13. ^ Makimoto и Ямашита, стр.2.
  14. ^ Леви и Cohn, p.1055.
  15. ^ Ричардс, 1948.
  16. ^ a b Леви и Кон, стр.1056.
  17. ^ Леви и Cohn, p.1057.
  18. Перейти ↑ Young, 1963.
  19. ↑ Леви, 1967.
  20. ^ Aksun, с.142.
  21. ^ Барретт и Барнс, 1951,
    Барретт, 1952,
    Нихенке и др. , стр.846.
  22. ^ Саркар, pp.556-559.
  23. ↑ Кон, 1958.
  24. ^ Маттеи, 1962.
  25. ^ Маттеи, 1963.
  26. ^ Matthaei et al. , 1964.
  27. ^ Леви и Cohn, pp.1057-1059.
  28. Перейти ↑ Cristal and Frankel, 1972.
  29. ^ Леви и Cohn, p.1063.
  30. ^ Niehenke et al. , стр.847.
  31. ^ Леви и Cohn, p.1065.
  32. ^ Huurdeman, pp.369-371.
  33. ↑ Бенуа, стр.34.
  34. ^ Форд и Сондерс, pp.157-159.
  35. ^ а б в г Бхат и Коул, стр. 498.
  36. ^ Matthaei et al. , с.144–149, 203–207.
  37. ^ Бхат и Koul, p.539.
  38. ^ а б в Бхат и Коул, стр.499.
  39. ^ Matthaei et al. С. 203–207.
  40. ^ Карр, pp.63-64.
  41. ^ Matthaei et al. , pp.217–218.
  42. ^ Matthaei et al. , стр.217–229.
  43. ^ а б Кнеппо, стр 213–214.
  44. ^ Matthaei et al. , стр.373–374.
  45. ^ Ли, pp.789-790.
  46. ^ а б в г Севги, с.252.
  47. ↑ Хонг и Ланкастер, стр. 217.
  48. ^ Matthaei et al. , pp.373–380.
  49. ^ Ли, pp.792-794.
  50. ^ Кнеппо, С.212.
  51. ^ Ли, pp.790-792.
  52. ^ Кнеппо, pp.212-213.
  53. ^ Farago, с.69.
  54. ^ Matthaei et al. , pp.422, 440–450.
  55. ^ Matthaei et al. , pp.585–595.
  56. ^ Matthaei et al. , pp.422, 472–477.
  57. ^ Кнеппо, pp.216-221.
  58. ^ Hong и Ланкастер, pp.130-132.
  59. ^ Жарри и Beneat, с.15.
  60. ^ Паоло, pp.113-116.
  61. ^ Matthaei et al. , pp.424, 614–632.
  62. ↑ Хонг и Ланкастер, стр.140.
  63. ^ Matthaei et al. , pp.424, 497–518.
  64. ^ Matthaei et al. , pp.595–605.
  65. ^ Matthaei et al. , стр.605–614.
  66. ^ Кониши, pp.80-82.
  67. ^ Matthaei et al. , с.541.

Библиография [ править ]

  • Бахл, И.Дж. Элементы с сосредоточенными параметрами для ВЧ- и СВЧ-схем , Artech House, 2003 ISBN  1-58053-309-4 .
  • Барретт, Р.М. и Барнс, М.Х. "Микроволновые печатные схемы", Radio Telev. , т.46 , с. 16 сентября 1951 г.
  • Барретт Р.М. «Протравленные листы служат в качестве компонентов СВЧ», Электроника , том 25 , стр. 114–118, июнь 1952 г.
  • Бенуа, Спутниковое телевидение Эрве : методы аналогового и цифрового телевидения , Баттерворт-Хайнеманн, 1999 ISBN 0-340-74108-2 . 
  • Бхат, Бхарати и Коул, Шибан К. Полосковые линии передачи для СВЧ интегральных схем , New Age International, 1989 ISBN 81-224-0052-3 . 
  • Карр, Джозеф Дж . Справочник по радиоприемнику для техника , Newnes, 2001 ISBN 0-7506-7319-2 
  • Кон, С.Б. "Параллельно связанные резонаторные фильтры линий передачи" , IRE Transactions: Microwave Theory and Techniques , vol.MTT-6 , pp. 223–231, апрель 1958.
  • Коннор, FR Wave Transmission , Edward Arnold Ltd., 1972 ISBN 0-7131-3278-7 . 
  • Кристал, Э. Г. и Франкель, С. «Шпильчатые линейные / полуволновые фильтры с параллельной связью» , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , vol.MTT-20 , pp. 719–728, ноябрь 1972.
  • Фейген, доктор медицины, и Миллман, С. История инженерии и науки в системе Bell: Том 5: Науки о коммуникациях (1925–1980) , AT&T Bell Laboratories, 1984.
  • Фараго, П.С. Введение в линейный сетевой анализ , English Universities Press, 1961.
  • Форд, Питер Джон и Сондерс, Джорджия Возвышение сверхпроводников , CRC Press, 2005 ISBN 0-7484-0772-3 . 
  • Голио, Джон Майкл Справочник по радиочастотам и микроволновому излучению , CRC Press, 2001 ISBN 0-8493-8592-X . 
  • Хун, Цзя-Шэн и Ланкастер, Микрополосковые фильтры MJ для ВЧ / СВЧ-приложений , John Wiley and Sons, 2001 ISBN 0-471-38877-7 . 
  • Хурдеман, Антон А. Всемирная история электросвязи , Wiley-IEEE, 2003 ISBN 0-471-20505-2 . 
  • Джарри, Пьер и Бенеа, Жак Дизайн и реализация миниатюрных фрактальных микроволновых и радиочастотных фильтров , Джон Вили и сыновья, 2009 ISBN 0-470-48781-X . 
  • Kneppo, Иван Микроволновые интегральные схемы , Springer, 1994 ISBN 0-412-54700-7 . 
  • Кониси, Йошихиро Микроволновые интегральные схемы , CRC Press, 1991 ISBN 0-8247-8199-6 . 
  • Ли, Томас Х. Планарная микроволновая техника: Практическое руководство по теории, измерениям и схемам , Cambridge University Press, 2004 ISBN 0-521-83526-7 . 
  • Леви, Р. «Теория фильтров с прямым соединением резонаторов» , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , vol.MTT-15 , pp. 340–348, июнь 1967.
  • Леви, Р. Кон, С.Б., «История исследований, проектирования и разработки микроволновых фильтров» , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , стр. 1055–1067, том 32 , выпуск 9, 1984.
  • Lundström, Lars-Ingemar Understanding Digital Television , Elsevier, 2006 ISBN 0-240-80906-8 . 
  • Макимото, Мицуо и Ямасита, Садахико "Микроволновые резонаторы и фильтры для беспроводной связи: теория, конструкция и применение" , Springer, 2001 ISBN 3-540-67535-3 . 
  • Мейсон, В.П. и Сайкс, Р.А. «Использование коаксиальных и симметричных линий передачи в фильтрах и широкополосных трансформаторах для высоких радиочастот» , Bell Syst. Tech. J. , том 16 , стр. 275–302, 1937.
  • Matthaei, GL «Межштырьковые полосовые фильтры» , IRE Transactions: Microwave Theory and Techniques , vol.MTT-10 , pp. 479–491, ноябрь 1962 г.
  • Маттеи, GL "Comb-линии полосовые фильтры узкой или средней пропускной способности", Microwave Journal , т.6 , стр. 82-91, август 1963 года.
  • Matthaei, George L .; Янг, Лео и Джонс, Микроволновые фильтры EMT , согласованные по импедансу сети и соединительные конструкции МакГроу-Хилл, 1964 г. (издание 1980 г. - ISBN 0-89006-099-1 ). 
  • Niehenke, EC; Пьюсель, Р.А. и Бахл , И.Дж. " Интегральные схемы микроволнового и миллиметрового диапазонов" , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , vol.50 , Issue . 3 марта 2002 г., стр. 846–857.
  • Ди Паоло, Франко сети и устройства, использующие плоские линии передачи , CRC Press, 2000 ISBN 0-8493-1835-1 . 
  • Раган, Г.Л. (ред.) Микроволновые передающие цепи , Радиационная лаборатория Массачусетского технологического института, Dover Publications, 1965.
  • Ричардс, П. И. "Цепи резистора и линии передачи" , Труды IRE , том 36 , стр. 217–220, февраль 1948 г.
  • Роджерс, Джон WM и Плетт, Calvin Radio Frequency Integrated Circuit Design , Artech House, 2003 ISBN 1-58053-502-X . 
  • Саркар, Тапан К. История беспроводной связи , John Wiley and Sons, 2006 ISBN 0-471-71814-9 . 
  • Севги, Левент Комплексные электромагнитные проблемы и подходы к численному моделированию , Wiley-IEEE, 2003 ISBN 0-471-43062-5 . 
  • Терстон, Роберт Н., "Уоррен П. Мейсон: 1900-1986" , Журнал Акустического общества Америки , вып. 81, вып. 2, стр. 570-571, февраль 1987 г.
  • Янг, Л. «Фильтры резонатора с прямой связью для широкой и узкой полосы пропускания» IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , vol.MTT-11 , pp. 162–178, May 1963.