|
|
Глава 4. Элементы УЧС ВЧ и СВЧ и системы их параметров 121Стр 1 из 7Следующая ⇒ Унру Н.Э. Основы построения устройств частотной селекции ВЧ и СВЧ радиосигналов: Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. - 136 с.
В пособии изложены основы построения устройств частотной селекции радиосигналов ВЧ и СВЧ. Пособие носит справочный характер и предназначено для использования студентами радиотехнических специальностей при выполнении ими курсовой работы, практических и лабораторных работ, дипломного и курсового проектирования радиоприемных и радиопередающих устройств.
© Новосибирский государственный технический университет, 2013 г. Оглавление
Список принятых сокращений 5 Условные обозначения 5 Предисловие 7 Введение 9 Глава 1. Основные понятия 9 1.1. Классификация и характеристические параметры УЧС 9 1.2. Области применения УЧС различных типов 15 Глава 2. 16 2.1. Условия физической осуществимости 16 2.2. Методы аппроксимации характеристик затухания 18 Глава 3. Синтез фильтров 22 3.1. Методы синтеза фильтров различных типов 22 3.2. Учет влияния диссипативных потерь на электрические характеристики фильтров 28 3.3. Синтез ФНЧ на сосредоточенных элементах 29 3.4. Синтез ФВЧ на сосредоточенных элементах 34 3.5. Синтез полиномиальных ППФ на сосредоточенных элементах 37 3.6. Синтез квазиполиномиальных ППФ на сосредото- ченных элементах 42 3.7. Синтез ППФ с эллиптической АЧХ на сосредоточенных Элементах 57 3.8. Синтез полиномиальных ПЗФ на сосредоточенных элементах 68 3.9. Синтез ФНЧ на полусосредоточенных элементах 74 3.10. Синтез ППФ из отрезков СПЛ, связанных емкостными Зазорами 80 3.11. Синтез ППФ на полуволновых резонаторах СПЛ с боковой связью 83 3.12. Синтез ППФ с параллельными четвертьволновыми короткозамкнутыми шлейфами и четвертьволновыми линиями связи 86 3.13. Синтез ППФ на спиральных резонаторах 90 3.14. Синтез ППФ на встречных стержнях 95 3.15. Синтез гребенчатых ППФ 101 3.16. Определение геометрических размеров стержней встречно-стержневых и гребенчатых ППФ 105 3.17. Синтез ПЗФ с параллельными четвертьволновыми разомкнутыми шлейфами и четвертьволновыми линиями связи 117 Глава 4. Элементы УЧС ВЧ и СВЧ и системы их параметров 121 4.1. Материалы 121 Проводники 121 4.1.2. Диэлектрики 122 4.2. Сосредоточенные элементы 123 Индуктивности 123 Емкости 125 Распределенные элементы 125 4.3.1. Двухпроводная линия передачи 129 Коаксиальная линия передачи 129 Симметричная полосковая линия 130 Несимметричная полосковая линия 132 Заключение 133 Литература 133 Список принятых сокращений
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика ВЧ – высокие частоты ДЦС – дополнительная цепь связи КСВН – коэффициент стоячей волны напряжения МПЛ – микролосковая линия передачи НСПЛ – несимметричная полосковая линия ОЛП – однородная линия передачи ПЗ – полоса задерживания ПЗФ – полоснозадерживающий (режекторный) фильтр ПП – полоса пропускания ППФ – полоснопропускающий фильтр СВЧ – сверхвысокие частоты СПЛ – симметричная полосковая линия УЧС – устройство частотной селекции ФВЧ – фильтр верхних частот ФНЧ – фильтр нижних частот Условные обозначения (в прямоугольных скобках указаны написания соответствующих идентификаторов, используемые в программах, если их вид в чём-то отличается от указанного ниже)
k -ым и k+1 -ым стержнями;
F – относительная (нормированная) частота;
v – объем ППФ, м3;
Предисловие
В настоящем учебном пособии изложены основы построения устройств частотной селекции радиосигналов ВЧ и СВЧ. Пособие имеет выраженный справочный характер и предназначено для использования студентами радиотехнических специальностей факультета радиотехники и электроники НГТУ при выполнении ими курсовой работы, практических и лабораторных работ во время изучения курса “Устройства СВЧ систем радиосвязи и телевидения ”. Кроме того, оно будет также полезным при выполнении дипломной работы и курсового проектирования радиоприемных и радиопередающих устройств. Практическое применение данного пособия ориентировано на пользователей, имеющих возможности и навыки работы с математическим пакетом Mathcad 15 [ 5 - 7, 11, 17, 22 и др.]. Пользователям следует иметь в виду, что программы составлялись таким образом, что они могут быть использованы как составные элементы более сложных вычислительных процедур. Программные коды Mathcad, представленные в виде рисунков, объединяют в себе аналитические выражения, численный пример (иногда с графиком) и собственно саму программу, что делает изложение более лаконичным. Номер рисунка (если на нём приведён код программы для пакета MathCAD) данного пособия одновременно является именем одной из прилагаемых программ (текст программа 1-1-3.mcd представлен на рис. 1.1.3). Литература, ссылки на которую приводятся (порой вместе с указанием страниц) в заголовках разделов, может содержать более полную и подробную информацию. Введение УЧС представляет собой либо просто отдельный фильтр, либо устройство, построенное на основе отдельных фильтров, и играет важную роль в системах связи и контрольно-измерительных устройствах. Основным назначением УЧС является подавление одних частотных составляющих радиосигнала и обеспечение хорошей передачи других. Кроме этого, УЧС находят применение для разделения/сложения (мультиплексирования) радиосигналов различных частот, а также для согласования различных сопротивлений в диапазоне частот.
Глава 1
Основные понятия
F
г) АЧХ ПЗФ
Рис. 1.1.2. Системы характеристических параметров фильтров
Важнейшим параметром УЧС является его функция рабочего затухания. Если для фильтра определена его
где Коэффициенты отражения со входа и выхода фильтра вычисляются по формулам
и
соответственно, где
На ВЧ и СВЧ очень удобно применение матрицы рассеяния Если фильтр является чисто реактивным четырехполюсником, то взаимосвязь между КСВН, УЧС, вообще, и фильтры, в частности, как правило, проектируются для случая При рассмотрении АЧХ фильтров обычно различают два частотных диапазона: − “ближняя зона” – для ФНЧ и ППФ (ФВЧ и ПЗФ) это ПП и частоты переходной полосы, отстоящие от ПП (ПЗ) примерно на величину ПП (ПЗ); − “дальняя зона” – остальная часть АЧХ. Поскольку на ВЧ и СВЧ чаще других применяются именно ППФ, то для сравнительной оценки ППФ, могущим удовлетворять одним и тем же требованиям, с различными видами
Рис. 1.1.4. Взаимосвязь между КСВН, Г и
По величине QF можно судить о качестве проектирования и изготовления фильтра. Считается, что при QF > 3.5 конструктивно-технологическое решение фильтра неудачно и его необходимо совершенствовать; при QF < 3 качество фильтра высокое, а при QF << 3 – очень высокое.
Рис. 1.1.5. Показатель качества неперестраиваемых ППФ
Аналогичный показатель для перестраиваемых ППФ выглядит, как показано на рис. 1.1.6 [32, 44].
Рис. 1.1.6. Показатель качества перестраиваемых ППФ К неэлектрическим характеристическим параметрам УЧС относятся: габариты, масса, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям, требования к технологии изготовления, стоимость.
1.2. Области применения УЧС различных типов [1, 27]
На рис. 1.2.1 и 1.2.2 показаны ориентировочные области применения фильтров некоторых типов, где цифрами на рис. 1.2.1 обозначены различного конструктивного исполнения: 1 – LC, 2 – кварцевые, 3 – спиральные, 4 – коаксиальные, 5 – волноводные, а на рис. 1.2.2: 1 – активные RC-фильтры, 2 – на поверхностных акустических волнах, 3 – гребенчатые и встречно-стержневые.
103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 Рис. 1.2.1. Области применения фильтров различных типов
1 2 3
103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 Рис. 1.2.2. Области применения фильтров различных типов
Глава 2
2.1. Условия физической осуществимости [1, 4] Процесс синтеза электрической схемы можно разбить на два этапа: · аппроксимацию или получение математического выражения частотной зависимости затухания в виде функции, удовлетворяющей условиям физической осуществимости; · реализацию или представление этого выражения в виде идеализированной схемы. Требуемая частотная зависимость затухания, как правило, по условиям задачи задается в табличной или графической форме. Задача реализации заключается в отыскании электрической схемы, характеристики которой описывались бы заданной функции схемы. Основной интерес при синтезе линейных электрических цепей представляют передаточные функции вида:
где m и n - степени полиномов числителя и знаменателя соответственно. Под передаточной функцией будем понимать отношение выходной величины ко входной. Другая форма представления передаточной функции после разложении полиномов числителя и знаменателя на линейные множители показана на рис. 2.1.1. Условия физической осуществимости передаточных функций следующие: 1. Передаточная функция должна быть рациональной функцией переменного 2. Полюсы передаточной функции могут быть расположены в левой полуплоскости. Нули передаточной функции цепей лестничной структуры не могут находиться в правой полуплоскости.
Рис. 2.1.1. Вид передаточной функции
В некоторых случаях к аппроксимирующей функции предъявляются те или иные дополнительные требования (например, равенство её резистивных нагрузок), на выполнение которых расходуется часть варьируемых параметров. В теории фильтров общепринято так называемое нормирование по частоте, в результате чего расчет различных типов фильтров, работающих в различных диапазонах частот, приводится к расчету нормированного ФНЧ, имеющего частоту среза Наибольшее распространение нашли следующие показанные на рис. 2.2.1 - 2.2.3 методы аппроксимации электрических характеристик. Выражение для функции рабочего затухания ФНЧ
Рис. 2.2.1. Функции фильтрации и АЧХ ФНЧ Баттерворта и Чебышева
Рис. 2.2.2. Функция фильтрации АЧХ ФНЧ дроби Чебышева
Рис. 2.2.3. АЧХ эллиптического ФНЧ (Золотарёва-Кауэра) Глава 3
Синтез фильтров
Глава 4 Материалы
4.1.1. Проводники [4, 25] Некоторые из основных параметров, наиболее часто используемых на ВЧ и СВЧ металлах и сплавах, приведены в табл. 4.1.1. Удельное поверхностное сопротивление проводника вычисляется по формуле
Таблица 4.1.1 Основные параметры некоторых металлов и сплавов
4.1.2. Диэлектрики [4, 20, 23, 33] Некоторые из основных параметров, наиболее часто используемых на ВЧ и СВЧ диэлектриков, приведены в табл. 4.1.2.
Таблица 4.1.2 Основные параметры диэлектриков
©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.
|
– затухание, дБ;
[ a0] – затухание в полосе пропускания, дБ;
[ as, ams, aps] – затухания в полосе задерживания, дБ;
– расстояние между основаниями (наружными проводниками) СПЛ и диаметр внешнего проводника коаксиальной линии, м;
[ c0] – скорость света, 
;
– нормированная собственная емкость k -ого стержня на землю;
– нормированная взаимная емкость между
[ d0 ] – диаметр спирали и катушки индуктивности, м;
[ dп ] – диаметр провода, м;
– э. д. с. источника сигнала, В;
– пробивное напряжение, В;
– частота, Гц;
[ f0] – средняя частота ПП ППФ, Гц 
или 
, Гц;
[ fp1, fm1 ] – граничные частоты полосы пропускания, Гц;
, 
– минимальная и максимальная частоты диапазона перестройки перестраиваемого ППФ;
[ fps, fms ] – граничные частоты полосы задерживания, Гц;
– расстояние между проводником и основанием НСПЛ, м;
– коэффициент передачи по мощности;
– коэффициент термического линейного расширения, 
;
[ 
] – добротность ОЛП;
[ 
] – добротность резонатора на основе ОЛП;
[ RI ] – активное сопротивление устройства на входе, Ом;
[ RO ] – активное сопротивление устройства на выходе, Ом;
[ Rs ] – удельное поверхностное сопротивление (сопротивление квадрата), Ом;
– электрическая длина резонатора, град. (рад.);
– толщина центрального проводника СПЛ и НСПЛ, м;
- тангенс угла диэлектрических потерь;
- температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, 
;
– величина i -ого элемента НЧ прототипа;
– коэффициент затухания, обусловленный потерями в проводнике ОЛП, дБ/м;
– коэффициент затухания, обусловленный потерями в диэлектрике ОЛП, дБ/м;
– коэффициент затухания, обусловленный потерями на излучение ОЛП, дБ/м;
– суммарный коэффициент затухания в ОЛП 
, дБ/м;
– коэффициент отражения;
– неравномерность затухания (пульсации АЧХ) в полосе пропускания, дБ;
– полоса пропускания для ППФ или полоса непропускания для ПЗФ, Гц;
[ 
] – длина волны, соответствующая частоте 
– волновое сопротивление ОЛП, Ом;
– абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, 
;
[ 
] – относительная диэлектрическая проницаемость среды;
[ 
]– эффективная диэлектрическая проницаемость среды;
– круговая частота, рад;
– относительная (нормированная) круговая частота;
– ширина проводника в СЛП и НСЛП, м;
– объемная проводимость, 
.
2 
– матрица, то выражение для функции рабочего затухания имеет вид
– мощность рассеиваемая в 
; 
– максимально возможная мощность, отдаваемая генератором 
. Справедливо выражение 
. Коэффициентом передачи УЧС по мощности будем называть выражение 
, а под АЧХ подразумевается или 
, или 
.
и 
– входное и выходное сопротивления фильтра соответственно. Очевидно, что 
. КСВН определяется выражением
.
. В этом случае 
, 
, если соответственно выход или вход у устройства согласованны.
, а в случае 
примененяют дополнительные согласующие цепи [28] или подвергают параметры оконечных элементов фильтра дополнительной оптимизации.
]; Кпр – коэффициент прямоугольности, равный отношению полосы пропускания ППФ по уровню 3 дБ к полосе пропускания по уровню 
дБ. Под объемом ППФ понимают физический объем, учитывающий все необходимые для работы фильтра приспособления (экраны, термостаты, магниты и прочее), но не включающий его входные и выходные разъёмы.
1 3 4
20
10
4
2
0,4
0,2
0,1 5
0,04 2
0,01
,Гц
20
2
1
0,4
0,2
0,1
0,01
,
с вещественными коэффициентами, т. е. принимающей вещественные значения при вещественных значениях переменного 
. Нули и полюсы передаточных функций могут быть вещественными и комплексно попарно-сопряженными. Они определяют передаточную функцию с точностью до постоянного вещественного множителя.
и сопротивление нагрузки в 1 Ом. Этот нормированный фильтр называется НЧ прототипом. Переход от НЧ прототипа к реальному фильтру производится путем денормирования его элементов и преобразования частоты. Поэтому ограничимся рассмотрением вопросов аппроксимации электрических характеристик ФНЧ.
совпадает с выражением для функции фильтрации соответствующего полинома.
, а значения коэффициента g можно найти в таблице 4.1.1.
