Фильтры полосовые с электромагнитной связью между резонаторами

Фильтр нижних частот из отрезков микрополосковой линии показан на рис. 32.1.

Секции фильтра нижних частот имеют одинаковую фазовую длину, но разные волновые сопротивления. Типовая частотная характеристика вносимого затухания приводится на рис. 32.2. Фильтры подобного типа используются в диапазоне частот от 1 до 10 ГГц.

Рис. 32.2 Частотная характеристика вносимого затухания ФНЧ из секций МПЛ одинаковой длины [2]

Расчет фильтра производится по следующей методике.

Задают: волновое сопротивление тракта Z0; граничную полосу пропускания ФНЧ f2; максимально допустимый в полосе пропускания КСВ или величину вносимого затухания Аn (дБ), связанного с КСВ следующим соотношением:

граничные частоты полосы заграждения f3 и f4, минимально допустимую в полосе заграждения величину вносимого затухания Ав.

Выбирают: материал подложки ε и толщину h подложки.

Определяют: число секций ФНЧ n; относительную длину секций lλ; волновые сопротивления секций Zi; геометрические размеры секций ФНЧ Wi и li.

Необходимое число секций ФНЧ определяется по формуле

Значение n, вычисленное по формуле (4.2), округляют до ближайшего большего нечетного числа. Соотношение

определяют из таблицы.

– для обеспечения требуемой полосы заграждения необходимо выполнения условия:

– для обеспечения заданной величины Аз в полосе заграждения необходимо выполнение следующего условия:

где fмах соответствует λмах, при которых l =0,25 (величина А λ мах приведена в

– значения Zi в табл. 4.1 для определенного lλ должны быть реализуемы для выбранного материала и толщины подложки.

Фильтры полосовые с электромагнитной связью между резонаторами

Структура фильтра на полуволновых разомкнутых на конце резонаторов с четвертьволновыми электромагнитными связями изображено на рис.32.3. Типовые частотные характеристики вносимого затухания фильтров с максимально-плоской и чебышевской характеристиками представлены на рис. 32.4,а-б.

Расчет фильтров с максимально плоской и чебышевской характеристиками производится следующим образом.

Задают: волновое сопротивление тракта Z0; граничные частоты f1 и f2 полосы пропускания; максимально-допустимый уровень затухания Аn в полосе пропускания; граничные частоты низкочастотной f3 и высокочастотной f4 полос заграждения фильтра; минимально-допустимое затухание Аз в полосе заграждения. Выбирают: материал подложки ε и толщину h подложки. Определяют: ширину МПЛ тракта СВЧ W0 и ширину полосок резонаторов Wi, величину зазоров Si, длины резонаторов li, укорочение концов резонаторов ∆li.

По заданным частотам f1, f2, f3, f4 определяют необходимое число резонаторов n фильтров по следующим формулам:

Рис. 32.3. Фильтр на полу волновых разомкнутых резонаторов с четвертьволновыми электромагнитными связями [2]

Рис. 32.4. Типовых характеристики фильтров: (а) – максимально плоская характеристика, (б) – чебышевская характеристика. [2]

В технике СВЧ мостовые схемы обычно используются как делители мощности на два канала (в равных отношениях при высокой развязке между ними) и как балансные смесители с высокой развязкой между входными каналами.

При использовании мостовой схемы в качестве делителя, энергия подается в плечо 1, распределение мощности энергии происходит в равном соотношении между плечами 2 и 4, а при подаче мощности в плечо 2 энергия распределяется между плечами 1 и 3. В первом случае в плече 3, а во втором–в плече 4 устанавливается оконечная нагрузка.

При использовании мостовой схемы в качестве смесителя энергия подается в плечи 1 и 3, выходными плечами будут 2 и 4.

Регенеративный резонансный усилитель СВЧ представляет собой колебательный контур или резонатор, настроенный в резонанс с входным сигналом, причём в контур тем или иным способом вносится отрицательное сопротивление, компенсирующее потери.

Энергия сигнала, поступающая из антенны в колебательный контур, расходуется на потери эквивалентного контура, определяемые потерями в самом контуре и потерями в подключенной к контуру нагрузке. Если к контуру подключить двухполюсник с отрицательным сопротивлением, то результирующие потери в контуре уменьшатся, а мощность сигнала в нагрузке возрастёт. При этом мощность сигнала из антенны передаётся в нагрузку (например, на вход первого усилительного каскада) без ослабления. Если вносимое в контур отрицательное сопротивление больше собственного сопротивления контура, то есть частично компенсирует не только потери в контуре, но и поглощение энергии нагрузкой, то мощность сигнала в нагрузке оказывается больше, чем мощность сигнала от антенны, и произойдёт усиление сигнала. Если вносимое отрицательное сопротивление полностью компенсирует потери эквивалентного контура вместе с нагрузкой, то в контуре возникнут незатухающие колебания, то есть усилитель превратится в генератор.

С увеличением вносимого в контур отрицательного сопротивления добротность контура возрастает, усиление увеличивается, но уменьшается полоса пропускания.

Рассмотрим схему колебательного контура, имеющего потери (Rк) и нагруженную на активное сопротивление Rн. С помощью положительной обратной связи либо с помощью элементов, обладающих отрицательным дифференциальным сопротивлением, в контур вносится отрицательная проводимость – G (рис. 38.3).

Рис. 38.3. Схема колебательного контура с компенсацией потерь (а)

и его эквивалентная схема на резонансной частоте (б) [1].

Источник сигнала в эквивалентной схеме (б) заменён эквивалентным генератором тока Iс, имеющим внутреннюю проводимость Gc.

Как следует из рисунка (б) на резонансной частоте суммарная проводимость, нагружающая источник, равна:

Если ( т. е. G мала), то контур будет пассивно потреблять и рассеивать энергию источника сигнала.

Если , то в контуре за счёт источника питания будут поддерживаться незатухающие колебания, т. е. он будет регенеративным генератором.

Если т. е. отрицательная проводимость компенсирует положительную проводимость, то контур будет усиливать сигнал за счёт энергии, затрачиваемой на внесение в контур отрицательной проводимости, т. е. будет регенеративным усилителем.

Реализацию регенеративного усилителя можно пояснить на примере усилителя, на туннельном диоде (рис. 38.4).

Рис. 38.4. Регенеративный усилитель на туннельном диоде [1].

Туннельный диод – это прибор с отрицательной дифференциальной проводимостью. Его ВАХ приведена на рис. 38.5.

Рис. 38.5. Вольт – амперная характеристика туннельного диода [1].

На участке 2 – 3 у диода появляется отрицательная проводимость. Если подключить диод к контуру, то эквивалентная схема такого устройства будет точно соответствовать схеме изображённой на рис. 38.3.б.

Как следует из рис. 38.4 источник сигнала и нагрузка, подключены к регенеративному усилителю в одних и тех же точках “а” и “б”. Поэтому будут усиливаться как сигнал, так и собственные шумы нагрузки. Для снижения коэффициента шума усилителя необходимо исключить попадание шумов нагрузки в регенеративный усилитель. В диапазоне СВЧ это обычно достигается применением специальных устройств – циркуляторов.

Циркулятор – это устройство, обеспечивающее направленное распространение потока электромагнитных волн. Упрощённая схема регенеративного усилителя с циркулятором приведена на рис. 38.6.

Энергия принимаемого сигнала от источника Uс попадает в плечо 1 циркулятора (Ц). Далее распространяясь по часовой стрелке, она попадает через плечо 2 в усилитель. Усиленный сигнал через плечо 3 поступает в нагрузку. При несогласованной нагрузке часть энергии усилителя отражается от нагрузки и вместе с её шумами попадает через плечо 4 в согласованный балласт, где и поглощается. Таким образом, шумы нагрузки не подвергаются повторному усилению, благодаря чему достигается уменьшение коэффициента шума усилителя. Среди существующих конструкций циркуляторов широко распространены ферритовые, на основе объёмных волноводов и плоские микрополосковые с плёночными ферритовыми элементами.

Физические принципы, положенные в основу действия параметрических усилителей (ПУ) можно рассмотреть на примере колебательного контура, ёмкость которого можно изменять, варьируя расстояние между обкладками конденсатора (рис. 39.1). Временные диаграммы, поясняющие процессы в контуре, приведены ниже.

Рис. 39.1. Принцип работы параметрического усилителя [1].

Предположим, что на контур действует гармоническое напряжение с периодом Т. При этом напряжение U и электрический заряд q на конденсаторе, также будут меняться по гармоническому закону. Если уменьшать ёмкость конденсатора, быстро раздвигая пластины в моменты максимума напряжения на нём, то напряжение на конденсаторе U=q/C будет возрастать, так как заряд q сохраняется неизменным, а ёмкость С уменьшается. В моменты перехода напряжения U через ноль пластины конденсатора необходимо возвращать в исходное положение. Таким образом, периодическое изменение ёмкости конденсатора вызывает нарастание амплитуды колебаний U, т. е. происходит усиление напряжения. Усиление достигается за счёт энергии, затрачиваемой на раздвижение пластин конденсатора. Таким образом, каждые полпериода в контур как бы накачивается дополнительная энергия. Устройство, обеспечивающее накачку энергии, за счёт которой происходит усиление в ПУ, называется генератором накачки.

Период накачки должен быть в 2 раза меньше периода усиливаемого колебания. В схемах ПУ на СВЧ в качестве управляемого конденсатора используются варикапы. Усиление сигнала в контуре с параметрической ёмкостью можно трактовать как результат внесения в контур отрицательного сопротивления, приводящего к уменьшению потерь в контуре и возрастанию его добротности. Следовательно, ПУ можно рассматривать как регенеративный. Как известно, реактивное сопротивление не вносит в схему теплового шума, поэтому ПУ являются малошумящими.

Из вышеизложенного следует, что в параметрическом усилителе имеются колебания с частотами сигнала и накачки

. Кроме того, с учётом нелинейности параметрической ёмкости, в усилителе появятся гармоники и колебания с комбинационными частотами

Каждую из этих частот можно выделить с помощью резонансной системы. Поэтому обобщённая структурная схема ПУ будет иметь вид, представленный на рис. 38.2.

Рис. 38.2. Структурная схема параметрического усилителя [1].

Для этой схемы можно составить уравнение баланса мощностей.

Учитывая, что мощность колебания Р, его частота f и энергия W связаны соотношением P=fW получим:

Если цепь поглощает мощность, то её обозначают со знаком “+”, если она отдаёт мощность, то со знаком “–”. В рассматриваемой схеме цепь комбинационной частоты пассивная (не содержит источника энергии), она может только поглощать энергию и её мощность всегда будет положительной. Мощности сигнала и накачки в зависимости от соотношения частот могут иметь знак как “+” так и “–”. Нас будет интересовать случай когда и

, тогда уравнение баланса энергий:

Равенства возможны при и Это означает, что энергия, подводится к цепи комбинационной частоты и частоты сигнала, компенсируя потери в них, т. е. в этом случае возможно регенеративное усиление сигнала. Когда частота накачки в 2 раза выше частоты сигнала, т. е. , то комбинационная частота равна частоте сигнала . При этом усиление происходит только на частоте сигнала. Усилитель с таким соотношением частот называется одноконтурным. Его структурная схема приведена на рис. 38.3.

В таком усилителе нагрузка подключается к тому же контуру, к которому подводится усиливаемый сигнал. Поэтому будет происходить усиление, как сигнала, так и шумов нагрузки. Для предотвращения этого, нагрузку следует подключить через циркулятор.

На параметрической ёмкости можно выполнить преобразователь частоты (рис. 38.4).

Рис. 38.4. Регенеративный усилитель – преобразователь [1].

Для этого необходимо обеспечить условие: В этом случае в цепь комбинационной частоты подводится мощность не только от генератора накачки, но и от источника сигнала, а усиление происходит только на комбинационной частоте.

Конструктивно резонансные системы СВЧ ПУ выполняются в виде отрезков объёмных и полосковых волноводов. Энергия в такие системы подаётся с помощью щелей и штырей.

40. Надежность РЭА, основные понятия и определения.

Основные понятия и количественные характеристики надежности.

Современные радиоэлектронные аппараты являются сложными техническими устройствами, которые могут содержать до нескольких тысяч различных элементов. Аппаратура должна удовлетворять целому ряду технических требований, определяющих ее параметры и характеристики. Число таких требований может исчисляться десятками и все они оговариваются в технических условиях (ТУ).
В процессе эксплуатации на аппаратуру могут воздействовать многочисленные внешние факторы: климатические (температура, влажность, давление), механические (вибрации, удары), биологические, электромагнитные, радиационные и другие. Поэтому возникает вопрос: как долго аппаратура сможет работать в таких условиях и с какой степенью уверенности можно гарантировать этот временной интервал? Интегрально это качество аппаратуры называется надежностью. Надежность – это свойство изделия сохранять свои параметры в заданных пределах при оговоренных условиях эксплуатации. Количественные показатели надежности обязательно оговариваются в ТУ.
Даже в правильно спроектированной, качественно изготовленной и грамотно эксплуатируемой аппаратуре время от времени могут возникать отказы. Отказом называется событие, состоящее в нарушении работоспособности, т.е. в выходе одного или нескольких параметров изделия за допустимые пределы. Отказы делятся на внезапные и постепенные. Первые возникают в результате мгновенного изменения одного или нескольких параметров устройства, например, обрывов, коротких замыканий, пробоев, механических повреждений. Постепенные отказы характеризуются относительно медленными изменениями одного или нескольких параметров, при которых они выходят за допустимые пределы. Постепенные отказы определяются процессами электрического и механического старения и износа (снижение крутизны характеристик, уменьшение емкости электролитических конденсаторов, ухудшение изоляции и пр.).
Поскольку отказы являются случайными событиями, в том смысле, что место и время их возникновения невозможно точно спрогнозировать, надежность количественно описывается вероятностными характеристиками.
Основными показателями надежности являются вероятность надежной работы Р(t ≥) и интенсивность отказов λ (t). Под вероятностью безотказной работы элемента или системы понимают вероятность того, что в пределах заданного времени работы t не произойдет ни одного отказа
Р(t) = Р(Т ≥ t),
где Т – время от начала работы до первого отказа.
Ориентировочно определить Р (t) можно статистическим методом, подвергнув испытанию достаточно большое (не меньше нескольких десятков) число изделий No. За время испытаний t часть изделий откажет. Тогда
Р* (t) = (N0 - n (t)) / N0 = 1 - n(t) / N0.
Очевидно, что 0 ≤ Р (t) ≤ 1; Р (0) =1; Р(1) = 0.
Часто пользуются понятием вероятности отказа за время t. Вероятность отказа элемента (системы) q (t) - это вероятность того, что отказ произойдет за время Т не превышающее заданной наработки:
q (t) = Q (T < t).
Статистически q (t) оценивается отношением числа изделий n (t), отказавших за время t, к общему числу изделий N0, исправных в момент

q* (t) = n(t) / N0.
Поскольку вероятность безотказной работы Р (t) и вероятность отказа
q(t) составляют полную группу событий, то
q (t) = 1 - P (t)
Характер функций Р (t) и q (t) приведен на рис. 40.1

Интенсивность отказов λ (t) или условная плотность вероятности возникновения отказов определяется статистически числом изделий
отказавших в течение промежутка времени Δt и числом работоспособных изделий N(t) в начале этого промежутка λ(t) = Δn / N(t)Δt
Интенсивностью отказов характеризуют неремонтируемые элементы и устройства. Зависимость λ (t) от времени для большинства радиоэлементов имеет вид, приведенный на рис. 40.2

На ней можно выделить три характерных участка. Участок 1 отражает этап приработки аппаратуры и имеет повышенную интенсивность отказов вследствие проявления скрытых дефектов, недоброкачественного материала, производственного брака. По мере «выжигания» дефектов интенсивность отказов снижается. Период приработки может составлять для РЭА от десятков до сотен часов. На участке нормальной работы 2 отказы возникают внезапно под влиянием многих случайных факторов и их появление равновероятно во времени, т.е. λ (t) = λ = const.
Участок 3 определяется отказами, вызванными процессами износа и старения.
Вероятность отказа связана с интенсивностью отказов соотношением
Р (t) = е
На этапе нормальной эксплуатации РЭА
Р (t) = е
Эта зависимость получила название экспоненциального закона надежности.
Ее вид приведен на рис. 3.

Рис. 40.3. Экспоненциального закона надежности [1].

На этапе нормальной работы Т0 = 1 / λ0. Поэтому Р (t) = е.
Восстанавливаемые (ремонтируемые) изделия также характеризуются рядом показателей: наработкой на отказ, вероятностью восстановления в заданное время, средним временем восстановления, коэффициентом готовности, сроком службы. В пределах срока службы сложного изделия в нем могут возникать различные неисправности, но после их устранения аппарат будет вновь удовлетворять предъявленным требованиям. За пределами этого срока дальнейшая эксплуатация изделия становится экономически или технически нецелесообразной. По отношению к радиоэлементам и неремонтируемым узлам сроком службы следует считать время до первого отказа.

41. Методика Расчетной оценки надежности РЭА

В простейшем случае при расчетной оценке надежности принимают два допущения:
отказы элементов статистически независимы;
отказ любого элемента приводит к отказу всей системы.
То есть, с точки зрения надежности все элементы как бы соединены последовательно. Поэтому вероятность безотказной работы такой цепочки определяется выражением
Р (t) = Р1 (t) Р2 (t)… РN (t) = П Рi (t),
где Р (t i) – вероятность безотказной работы i -го элемента,
N - количество элементов.
Для участка нормальной работы Р (t) = exp (- t Σ λi)
и наработка до отказа Т = 1∕ Σ λi

Располагая информацией о надежности элементов, из которых состоит конкретный аппарат, можно рассчитать его надежность. При этом обычно аппарат условно разделяют на функциональные или конструктивные блоки, рассчитывают надежность этих блоков, а затем и надежность аппарата в целом. Параметр потока отказов каждого блока определяется через интенсивность отказов элементов. При этом следует, по возможности, учесть влияние условий эксплуатации, температуры и рабочего режима на интенсивность отказа каждого элемента. Деление аппарата на блоки позволяет уже на этапе проектирования выявить наиболее слабые из них по критерию надежности и принять меры к ее повышению.
Количественный расчет показателей надежности аппарата предполагает наличие информации об интенсивности отказов всех входящих в него элементов. Есть специальные справочные таблицы, где приводятся значения для различных радиоэлементов при оговоренных условиях эксплуатации. Если реальный режим работы элементов отличается от этого режима, то изменится и интенсивность отказов. С целью приведения исходных значений к конкретным условиям эксплуатации вводят различные поправки: на коэффициент электрической нагрузки, температуру, влажность, вибрации и др. Особенно сильно зависит надежность от коэффициента электрической нагрузки и температуры. Коэффициент электрической нагрузки определяется отношением рабочей нагрузки, действующей на элемент в схеме, к номинальной величине, оговоренной в технической документации.

Для конденсаторов – это Кн = Uраб / Uном,
для резисторов -- это Кн = Рраб / Рном.
Коэффициент нагрузки для диодов, транзисторов и других полупроводниковых элементов может определяться по току, напряжению, рассеиваемой мощности. При расчете учитывается тот коэффициент, который окажется наибольшим. При проектировании РЭА рекомендуются следующие рабочие коэффициенты нагрузки:
резисторы К = 0,6,
конденсаторы К = 0,3 – 0,7,
диоды К = 0,7 – 0,8,
транзисторы К = 0,5 – 0,8.
С учетом этих соображений табличные значения λ0 при расчете надежности должны быть скорректированы с помощью поправочных коэффициентов зависящих от режима эксплуатации. То есть,
λi = λio α1 α2 α3,
где α 1 - поправочный коэффициент на величину электрической нагрузки,
α 2 - поправочный коэффициент на температуру окружающей среды,
α 3 - поправочный коэффициент, учитывающий климатические условия.
В итоге методика расчетной оценки надежности аппарата сводится к следующему. Для каждого из элементов схемы определяется коэффициент электрической нагрузки и температура окружающей среды. Кроме того, в случае необходимости оговаривается степень воздействия других факторов: вибрации, влажности, давления, радиации и др. С учетом этих данных по соответствующим таблицам определяются поправочные коэффициенты α для каждого элемента схемы аппарата. Полученные данные вместе с исходной (справочной) интенсивностью отказов для каждого элемента заносятся в расчетную таблицу. Естественно, что если в схеме содержатся несколько однотипных элементов, работающих примерно в одинаковых условиях, то количественные данные можно объединить.

1. Садомовский, А. С. Приёмо-передающие радиоустройства и системы связи: учебное пособие для студентов специальности 21020165 / А. С. Садомовский. −Ульяновск: УлГТУ, 2007. – 243 с.

2. Проектирование полосковых устройств СВЧ. Учебное пособие Ульяновск: УлГТУ, 2001