Экспериментальное исследование характеристик шлейфовых полосно-пропускающих фильтров СВЧ с широкими полосами заграждения на симметричной полосковой линии в интересах обеспечения электромагнитной совместимости

Цитирование: Бердышев В. П. Экспериментальное исследование характеристик шлейфовых полосно-пропускающих фильтров СВЧ с широкими полосами заграждения на симметричной полосковой линии в интересах обеспечения электромагнитной совместимости / В. П. Бердышев, Н. В. Копылов // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2023, 16(7). С. 797–804. EDN: HXUATR

По этой причине проведение мероприятий, направленных на обеспечение ЭМС, а также помехозащищённости РЭС, становится обязательным условием сохранения требуемой боеготовности и высокой эффективности использования наземных и бортовых систем управления вооружением.

Мероприятия по обеспечению ЭМС подразделяются на организационные и технические. Комплекс организационных мероприятий («запреты» по частоте, времени и направлению и т.д.) не позволяет решать задачи ЭМС, особенно в военное время при работе большого количества РЭС на ограниченной территории.

Фильтрующие устройства являются основным техническим мероприятиям по обеспечению ЭМС. Фильтрующие устройства применяются для подавления побочных излучений (ПИ) и для борьбы от непреднамеренных помех, воздействующих по паразитным каналам приемника (ПКП), наиболее эффективна частотная фильтрация, которая осуществляется в трактах высокой частоты до нелинейных преобразований сигнала с помощью полосно-пропускающих фильтров (ППФ) СВЧ.

Характеристика частотной избирательности ППФ должна обладать минимальными потерями в полосе пропускания (ПП) и заданным уровнем затухания в полосе заграждения (ПЗ). Ширина полосы заграждения оценивается разностью между её граничными частотами. В соответствии с существующими ГОСТами и стандартами по ЭМС в зависимости от типов РЭС протяжённость полосы заграждения должна составлять от 1:5 до 1:10 (разрядка ППП). Уровни затухания в ПЗ (уровни заграждения) определяются исходя, с одной стороны, из норм на ПИ и ПКП, с другой стороны, из характеристик радиопередающих (РПДУ) и радиоприёмных устройств (РПМУ) и находятся в пределах 60…80 дБ, а в некоторых случаях и более [1].

В связи с этим была поставлена научная задача, которая заключалась в разработке метода построения шлейфовых полосно-пропускающих фильтров СВЧ на ступенчатых неоднородных линиях, позволяющего осуществить выбор структуры и параметров ППФ, обеспечивающих максимальную протяженность полосы заграждения для выполнения требований ЭМС при заданных ограничениях на характеристики затухания в полосах пропускания и заграждения и установленных конструктивно-технологических ограничений по перепаду волновых сопротивлений и допускам на изготовление.

В процессе её решения были разработаны методики и программы для ЭВМ:

Методика компенсации паразитных полос пропускания ППФ СВЧ с широкими полосами заграждения

Суть предлагаемой методики подавления паразитных полос пропускания заключается в компенсации полюсов входного сопротивления однородных отрезков линий передач, соответствующих кратным резонансным частотам, нулями входного сопротивления неоднородной линии и, наоборот, компенсация полюсов неоднородной линии нулями однородной. Следует заметить, что основная резонансная частота этих линий ω0 совпадает [2, 3].

Идея методики пояснена на рис. 1, где изображено распределение резонансных (крестики) и противорезонансных (кружочки) частот однородной (рис. 1а) и неоднородных (рис. 1б, в, г) короткозамкнутых линий. На рис. 1 приняты следующие обозначения: ω 0 – основная резонансная частота; ω_рi, ω_Пi и ω_рi^∞, ω_Пi^о – резонансные и противорезонансные частоты однородной и неоднородной линий соответственно.

. о too 2®о ЗсОо 4®о 5®о 6ю0 (i-!)®o i ®о

а) О--X--о-—^—О-—X--о------сн—X—

®Р1 ®П1 С0р2 ®П2 ®Рз Юд3 ®ПМ ©Pi ® о ю0      Т   ^   t   ^      ^Т

• о) о—s-----О--X--о--S-------^о—►

®Р1    ®П1 ®Р2 ®П2 ®РЗ   ®Pi®Hi^

п             ф        фф

О      СОо I                 II

• в)    о—?н>-^--о-—х--о--^^—о—►

®П1С0?2С0=2 ю" Ш"пз со” <0™! Ш^®

О -4-         t * I t

• г)    0-^5-----О-—X------о---^.....^О—-

• ®Р1  ®П1 ®Р2    ®П2 ®РЗ Юр, ®П;Ю

Рис. 1. Распределение спектра резонансных и противорезонансных частот однородной и неоднородных короткозамкнутых линий

Fig. 1. Distribution of the spectrum of resonant and anti-resonant frequencies of homogeneous and inhomogeneous short-circuited lines

Рассматривая рис. 1, можно сделать вывод о том, что взаимная компенсация нулей и полюсов входного сопротивления однородной и неоднородной линий при совпадении основной резонансной частоты ω 0 позволит подавить паразитные резонансы ОЛ (крестики), возникающие на нечетнократных частотах, например, 3ω 0 , 5ω 0 , 7ω 0 и т.д., нулями входного сопротивления неоднородной линии (РЛ) (кружочки на рис. 1б). Очевидно, что полюса НЛ (крестики на рис. 1б) могут также приводить к появлению паразитных резонансов, поэтому для их исключения необходимо полюса НЛ компенсировать нулями ОЛ, т.е. обеспечивать взаимную компенсацию нулями полюсов за исключением полюса на частоте основного резонанса ω 0.

Методика построения шлейфовых полосно-пропускающих фильтров СВЧ на ступенчатых неоднородных линиях [3, 4, 5]

Основу методики составляет подход Кона, который широко применяется при построении фильтрующих и согласующих устройств СВЧ на однородных линиях по параметрам низкочастотного прототипа и методики компенсации паразитных полос пропускания, позволяющий за счет применения в качестве резонаторов короткозамкнутых ступенчатых неоднородных линий синтезировать структуры с неэквидистантным спектром.

Методика позволяет: синтезировать многоступенчатые короткозамкнутые для обеспечения требуемой разрядки паразитных полос пропускания за счет компенсации паразитных полос пропускания и определять параметры многоступенчатых линий (электрическую длину и значения волновых сопротивлений ступенек); выбирать структуру и параметры многорезонаторных шлейфовых ППФ СВЧ с четвертьволновыми связями и резонаторами, обеспечивающие требуемую разрядку паразитных полос пропускания для обеспечения ЭМС, и исследовать их потенциальные характеристики; получать при случайных отклонениях параметров шлейфовых ППФ СВЧ на ступенчатых неоднородных линиях от своих номинальных значений – 800 – зависимости среднеквадратических отклонений затухания в полосе пропускания и полосе заграждения, назначать допуски на изготовление с учетом процента выхода годных устройств на основе метода статистических испытаний Монте–Карло.

Усовершенствованная методика назначения допусков на параметры фильтров с широкими полосами заграждения методом Монте–Карло [6, 7]

Суть методики состоит в многократном моделировании на ЭВМ передаточной функции фильтра (характеристики затухания) при различных комбинациях случайных отклонений параметров от своих номинальных значений. В отличие от известных методика позволяет:

• –    получать при случайных отклонениях параметров ППФ СВЧ от своих номинальных значений зависимости среднеквадратических отклонений затухания в полосе пропускания (ПП) и полосе заграждения (ПЗ);

• –    назначать допуски на изготовление с учетом процента выхода годных устройств на основе метода статистических испытаний Монте–Карло.

Для проведения натурного эксперимента использовался шлейфовый ППФ, представляющий собой трехрезонаторную структуру с трехступенчатыми короткозамкнутыми резонаторами и параметрами:

центральная частота полосы пропускания f0 = 1 ГГц;

относительная ширина полосы пропускания w = 0,3 (абсолютная 300 МГц);

уровень пульсаций чебышевской характеристики затухания Lr = 0,1 дБ;

волновые сопротивления подводящих линий W = 50 Ом.

Опытный образец ППФ (рис. 2а) был изготовлен по промышленной технологии фотохимическим методом на основе фольгированного материала Флан-2,8 (толщина пластины 2 мм) с параметрами:

а)                                                             б)

Рис. 2. Модель шлейфового ППФ, выполненного в программе на ЭВМ Ansys HFSS (а), и чертеж в системе AutoCAD c указанием размеров (б)

Fig. 2. Model of the stub BPF made in the Ansys HFSS computer program (a) and a drawing in the AutoCAD system with dimensions (б)

относительная диэлектрическая проницаемость подложки ε r = 2,8;

толщина симметричной полосковой линии b = 4 мм.

Натурный эксперимент проводился по стандартной методике на приборе фирмы Agilent PNA-L N 5230C – анализатор цепей (рис. 2б).

• а )                                                              б)

Рис. 4. Внешний вид шлейфового ППФ с широкими полосами заграждения (а), вид экспериментальной установки (б)

Fig. 4. External view of the loop BPF with wide barrier strips (a), view of the experimental setup (b)

Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика шлейфового ППФ с ШПЗ

Fig. 5. The amplitude-frequency characteristic of the stub BPF with SPE

Сравнение измеренных и рассчитанных характеристик фильтра (рис. 5) показало:

• –    в полосе заграждения (ПЗ) на кратных частотах по сравнению с существующими ППФ на однородных линиях обеспечивается повышенное затухание – на частоте 3 ГГц (первая паразитная полоса пропускания) – более 25 дБ;

• –    на частоте 5 ГГц (вторая паразитная полоса пропускания) – 30 дБ. Сравнение с измерениями показывает, что на указанных частотах затухание составляет от 25 до 50 дБ;

• –    первая паразитная полоса пропускания составляет 6,89 ГГц (при основной частоте полосы пропускания 1,04 МГц), что обеспечивает разнос резонансных частот R=1:6,64, что с точностью 5,4 % соответствует результату математического моделирования и расчетам по формуле (1) – 1:7 (при основной частоте полосы пропускания 1 ГГц).

Результаты измерения показали, что центральная частота полосы пропускания – 1,04 ГГц, больше задаваемой при расчете на 40 МГц (4 %), а полоса пропускания – 323 МГц, что больше на 23 МГц (7,1 %). Наблюдается её смещение в область высоких частот. Отличие расчётных и экспериментальных характеристик обусловлено отсутствием учёта потерь и высших типов волн при моделировании ППФ, а также наличием погрешностей при изготовлении конструкции ППФ.

Таким образом, экспериментальное исследование опытного образца ППФ с ШПЗ позволило подтвердить правильность подхода к разработке ППФ на неоднородных линиях, обеспечивающего заданную полосу заграждения путем компенсации паразитных полос пропускания однородной линии, противорезонаторными частотами входного сопротивления неоднородной линии.