Микрополосковый триплексер, реализованный на прямоугольных спиральных резонаторах

Мультиплексор – это частотно-избира-тельное устройство, предназначенное для разделения или объединения нескольких радиосигналов, разнесенных по частоте. На сегодняшний день мультиплексоры широко используются в различных радиотехнических устройствах, например, в многоканальных системах связи. Основной подход конструирования мультиплексоров основан на проектировании самостоятельных полосно-пропускающих фильтров (ППФ), каждый из которых будет настроен на свою рабочую частоту. Микрополосковые триплексеры широко распространены из-за своей миниатюрности и технологичности в производстве. Конструкции мультиплексоров на основе микрополосковых резонаторов являются очень перспективными, так как они имеют малые размеры, технологичны в изготовлении и просты в настройке. На сегодняшний день существуют различные варианты конструкций мультиплексоров [1-6, 10-25], например, с использованием линий на левосторонних структурах [1-4], фильтров с диэлектрическими резонаторами [5], конструкции для мультиплексоров с множеством отводов [6, 10-13]. Кроме того, в литературе широко представлены различные методы проектирования таких устройств [7-10]. Однако не все перечисленные конструкции отвечают требованиям, предъявляемым к их размерам и электрическим параметрам. В данной работе описывается конструкция миниатюрного микро-полоскового триплексора, все три фильтра которого выполнены на прямоугольных спиральных резонаторах (ПСР).

Проектирование фильтров. Фильтры, используемые в составе триплексора, относятся к полосно-пропускающим, так как обеспечивают

прохождение сигнала в заданной полосе частот. Проектирование будет производиться на подложке толщиной h=1,5 мм из широкодоступного материала – стеклотекстолит (FR-4), который имеет диэлектрическую проницаемость ε=4,4 и tgδ=0,02. Предлагаемая процедура проектирования триплексора заключается в том, чтобы спроектировать три однотипных по виду фильтра, каждый из которых настроен на свою рабочую частоту, после чего объединить их в одну схему микрополосковыми линиями (МПЛ) передачи. На рис. 1 показана структурная схема триплексера, в котором разделение входного сигнала, подаваемого на три ППФ, осуществляется за счет разветвления МПЛ.

Рис. 1. Структурная схема триплексера

В программе электродинамического моделирования Ansoft HFSS, была создана модель ППФ, настроенного на частоту 1000 МГц (рис.2). Зависимость S-параметров от частоты для проектируемого фильтра в широком диапазоне частот показана на рис. 3, а на рис. 4 показан фрагмент данной полосы частот. Конструкция фильтра представляет собой две прямоугольных спирали, расположенные на одной стороне подложки, и питающие МПЛ - на противо-лоположной стороне. Из полученных результатов, видно, что фильтр имеет минимальные потери в полосе пропускания, равные -2,06 дБ, и относительную ширину полосы пропускания в

• 11,4%. Минимальное значение коэффициента передачи составляет -36,5 дБ. Паразитные полосы пропускания возникают на частотах 4,2 и 6,3 ГГц.

Рис. 2. Модель фильтра в программе HFSS

Рис. 3. S-параметры ППФ

Freq [GHz]

Рис. 4. Фрагмент характеристики S-параметров ППФ

Для исследования были синтезированы фильтры различных конструкций, но с характеристиками пропускания, близкими к характеристикам используемого фильтра. По полученным результатам было проведено сравнение по следующим параметрам (табл. 1): занимаемая площадь, ширина полосы пропускания, максимальное значение коэффициента передачи.

Исходя из данных таблицы можно сделать вывод, что предлагаемый микрополосковый ППФ имеет небольшие габариты по сравнению с традиционными конструкциями ППФ: он на 72,6%, 79,5%, 97,3% меньше традиционных фильтров: шпилечного, с боковыми связями, с четвертьволновыми связями соотвественно.

Таблица 1. Сравнение геометрических размеров полосно-пропускающих фильтров

Тип фильтра	Площадь, мм2	Ширина полосы пропускания, МГц	Максимальный коэффициент передачи, дБ
шпилечный	1180	203	-4,7
с боковыми связями	1581,8	266	-3,3
с четвертьволновыми связями	12131	264	-2,7
предлагаемый	323	114	-2,06

Кроме того, предлагаемый ППФ на спиральных резонаторах обладает меньшими потерями в полосе пропускания. Также были спроектированы два ППФ на спиральных резонаторах для частоты 1,125 и 1,25 ГГц. Настройка резонаторов на нужные резонансные частоты осуществляется при помощи изменения суммарной длины резонатора. Модели фильтров и их частотные характеристики представлены на рис. 5-6. Эти фильтры могут быть реализованы с помощью стандартных технологий по изготовлению печатных плат.

Проектирование триплексера. Триплексер должен соответствовать следующим требованиям: минимальные вносимые потери в рабочей полосе частот, малые массогабаритные показатели. Все спроектированные ППФ объединяются в одну схему, в результате чего получается триплексер (рис. 7). Стоит отметить, что в данной конструкции каждый резонатор формирует только одну полосу пропускания. Результаты численного моделирования триплексера представлены на рис. 8. Уровень вносимых потерь составляет 3,3 дБ. Относительная ширина полосы пропускания каждого частотного канала в среднем составляет 8%.

Таким образом, триплексер имеет 3 рабочих полосы частот с центральными частотами 1; 1,125 и 1,25 ГГц соотвественно. Полосы пропускания измеряются по уровню -3 дБ от максимального значения коэффициента передачи. Процесс проектирования триплексера осложняется тем, что при подключении всех фильтров с помощью МПЛ передачи в одну структуру, происходит расстройка каждого из них. Это приводит к необходимости дополнительной оптимизации расположения питающих линий. Однако такая оптимизация, как правило, состоит лишь из нес-кольких итераций. Площадь занимаемая полосковым триплексором, составляет 150 х 75 = 11250 мм2.

Рис. 7. Конструкция микрополоскового триплексера на спиральных микрополосковых резонаторах

Рис. 8. S-параметры триплексера

Рис. 5. Модель фильтра на частоту 1,125 ГГц и его частотные характеристики в программе HFSS

Рис. 6. Модель фильтра на частоту 1.25 ГГц и его частотные характеристики в программе HFSS

Выводы: в этой работе рассмотренна конструкция микрополоскового триплексора, который выполняет функцию частотного делителя, он делит полосу рабочих частот на три подканала, полоса каждого из которых соотвествует центральным частотам каждого фильтра. Предлагае-мая конструкция была спроектирована и исследована с использованием пакета трехмерного электродинамического моделирования. Полученный в итоге триплексер обладает миниатюрностью и технологичностью в изготовлении. Предлагаемое устройство выполнено исключительно на спиральных резонаторах, имеющих достаточно хорошие электрические характеристики. Использование таких резонаторов в составе триплексора позволяет независимо друг от друга регулировать центральные частоты полос пропускания. Для получения необходимой центральной частоты и минимальных значений коэффициента передачи в полосе пропускания, необходимо подобрать оптимальную длину спиралей и длину МПЛ передачи. Спроектированный триплексор работает на трех резонансах 1; 1,125 и 1,25 ГГц. Первый резонанс обеспечивает полосу пропускания в 109 МГц, второй 101 МГц, третий 115 МГц.

Исследования выполнены за счет Гранта Российского научного фонда (проект № 14-19-01396).