Моделирование полосно-пропускающих фильтров на основе многослойной технологии
Автор: Фомин Дмитрий Геннадьевич, Даровских Станислав Никифорович, Дударев Николай Валерьевич, Прокопов Игорь Игоревич, Дударев Святослав Валерьевич
Рубрика: Инфокоммуникационные технологии и системы
Статья в выпуске: 1 т.22, 2022 года.
Бесплатный доступ
Одной из неотъемлемых составных частей современных радиопередающих устройств являются полосно-пропускающие фильтры, выполняющие функцию ограничения внеполосного и побочного спектра электромагнитного излучения, что является необходимым в рамках плотного распределения полос радиочастот между радиослужбами. Аналогичные функции полосно-пропускающие фильтры выполняют в составе радиоприемных устройств и устанавливаются на входе. При этом они также выполняют функцию согласующего устройства между радиоприемным устройством и антенно-фидерным трактом. В настоящее время известны методы разработки полосно-пропускающих фильтров на основе микрополосковой технологии, обладающей такими достоинствами, как: широкая теоретическая база, технологичность изготовления, широкий выбор диэлектрических оснований, возможность моделирования без использования дорогостоящего программного обеспечения. При этом недостатком микрополосковой технологии является необходимость расширения площади диэлектрических оснований при увеличении числа частотно-селективных звеньев. В настоящее время перспективным направлением реализации полосно-пропускающих фильтров является их конструирование на основе многослойной технологии, позволяющей увеличивать число частотно-селективных звеньев без расширения площади диэлектрических оснований. Цель исследования. Целью настоящей работы является исследование частотно-селективных свойств вариантов конструкции полосно-пропускающего фильтра на основе многослойной технологии, базовым элементом которой является микрополосковый переход. Материалы и методы. Для рассмотренных конструкций полосно-пропускающего фильтра проведено численное электродинамическое моделирование в программе ANSYS HFSS с оценкой зависимости S-параметров в диапазоне частот 0,2-4 ГГц и получено графическое распределение электромагнитного поля в микрополосковом переходе. Результаты. Из результатов проведенного моделирования следует, что рассматриваемые конструкции полосно-пропускающего фильтра характеризуются хорошим согласованием с волновым сопротивлением 50 Ом (КСВН не более 1,5 в широком диапазоне частот), малым затуханием на центральной частоте (не более 0,5 дБ), а также значительным подавлением сигнала вне полосы его пропускания (более 30 дБ). Заключение. Результаты моделирования доказывают возможность практического применения полосно-пропускающих фильтров, разработанных на основе многослойной технологии, в составе радиопередающих устройств современных систем радиолокации и радионавигации.
Многослойная технология, микрополосковый переход, полосно-пропускающий фильтр, s-параметры, моделирование
Короткий адрес: https://sciup.org/147236516
IDR: 147236516 | УДК: 621.372.543.2 | DOI: 10.14529/ctcr220106
Simulation of band pass filters based on multilayer technology
One of the integral parts of modern radio transmitting devices are bandpass filters that limit the out-of-band spectrum of electromagnetic radiation and the side effect of electromagnetic radiation, which is important in the framework of the dense distribution of the radio frequency band between radio services. Similar functions of bandpass filters are made as part of radio receivers and placed at the input. At the same time, they also perform the functions of a matching device between the radio receiving connection and the antenna-feeder path. Currently, there are known methods for the development of bandpass filters based on microstrip technology, which has such advantages as: a broad theoretical base, manufacturability, a wide selection of dielectric bases, and the possibility of simulation without using expensive software. At the same time, the disadvantage of microstrip technology is the need to expand the area of dielectric bases with an increase in the number of frequency-selective elements. Currently, a promising direction in the implementation of bandpass filters is their design based on a multilayer technology, which makes it possible to increase the number of frequency-selective elements without expanding the area of dielectric bases. Purpose of the study. The purpose of this article is to study the frequency-selective properties of design options for a bandpass filter based on multilayer technology, the basic element of which is a microstrip transition. Materials and methods. For the considered designs of the bandpass filter, a numerical electrodynamics simulation was carried out in the ANSYS HFSS software with an estimate of the dependence of the S-parameters in the frequency range of 0.2-4 GHz. The graphical distribution of the electromagnetic field in the microstrip transition was obtained. Results. From the results of the simulation it follows that the considered designs of the bandpass filter are characterized by good matching with a wave impedance of 50 Ohm (VSWR no more than 1.5 in a wide frequency range), low attenuation at the center frequency (no more than 0.5 dB), and by significant suppression of a signal outside its bandwidth (more than 30 dB). Conclusion. The simulation results prove the possibility of practical application of bandpass filters, developed on the basis of multilayer technology, as part of radio transmitting devices of radar and radio navigation systems.
Список литературы Моделирование полосно-пропускающих фильтров на основе многослойной технологии
- Таблица распределения полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации (статистические данные). URL: https://digital.gov.ru/opendata/7710474375-trpch/table/ (дата обращения: 17.12.2021).
- Li-Tian Wang, Yang Xiong, Ming He. Review on UWB Bandpass Filters. In book: UWB Technology – Circuits and Systems. London, IntechOpen. 2019. URL: http://doi.org/10.5772/intechopen.87204 (дата обращения: 17.12.2021).
- Hsu C.-L., Hsu F.-C., Kuo J.-K. Microstrip Bandpass Filters for Ultra-Wideband (UWB) Wireless Communications // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. 2005. P. 679–682. https://doi.org/10.1109/MWSYM.2005.1516698.
- Xu L., Zhu T. Design of a Ultra-Wideband (UWB) Filter based on Defected Ground Structure // 2015 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC). 2015. P. 1–3. https://doi.org/10.1109/APMC. 2015.7413142.
- Han L., Wu K., Zhang X. Development of Packaged Ultra-wideband Bandpass Filters // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2010. Vol. 58. P. 220–228. https://doi.org/10.1109/TMTT.2009.2036399.
- Wang Y.X., Chen Y.L., Zhou W.H., Yang W.C., Zen J. Dual-Band Bandpass Filter Design Using Stub-Loaded Hairpin Resonator and Meandering Uniform Impedance Resonator // Progress in Electromagnetics Research Letters. 2021. Vol. 95. P. 147–153. doi: 10.2528/PIERL20102102.
- Wu L., Hu P., Li C., Li L., Tang C. A Novel Compact Microstrip UWB BPF with Quad Notched Bands Using Quad-Mode Stepped Impedance Resonator // Progress in Electromagnetics Research Letters. 2019. Vol. 83. P. 51–57. doi: 10.2528/PIERL18123002.
- Gao Y.-Q., Shen W., Wu L., Sun X.-W. Compact Microstrip BPF with High Selectivity Using Extended Tapped Lines // Progress in Electromagnetics Research Letters. 2018. Vol. 80. P. 39–46. doi: 10.2528/PIERL18081303.
- Liu J., Lu J., He Z., Luo T., Ying X., Zhao J. Super Compact Microstrip UWB BPF with Triple-Notched Bands // Progress in Electromagnetics Research Letters. 2018. Vol. 73. P. 61–67. doi: 10.2528/PIERL17110804.
- Фомин Д.Г., Дударев Н.В., Даровских С.Н., Клыгач Д.С., Вахитов М.Г. Особенности применения объемно-модульной технологии в проектировании СВЧ электронных устройств // Ural Radio Engineering Journal. 2021. Т. 5, № 2. С. 91–103. doi: 10.15826/urej.2021.5.2.001.
- Фомин Д.Г., Дударев Н.В., Даровских С.Н. Сверхширокополосный полосно-пропускающий фильтр на основе микрополоскового перехода для обеспечения высокого уровня скрытности инфокоммуникационных систем // Вестник УрФО. Безопасность в информационной сфере. 2021. № 3(41). С. 30–37. doi: 10.14529/secur210304.
- Guo X., Zhu L., Wang J., Wu W. Wideband Microstrip-to-Microstrip Vertical Transitions Via Multiresonant Modes in a Slotline Resonator // IEEE Transactions on microwave theory and techniques. 2015. Vol. 63, no. 6. P. 1902–1909. doi: 10.1109/TMTT.2015.2422695.
- Yang L., Zhu L., Choi W.-W., Tam K.-W. Analysis and design of wideband microstrip-tomicrostrip equal ripple vertical transitions and their application to bandpass filters // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2017. Vol. 65. P. 2866–2877. doi: 10.1109/TMTT.2017.2675418.
- Kostenetskiy P., Semenikhina P. SUSU Supercomputer Resources for Industry and fundamental Science // 2018 Global Smart Industry Conference (GloSIC), Chelyabinsk, 13–15 November 2018. Chelyabinsk, 2018. P. 1–7. doi: 10.1109/GloSIC.2018.8570068.
- Фомин Д.Г., Дударев Н.В., Даровских С.Н. Сверхширокополосный полосно-пропускающий фильтр на основе многослойного полосково-щелевого перехода // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021, № 10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.10.13.
- Pozar D.M. Microwave Engineering. 4th ed. Hoboken: Wiley, 2011. 732 p.
