Оптимизация межрезонаторных связей в коаксиальных полосно-пропускающих фильтрах для повышения стабильности характеристик в условиях эксплуатационных воздействий

Современные системы спутниковой связи предъявляют жесткие требования к полосно-про-пускающим фильтрам (ППФ), среди которых высокая избирательность, малые потери в полосе пропускания (ПП), низкая неравномерность группового времени задержки (ГВЗ) и, что особенно важно, сохранение этих параметров в условиях эксплуатационных воздействий: вибраций, ударов, термоциклирования [1–2]. С целью достижения высокой избирательности вблизи ПП широко используются фильтры с эллиптической характеристикой, содержащие перекрестные связи (кросс-связи) между несмежными (некаскадными) резонаторами, которые формируют нули передачи (transmission zeros) в полосе заграждения (ПЗ) [1–7].

Практическая реализация таких фильтров, однако, часто связана с рядом проблем технического и технологического характера.

Во-первых, это обеспечение стабильности характеристик межрезонаторных связей в условиях обеспечения необходимости их оперативной регулировки. Так, емкостная кросс-связь, зачастую организуемая как отдельная подсборочная единица, является одним из наиболее критичных конструктивных элементов в части надежности фильтра как пассивного устройства в целом. Это происходит ввиду наличия в них сравнительно большего числа размерных факторов неопределенности, что обусловлено необходимостью в их механической подвижности, и, обычно, более длинных размерных цепей [1]. При этом известные технико-конструктивные решения для узлов кросс-связи, как правило, либо максимально просты, но при этом не обеспечивают плавной регулировки, требуя для ее осуществления трудоемкой разборки корпуса [8–12], либо имеют в составе нежесткие консольные элементы, «звенящие» при механических воздействиях [13; 14],

и потенциально подверженные разбалтыванию контактных пар [15], либо обеспечивают сравнительно малый диапазон регулировки [16]. В работе [17] предлагается интересное решение, позволяющее сформировать 2 симметричных нуля в ПЗ без использования емкостной кросс-связи, и с введением в структуру ППФ коаксиальной трансформаторной связи, что более стабильно и надежно, однако, все же ограничивает возможности ППФ в части регулировки. Конструкции, предполагающие перемещение всего узла [18; 19], часто не обеспечивают его жесткой фиксации после настройки, в т.ч. при испытаниях.

Во-вторых, в ППФ с широкой ПП, где требуются большие величины коэффициентов каскадной связи, индуктивные связи в виде окон в межрезонаторных перегородках зачастую создают значительные паразитные связи через резонатор (между нечетными и между четными, например, для ППФ 8 порядка П-образной топологии это паразитные связи 3–5, 4–6), что оказывает влияние на положения нулей в паре, создаваемых емкостной кросс-связью, приводя к несимметричному сдвигу пар нулей. Так, наблюдается смещение нижнего нуля вниз по частоте, и верхнего – также вниз, относительно их номинального (симметричного относительно f ) положения, при этом ПП остается практически неизменной. Механизм этого явления обусловлен возникновением прямых связей между четными и нечетными резонаторами и наличием частотной дисперсии волнового сопротивления моды H10, на которой осуществляется связь между резонаторами в случае индуктивной диафрагмы как участка волноведущей структуры. При этом больший разнос нулей в ПЗ определяет большую асимметрию амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) коэффициентов передачи и наоборот, что обусловлено дисперсионной разницей волновых сопротивлений на частотах нулей в паре. Этот эффект приводит к двухстороннему ухудшению характеристик режекции ППФ [1; 3; 4].

Целью данной работы является разработка и исследование методов и средств повышения стабильности и симметрии характеристик ППФ за счет оптимизации конструкций межрезонаторных связей. В работе решаются следующие задачи:

• 1.    Разработка и анализ оригинальной конструкции плавно регулируемой емкостной кросс-связи с повышенной устойчивостью к механическим воздействиям.

• 2.    Оценка влияния технологических допусков сопрягаемых деталей на стабильность характеристик ППФ методом статистического моделирования.

• 3.    Исследование количественной меры влияния паразитных индуктивных связей на симме-

• трию нулей передачи для случая ППФ 5 порядка шириной ПП 2,4%.

• 4.    Предложение и анализ эффективности автотрансформаторной связи для замены индуктивных окон с целью подавления паразитных связей в условиях наихудшей размерной цепи технологических допусков стыкуемых деталей.

Конструкция и анализ регулируемой емкостной кросс-связи

Описание предложенной конструкции. Для решения проблемы стабильности предложена конструкция регулируемого узла емкостной кросс-связи, схема которой представлена на рисунке 1. Узел содержит:

• –    проводник кросс-связи в виде П-образного элемента, либо металлической «гантели». Исполнение в виде изогнутого проводника предпочтительнее ввиду меньшей массы, и в ряде случаев дает возможность повышения собственных частот механического резонанса;

• –    диэлектрический суппорт из Ф-4 (PTFE), полиэфирэфиркетона (PEEK) и других материалов с низкими потерями; комплементарно повторяет форму фигурного паза (направляющие с радиусной посадкой) в межрезонаторной перегородке, что исключает поворот вокруг оси;

• –    пружина сжатия в основании паза в отверстии внутри стенки, перманентно поджимает держатель, обеспечивая безлюфтовость;

  – настроечный винт: установлен в резьбовом отверстии крышки ППФ, воздействует на суппорт сверху, являясь элементом регулировки. Фиксируется гайкой с наружной стороны.

Принцип регулировки заключается во ввин-чивании/вывинчивании настроечного винта, который, преодолевая усилие пружины, плавно перемещает узел связи вдоль паза, изменяя степень связи проводника с резонаторами. Пружина исключает люфт, обеспечивая постоянный прижим держателя к винту, что гарантирует стабильность положения после настройки, а также после механических воздействий во время испытаний и на этапе выведения. Регулировка проводится без вскрытия корпуса ППФ.

Статистический анализ стабильности. Для оценки устойчивости характеристик к технологическим разбросам проведено статистическое моделирование Монте-Карло. Исследовалось влияние двух основных факторов (рисунок 2): угловой люфт (φ) – угловое отклонение оси проводника связи от номинального положения, линейное смещение ( z ) – осевое смещение узла связи вдоль оси проводника.

а)

б)

Рисунок 1. Предлагаемый узел плавно регулируемой емкостной кросс-связи: а) Эскиз технического решения; б) Интеграция в конструкцию объемнорезонаторного коаксиального ППФ

0,23 мм

0,23 мм

2 °

- 2 °

а)

б)

Рисунок 2. Пределы варьирования геометрии кросс-связи: а) Линейное смещение, б) Угловой люфт

Моделирование проводилось для ПФ 8-го порядка C-диапазона П-образной структуры с двумя парами нулей. В качестве исходных данных взят массив технологических допусков (определяющий допустимые погрешности производства деталей), соответствующих классу посадок H8/g7 по ГОСТ 25347-82. Суммарное приращение по указанным переменным после подсчета наихудшего случая размерной цепи составило φ = ±2°, z = ±0,23 мм, при этом для более широкой оценки использован весовой коэффициент 4 относительно размерной цепи (указанные значения его уже включают). Это позволило получить расши- ренную статистику по изменению характеристик ППФ с запасом относительно использования скользящей посадки в интересующей области внутренних токоведущих конструктивных элементов, обеспечивающей свободное скольжение деталей друг относительно друга в пределах заданного диапазона размеров, с сохранением некоторого зазора и неточности позиционирования. Такой подход позволяет впоследствии (без необходимости численного перерасчета структур) осуществлять интерполяцию в пределах указанного коэффициента с большей точностью, чем точность оценочной экстраполяции при расши-

а)

б)

м1 1,61 дБ м2 1,62 дБ м3 1,57 дБ м4 1,65 дБ м5 1,67 дБ м6 1,61 дБ без поворота (м1,м4) с поворотом (м2,м5)

CM (м3,м6)

f 1 = f 0 –0,0053 f 0

f 2 = f 0 + 0,0053 f 0

в)

м1

м2

м3

м4 м5

м6

1,61 дБ

1,75 дБ

1,57 дБ

1,65 дБ

1,50 дБ

1,61 дБ f1= f0–0,0053f0 f2= f0+0,0053f0

без смещения (м1,м4) со смещением (м2,м5) CM (м3,м6)

г)

Рисунок 3. Результаты статистического моделирования (пределы изменения) АЧХ коэффициента передачи ППФ 8 порядка: а) В ПЗ для случая поворота; б) В ПЗ для случая линейного смещения; в) В ПП для случая поворота; г) В ПП для случая линейного смещения

а)

б)

м1 1,62 дБ м2 1,62 дБ м3 1,57 дБ м4 1,67 дБ м5 3,10 дБ м6 1,61 дБ с поворотом (м1,м4) с поворотом и смещением (м2,м5) CM (м3,м6)

f 1 = f 0 –0,0053 f 0 f 2 = f 0 +0,0053 f 0

Рисунок 4. Результаты статистического моделирования (пределы изменения) АЧХ коэффициента передачи ППФ 8 порядка для случая одновременного моделирования и поворота и смещения: а) В ПЗ; б) В ПП рении результатов без такого коэффициента запаса. При этом статистическое моделирование не затрагивало иных элементов внутренней структуры ППФ. Результаты показаны на рисунках 3 и 4. Здесь и далее серой заливкой обозначена область неопределенности характеристик. Справочно приводятся кривые АЧХ КП, рассчитанные с помощью матрицы связи (Coupling Matrix, CM).

Полученные результаты моделирования показывают, что ширина области неопределенности режекции в ПЗ при повороте не превышает 0,4% смещения нулей по оси частот и не более 2 дБ разброса по оси амплитуд с учетом весового коэффициента относительно заданных изначально технологических допусков. Область неопределенности потерь в ПП составляет не более 0,02 дБ, смещение ПП не прослеживается. В то же время ширина области неопределенности режекции в ПЗ при линейном смещении кросс-связи по z не превышает 1,5% смещения нулей по оси частот и не более 6,4 дБ разброса по оси амплитуд. Область неопределенности потерь в ПП составляет не более 0,15 дБ, максимальное смещение ПП наблюдается на величину порядка 1,5%. В части одновременного моделирования поворота и смещения результаты существенно хуже: частотный уход нулей составил не более 6,2%, неопределенность в ближней режекции – не более 7,7 дБ, неопределенность потерь 1,43 дБ (при величине потерь на f0 порядка 0,7 дБ), и уход ПП – не более 5%, соответственно. На порядках полученных величин в подобных случаях зачастую справедливо применять линейное приближение при интерполяционных оценках внутри диапазона с учетом взятого весового коэффициента. Очевидно, однако, что полученные данные являются индивидуальными и их допустимость определяется требованиями технического задания на конкретное изделие. В нашем случае полученные значения послужили количественной базой для коррекции требований к технологическим допускам на значимые размеры на этапе макетирования изделия в сторону ужесточения в среднем на 1 класс.

Индуктивная каскадная связь автотрансформаторного типа для подавления паразитных некаскадных связей

Принцип и реализация. Для устранения асимметрии пар нулей, вызванной паразитными некаскадными индуктивными связями, неизбежно возникающими кросс-попарно (например, в нашем случае при организации каскадной связи 3–4, значимые паразитные некаскадные кросс-связи формируются между резонаторами 2–4 и 3–5), индуктивное окно между критичными резонаторами заменяется на связь автотрансформаторного типа (рисунок 5). Подобная связь организуется с помощью проводника, который впаивается в боковые поверхности центральных проводников (posts) двух соседних резонаторов на определенной высоте, соответствующей требуемому сопротивлению включения в резонаторы, определяемому требуемыми коэффициентами связи. Подобный проводник располагается внутри диэлектрического суппорта из диэлектрика с низкими потерями аналогично случаю с емкостной кросс-связью и проходит через небольшое экранированное отверстие в межрезонаторной перегородке, которое служит исключительно в качестве экрана коаксиальной линии, и оказывает минимальное влияние на формирование паразитных некаскадных связей. Канал для проводника выполняется путем фрезерования межрезонаторной стенки и закрывается металлической заглушкой, обеспечивающей гарантированный контакт с корпусом сверху и снизу. Реализация подобной конструкции, однако, встречает ряд сложностей, одной из которых является неизбежность обеспечения технологического зазора между заглушкой и направляющими корпуса. Ввиду резонансной структуры ППФ подобные щели требуют тщательного анализа, поскольку неизбежно формируют третьи цепи в межрезонаторных связях, которые могут привести к непредсказуемому поведению фильтра в ПП и в ПЗ на ближней и, что особенно важно, на дальней режекции. Результаты решения данной задачи анализа в ее частном виде представлены ниже.

Анализ АЧХ ППФ с автотрансформаторной связью с учетом технологических зазоров. Анализ поведения щели проводился для двух случаев, показанных на рисунке 5: ППФ 8 порядка C-диапазона и ППФ 5 порядка L-диапазона. На рисунке 6 показаны величины зазоров, полученных с учетом худшего случая по размерным цепям (с учетом гальванических покрытий деталей), которые составили единую величину 0,086 мм. На рисунке 7 представлены результаты количественно-оценочного моделирования ПФ 5-го порядка с относительной шириной ПП 2,4%. Сравниваются три случая АЧХ: коаксиальная автотрансформаторная связь, связь через индуктивное окно и идеальная АЧХ, построенная на основе матрицы коэффициентов связи. График наглядно демонстрирует, что автотрансформаторная связь практически полностью устраняет асимметрию пары нулей в ПЗ, вызванную паразитными связями при использовании окна (Inductive Iris), приближая форму АЧХ к идеальной (CM). Аналогичное моделирование проведено для ранее рассматриваемого в контексте организации емкостной кросс-связи ППФ 8 порядка с двумя парами нулей в ПЗ, его результаты аналогичны вышеописанным и отдельно не приводятся.

В то же время, было отдельно проведено статистическое моделирование влияния технологических допусков посадки металлической заглушки, экранирующей технологический канал с проводником, на частотные характеристики ППФ 5 и 8 порядка (рисунок 8). Ожидалось получить для обоих случаев некоторую степень расстройки рассматриваемой каскадной связи ввиду дополнительной суперпозиции поля запредельной структуры, формируемой указанными щелями. Однако проявлений данного эффекта не зафиксировано, в то же время полученные результаты демонстрируют некоторое смещение ПП ППФ вниз по частоте на величину порядка 2,4%, а также эффект снижения ближней режекции на максимальную величину порядка 2 дБ. Результаты моделирования ППФ 5 порядка показали более стабильный результат, различий в АЧХ КП для случаев со щелью и без таковой количественно не обнаружено с точностью до 200 кГц и 0,02 дБ и ввиду рутинности графика отдельно не приводится. Эти результаты объясняются относительно низким диапазоном частот при той же ширине зазора для моделирования.

а)

б)

Рисунок 5. Узел каскадной связи автотрансформаторного типа: а) В ППФ 8 порядка; б) В ППФ 5 порядка

Рисунок 6. Величины максимального технологического зазора между заглушкой и корпусом ППФ для моделирования по первоначально заданной размерной цепи (относительный масштаб сохранен): а) Для ППФ 8 порядка; б) Для ППФ 5 порядка

м1, м2 – нули коэффициента передачи (transmission zeros) в ПЗ с автотрансформаторной связью м1*, м2* – нули коэффициента передачи (transmission zeros) в ПЗ со связью в виде индуктивной диафрагмы (inductive iris)

Рисунок 7. Разброс нулей (transmission zeros) АЧХ коэффициента передачи ППФ 5 порядка (связь 3-4) для случаев реализации индуктивной межрезонаторной связи в виде автотрансформаторной связи и в виде индуктивной диафрагмы

w

ч

-10

к

§ -20

с-30

ей

8-40

S

И к-50

о -60

В -70

f 1 = f 0 – 0,0053 f 0 f 2 = f 0 +0,0053 f 0

м4

f 2

м1 → f0 – 0,00750f0; – 66,38дБ м2 → f0– 0,00730f0; – 65,74дБ м3 → f0– 0,00670f0; – 51,76дБ м4 → f0 – 0,00654f0; – 52,60дБ м5 → f0 + 0,00660f0; – 42,96дБ м6 → f0 + 0,00700f0; – 38,33дБ м7 → f0 + 0,00690f0, – 44,72дБ м8 → f0 + 0,00850f0; – 66,20дБ м9 → f0 + 0,00860f0; – 66,68дБ f                        f0

1 ◄— Полоса м8   м9

м1

м2

без зазора с зазором CM

Частота

о

S

пропускания

а)

б)

м1 м2 м3

м4 1,65 дБ м5 1,94 дБ м6 1,61 дБ без щели (м1,м4) со щелью (м2,м5) CM (м3,м6)

f 1 = f 0 –0,0053 f 0

f 2 = f 0 + 0,0053 f 0

в)

Рисунок 8. Результаты моделирования АЧХ коэффициента передачи ППФ 8 порядка для случая технологического зазора между элементами конструкции автотрансформаторной связи:

а) В ПЗ (ближняя режекция); б) В ПЗ (дальняя режекция, стрелками указаны области различия АЧХ); в) В ПП

1,61 дБ

1,40 дБ

1,57 дБ

С учетом того, что данная сборочная единица считается индивидуальной для каждого изделия, но в дальнейшем будет достаточно механически статичной, можно полагать, что указанные эффекты могут быть без труда скомпенсированы элементами регулировки ППФ.

Таким образом, можно констатировать, что возникающая по причине наличия технологических допусков микрощель не оказывает существенного влияния на характеристики фильтра, в отличие от исходной проблемы с паразитными связями.

Заключение

В работе предложены и исследованы два конструктивных решения, направленных на повышение качества и стабильности характеристик

ППФ, в т.ч. высокоизбирательных.

• 1.    Предложена оригинальная конструкция регулируемой емкостной кросс-связи на основе известного противолюфтового пружинно-винтового механизма и с направляющими, обеспечивающая плавную многократную регулировку ППФ без необходимости разборки его корпуса и высокую стабильность с учетом внешних механических воздействий при условии непревышения для рассматриваемых узлов пределов текучести используемых материалов и корректного задания технологических допусков.

• 2.    Методом статистического моделирования количественно оценен разброс характеристик и показано, что при корректном назначении технологических допусков (или как в нашем случае – после их корректировки) предложенная конструкция способна обеспечить разброс характеристик, удовлетворяющий жестким требованиям космических применений.

• 3.    Проанализировано влияние худшего случая сложения в размерной цепи элементов конструкции автотрансформаторной связи, при котором образуется максимальная ширина щели между деталями ППФ. Показано, что влияние щели имеет более важное значение для более высокоизбирательных систем в более высокочастотных диапазонах, и практически отсутствует для менее избирательных в более низком диапазоне частот. В процессе моделировании установлено, что влияние технологической щели на ПП и ближнюю режекцию, когда оно имеет место, является прогнозируемым и может быть скомпенсировано на этапе разработки ППФ. Влияния щели на дальнюю режекцию в значащих диапазонах (там, где изделие таковую обеспечивает) не обнаружено. В этой связи данное решение с учетом компенсации влияния на ближнюю режекцию по-прежнему эффективно подавляет паразитные связи, устраняя асимметрию нулей передачи, что особенно актуально для широкополосных и высокоизбирательных ППФ.

• 4.    Проведенное исследование демонстрирует разносторонний подход к проектированию, учитывающий не только номинальные конструктивные и электрофизические характеристики, но и технологические и эксплуатационные аспекты уже на этапе проработки технических решений еще до передачи их в конструирование, что является залогом создания высоконадежных СВЧ-устройств.