Фильтр с распределенными элементами

Рисунок 1. Схема, состоящая из многих структур фильтра, описанных в этой статье. Рабочая частота фильтров составляет около 11 гигагерц (ГГц). Эта схема описана в рамке ниже.

Малошумящий блочный преобразователь Схема, изображенная на рисунке 1, представляет собой малошумящий блочный преобразователь и предназначена для подключения к антенне приема спутникового телевидения. Его называют блочным конвертером, поскольку он преобразует большое количество спутниковых каналов в блок без попытки извлечения в конкретный канал. Несмотря на то, что передача прошла 22 000 миль от спутниковой орбиты, существует проблема с передачей сигнала на последних нескольких футах от антенны до точки, где он будет использоваться внутри объекта. Трудность заключается в том, что сигнал переносится внутрь объекта по кабелю (так называемому нисходящему проводу), а высокие частоты спутникового сигнала сильно ослабляются, когда он находится в кабеле, а не в свободном пространстве. Целью блочного преобразователя является преобразование спутникового сигнала в гораздо более низкий диапазон частот, который может обрабатываться нисходящим каналом и пользовательской приставкой . Частоты зависят от спутниковой системы и географического региона, но именно это устройство преобразует блок частот из диапазона 10,7 ГГц в 11,8 ГГц. Выходной сигнал, идущий на нисходящий канал, находится в диапазоне от 950 до 1950 МГц. два Разъемы F в нижней части устройства предназначены для подключения к нисходящим проводам. В данной конкретной модели предусмотрено два выхода (блочные преобразователи могут иметь любое количество выходов, начиная с одного), так что два телевизора или телевизор и видеомагнитофон можно настроить на два разных канала одновременно. Приемный рупор обычно крепится к круглому отверстию в центре платы. Два зонда, выступающие в это пространство, предназначены для приема сигналов с горизонтальной и вертикальной поляризацией соответственно, и устройство можно переключать между ними. В схеме можно увидеть множество структур фильтров: есть два примера полосовых фильтров с параллельными линиями, которые предназначены для ограничения входящего сигнала интересующей полосой. Относительно большая ширина резонаторов (сравните с примером микрополоски на рисунке 2 или с фильтрами гетеродина ниже и справа от центрального металлического отрезка) отражает широкую полосу пропускания, которую должен пройти фильтр. Существует также множество примеров шлейфовых фильтров, питающих Смещение постоянного тока на транзисторах и других устройствах, при этом фильтр необходим для предотвращения прохождения сигнала к источнику питания. Ряды отверстий на некоторых путях, называемые сквозными ограждениями , не являются фильтрующими конструкциями, а являются частью ограждения. Печатная плата внутри анализатора спектра Agilent N9344C с частотой 20 ГГц, на которой показаны различные элементы технологии микрополосковых фильтров с распределенными элементами.

Фильтр с распределенными элементами — электронный фильтр, в котором емкость , индуктивность и сопротивление ( элементы схемы) не локализованы в дискретных конденсаторах , катушках индуктивности и резисторах , как в обычных фильтрах. Его цель — пропускать определенный диапазон частот сигнала , но блокировать другие. Обычные фильтры состоят из катушек индуктивности и конденсаторов, а построенные таким образом схемы описываются моделью сосредоточенных элементов , которая считает, что каждый элемент «собран вместе» в одном месте. Эта модель концептуально проста, но она становится все более ненадежной по мере увеличения частоты сигнала или, что то же самое, по мере уменьшения длины волны . Модель распределенных элементов применяется на всех частотах и ​​используется в линий передачи теории ; многие компоненты с распределенными элементами состоят из коротких отрезков линии передачи. В распределенном виде цепей элементы распределены по длине проводников и неразрывно перемешаны между собой. В конструкции фильтра обычно учитываются только индуктивность и емкость, но из-за такого смешения элементов их нельзя рассматривать как отдельные «сосредоточенные» конденсаторы и катушки индуктивности. Не существует точной частоты, выше которой следует использовать фильтры с распределенными элементами, но они особенно связаны с микроволновый диапазон (длина волны менее одного метра).

Фильтры с распределенными элементами используются во многих тех же приложениях, что и фильтры с сосредоточенными элементами, например, для избирательности радиоканала, ограничения полосы пропускания шума и мультиплексирования многих сигналов в один канал. Фильтры с распределенными элементами могут быть сконструированы так, чтобы иметь любую форму полосы, возможную с элементами с сосредоточенными параметрами ( низкочастотный , полосовой и т. д.), за исключением верхних частот , которые обычно только аппроксимируются. Все классы фильтров, используемые в конструкциях с сосредоточенными элементами ( Баттерворт , Чебышев и т. д.), могут быть реализованы с использованием подхода с распределенными элементами.

Существует множество форм компонентов, используемых для создания фильтров с распределенными элементами, но все они имеют общее свойство вызывать разрывы в линии передачи. Эти разрывы представляют собой реактивное сопротивление волновому фронту, распространяющемуся по линии, и эти реактивные сопротивления могут быть выбраны в зависимости от конструкции, чтобы служить приближениями для сосредоточенных катушек индуктивности , конденсаторов или резонаторов , в зависимости от требований фильтра.

Разработка фильтров с распределенными элементами была стимулирована военной потребностью в радиолокационном и электронном противодействии во время Второй мировой войны. с сосредоточенными элементами Аналоговые фильтры были разработаны задолго до этого, но эти новые военные системы работали на микроволновых частотах, и требовались новые конструкции фильтров. Когда война закончилась, эта технология нашла применение в микроволновых сетях, используемых телефонными компаниями и другими организациями с крупными сетями фиксированной связи, такими как телевещательные компании. В настоящее время эту технологию можно найти в нескольких массово производимых потребительских товарах, таких как конвертеры (на рисунке 1 показан пример), используемые с тарелками спутникового телевидения .

Общие комментарии

Рис. 2. Фильтр из параллельных линий микрополосковой конструкции.

Символ λ используется для обозначения длины волны сигнала, передаваемого по линии или участку линии такой электрической длины .

Фильтры с распределенными элементами в основном используются на частотах выше диапазона ОВЧ (очень высоких частот) (от 30 до 300 МГц ). На этих частотах физическая длина пассивных компонентов составляет значительную долю длины волны рабочей частоты, и становится затруднительно использовать традиционную модель сосредоточенных элементов . Точный момент, когда становится необходимым моделирование с распределенными элементами, зависит от конкретной рассматриваемой конструкции. Общее практическое правило — применять моделирование распределенных элементов, когда размеры компонента превышают 0,1λ. Растущая миниатюризация электроники привела к тому, что конструкции схем становятся все меньше по сравнению с λ. В результате этих достижений частоты, за пределами которых становится необходимым подход к проектированию фильтров с распределенными элементами, становятся все выше. С другой стороны, размеры антенной конструкции обычно сравнимы с λ во всех диапазонах частот и требуют модели с распределенными элементами.

Наиболее заметное различие в поведении между фильтром с распределенными элементами и его аппроксимацией с сосредоточенными элементами заключается в том, что первый будет иметь несколько копий полосы пропускания полосы пропускания с сосредоточенными элементами прототипа , поскольку передаточные характеристики линии передачи повторяются через гармонические интервалы. Эти ложные полосы пропускания в большинстве случаев нежелательны.

Для ясности изложения на диаграммах в этой статье компоненты реализованы в полосковом формате. Это не означает предпочтения отрасли, хотя форматы плоских линий передачи (то есть форматы, в которых проводники состоят из плоских полос) популярны, поскольку их можно реализовать с использованием устоявшихся технологий производства печатных плат . Показанные структуры также могут быть реализованы с использованием технологий микрополосковых линий или скрытых полосковых линий (с соответствующими корректировками размеров) и могут быть адаптированы для коаксиальных кабелей , сдвоенных проводов и волноводов , хотя некоторые структуры более подходят для одних реализаций, чем другие. Например, реализации ряда структур с открытым проводом показаны во втором столбце на рисунке 3, а эквиваленты с открытым проводом можно найти для большинства других полосковых структур. Плоские линии передачи также используются в конструкциях интегральных схем .

История

Разработка фильтров с распределенными элементами началась за годы до Второй мировой войны. Уоррен П. Мейсон основал область схем с распределенными элементами . Основная статья на эту тему была опубликована Мэйсоном и Сайксом в 1937 году. Мейсон подал патент намного раньше, в 1927 году, и этот патент может содержать первую опубликованную электрическую конструкцию, которая отходит от анализа сосредоточенных элементов. Работа Мэйсона и Сайкса была сосредоточена на форматах коаксиального кабеля и симметричных пар проводов — планарные технологии еще не использовались. Значительные разработки были осуществлены в годы войны, что было обусловлено необходимостью фильтрации радиолокационных и электронных средств противодействия . Большая часть этого была сделана в Радиационной лаборатории Массачусетского технологического института . но в исследовании приняли участие и другие лаборатории в США и Великобритании.

некоторые важные достижения в теории сетей Прежде чем фильтры смогут выйти за рамки конструкций военного времени, потребовались . Одной из них была теория соразмерных линий Пола Ричардса . Соизмеримые линии — это сети, в которых все элементы имеют одинаковую длину (или в некоторых случаях кратную единичной длине), хотя они могут различаться по другим размерам, что дает разные характеристические импедансы. Преобразование Ричардса позволяет принять проект с сосредоточенными элементами «как есть» и преобразовать его непосредственно в проект с распределенными элементами с помощью очень простого уравнения преобразования.

Трудность преобразования Ричардса с точки зрения построения практических фильтров заключалась в том, что полученная конструкция с распределенными элементами неизменно включала последовательно соединенные элементы. Это невозможно было реализовать в планарных технологиях и часто было неудобно в других технологиях. Эту проблему решил К. Курода, применив трансформаторы сопротивления для исключения последовательных элементов. В 1955 году он опубликовал набор преобразований, известный как личности Куроды , но его работа была написана на японском языке, и прошло несколько лет, прежде чем его идеи были включены в англоязычную литературу.

После войны одним из важных направлений исследований стала попытка увеличить расчетную полосу пропускания широкополосных фильтров. Подход, использовавшийся в то время (и используемый до сих пор), заключался в том, чтобы начать с прототипа фильтра с сосредоточенными элементами и посредством различных преобразований прийти к желаемому фильтру в форме распределенных элементов. Этот подход, по-видимому, застрял на минимальном значении Q, равном пяти ( см. в разделе «Полосовые фильтры» пояснение Q ниже ). В 1957 году Лео Янг ​​из Стэнфордского исследовательского института опубликовал метод проектирования фильтров, который начался с прототипа с распределенными элементами. Этот прототип был основан на четвертьволновых трансформаторах импеданса и мог создавать конструкции с полосой пропускания до октавы , что соответствует добротности около 1,3. Некоторые из процедур Янга в этой статье были эмпирическими, но позже были опубликованы точные решения. В статье Янга конкретно рассматриваются резонаторы с прямой связью, но эту процедуру можно в равной степени применить и к другим типам резонаторов с прямой связью, например, к тем, которые используются в современных планарных технологиях и проиллюстрированы в этой статье. Емкостный щелевой фильтр (рис. 8) и фильтр с параллельными линиями (рис. 9) являются примерами резонаторов с прямой связью.

Рисунок 3. Некоторые простые конструкции планарных фильтров показаны в первом столбце. Во втором столбце показаны эквивалентные схемы с разомкнутым проводом для этих структур. Третий столбец представляет собой приближение полусосредоточенных элементов, где элементы, отмеченные K или J, являются трансформаторами импеданса или адмиттанса соответственно. В четвертом столбце показано приближение с сосредоточенными элементами, в котором дополнительно предполагается, что трансформаторы импеданса являются трансформаторами λ/4.

1. Шлейф короткого замыкания параллельно основной линии.
2. Шлейф разомкнутой цепи параллельно основной линии.
3. Линия короткого замыкания, соединенная с основной линией.
4. Спаренные короткозамкнутые линии.
5. Спаренные разомкнутые линии.

представляет собой полоску через плату, соединяющую ее с заземляющим слоем под ней.

Внедрение планарных печатных технологий значительно упростило производство многих микроволновых компонентов, включая фильтры, и тогда стало возможным создание микроволновых интегральных схем. Неизвестно, когда появились планарные линии передачи, но эксперименты с их использованием были зафиксированы еще в 1936 году. Однако изобретатель печатной полосковой линии известен; Роберт М. Барретт опубликовал эту идею в 1951 году. Барретта полосковая линия Это быстро прижилось, и вскоре столкнулась с жесткой коммерческой конкуренцией со стороны конкурирующих плоских форматов, особенно трехпластинчатых и микрополосковых . Общий термин «полосковая линия» в современном использовании обычно относится к форме, известной тогда как тройная пластина .

Ранние полосковые резонаторные фильтры с прямой связью имели концевую связь, но длина была уменьшена, а компактность постепенно увеличивалась с появлением линейных фильтров с параллельной связью. встречно-штыревые фильтры, и гребенчатые фильтры. Большая часть этой работы была опубликована группой в Стэнфорде под руководством Джорджа Маттеи, включая упомянутого выше Лео Янга, в знаковой книге, которая до сих пор служит справочником для схемотехников. Шпилька-фильтр была впервые описана в 1972 году. К 1970-м годам было описано большинство широко используемых сегодня топологий фильтров. Более поздние исследования были сосредоточены на новых или вариантах математических классов фильтров, таких как псевдоэллиптические , с использованием тех же базовых топологий или с альтернативными технологиями реализации, такими как подвесные полосковые и плавники .

Первоначально фильтры с распределенными элементами в невоенных целях применялись в микроволновых линиях связи, используемых телекоммуникационными компаниями для обеспечения магистральной сети своих сетей. Эти каналы также использовались другими отраслями с крупными фиксированными сетями, в частности телекомпаниями. Подобные приложения были частью крупных программ капиталовложений. Однако массовое производство сделало эту технологию достаточно дешевой, чтобы ее можно было использовать в отечественных системах спутникового телевидения . Новое применение — сверхпроводящие фильтры для использования в базовых станциях сотовой связи, эксплуатируемых компаниями мобильной связи.

Основные компоненты

Самая простая структура, которую можно реализовать, — это скачок характеристического сопротивления линии, который вносит разрыв в характеристики передачи. В планарных технологиях это делается путем изменения ширины линии передачи. На рисунке 4(а) показано увеличение импеданса (более узкие линии имеют более высокий импеданс). Снижение импеданса будет зеркальным отражением рисунка 4(а). Разрыв можно приблизительно представить в виде последовательного индуктора или, точнее, в виде низкочастотной Т-образной цепи, как показано на рисунке 4(а). Множественные разрывы часто объединяются с трансформаторами импеданса для создания фильтра более высокого порядка . Эти трансформаторы импеданса могут иметь лишь короткую (часто λ/4) линию передачи. Эти составные структуры могут реализовать любое из семейств фильтров ( Баттерворта , Чебышева и т. д.) путем аппроксимации рациональной передаточной функции соответствующего фильтра с сосредоточенными элементами. Это соответствие неточно, поскольку схемы с распределенными элементами не могут быть рациональными и являются основной причиной расхождения поведения сосредоточенных элементов и поведения распределенных элементов. Трансформаторы импеданса также используются в гибридных смесях фильтров с сосредоточенными и распределенными элементами (так называемые полусосредоточенные структуры).

Рисунок 4. Дополнительные полосковые элементы и их аналоги с сосредоточенными элементами.

1. Резко ступенчатый импеданс.
2. Линия внезапно обрывается.
3. Отверстие или разрез в линии.
4. Поперечная полупрорезь поперек линии.
5. Пробел в линии.

Еще одним очень распространенным компонентом фильтров с распределенными элементами является заглушка . В узком диапазоне частот шлейф может использоваться как конденсатор или дроссель (его полное сопротивление определяется его длиной), но в широком диапазоне он ведет себя как резонатор. Короткозамкнутые шлейфы с номинальной четвертьволновой длиной (рисунок 3(a)) ведут себя как шунтирующие LC- антирезонаторы , а шлейф с разомкнутой цепью номинально с четвертьволновой длиной (рисунок 3(b)) ведет себя как последовательный LC- резонатор . Шлейфы также можно использовать вместе с трансформаторами импеданса для создания более сложных фильтров, и, как и следовало ожидать, исходя из их резонансной природы, они наиболее полезны в полосовых приложениях. Хотя шлейфы разомкнутой цепи легче изготовить с использованием планарных технологий, у них есть тот недостаток, что оконечная нагрузка значительно отклоняется от идеальной разомкнутой цепи (см. рисунок 4(b)), что часто приводит к предпочтению шлейфов короткого замыкания (всегда можно использоваться вместо другого путем добавления или вычитания λ/4 к длине или из нее).

Винтовой резонатор похож на шлейф в том, что для его представления требуется модель с распределенными элементами, но на самом деле он построен с использованием элементов с сосредоточенными параметрами. Они построены непланарного формата и состоят из катушки проволоки на каркасе и сердечнике и соединены только с одного конца. Устройство обычно находится в экранированном корпусе с отверстием сверху для регулировки сердечника. Физически он часто очень похож на сосредоточенные LC-резонаторы, используемые для аналогичной цели. Они наиболее полезны в верхних диапазонах ОВЧ и нижних диапазонах УВЧ , тогда как шлейфы чаще применяются в верхних диапазонах УВЧ и СВЧ .

Связанные линии (рис. 3(ce)) также могут использоваться в качестве фильтрующих элементов; как и шлейфы, они могут действовать как резонаторы и также могут быть заделаны при коротком замыкании или разомкнутом замыкании. Спаренные линии, как правило, предпочтительнее в планарных технологиях, где их легко реализовать, тогда как шлейфы, как правило, предпочтительнее в других местах. Реализация истинно разомкнутой цепи в планарной технологии невозможна из-за диэлектрического эффекта подложки, который всегда гарантирует, что эквивалентная схема содержит шунтирующую емкость. Несмотря на это, разомкнутые цепи часто используются в планарных форматах, а не в коротких замыканиях, поскольку их легче реализовать. Многочисленные типы элементов можно классифицировать как связанные линии, а на рисунках показаны наиболее распространенные из них.

Некоторые распространенные структуры показаны на рисунках 3 и 4 вместе с их аналогами из сосредоточенных элементов. Эти приближения с сосредоточенными элементами следует рассматривать не как эквивалентные схемы, а скорее как руководство к поведению распределенных элементов в определенном диапазоне частот. На рисунках 3(a) и 3(b) показаны шлейф короткого замыкания и разомкнутой цепи соответственно. Когда длина шлейфа равна λ/4, они ведут себя соответственно как антирезонаторы и резонаторы и поэтому полезны соответственно в качестве элементов полосовых и полосовых фильтров . На рисунке 3(c) показана короткозамкнутая линия, соединенная с основной линией. Он также ведет себя как резонатор, но обычно используется в фильтрах нижних частот с резонансной частотой, находящейся далеко за пределами интересующей полосы. На рисунках 3(d) и 3(e) показаны структуры связанных линий, которые полезны в полосовых фильтрах. Структуры на рисунках 3(c) и 3(e) имеют эквивалентные схемы с шлейфами, включенными последовательно с линией. Такую топологию легко реализовать в открытых схемах, но не с помощью планарной технологии. Таким образом, эти две структуры полезны для реализации эквивалентного элемента серии.

Фильтры нижних частот

Микрополосковый фильтр нижних частот, реализованный с помощью шлейфов-бабочек внутри анализатора спектра Agilent N9344C, 20 ГГц.

Рисунок 5. Фильтр нижних частот со ступенчатым сопротивлением, образованный из чередующихся участков линии с высоким и низким сопротивлением.

Фильтр нижних частот можно реализовать непосредственно на основе прототипа лестничной топологии с сосредоточенными элементами с помощью фильтра ступенчатого импеданса, показанного на рисунке 5. Это также называется схемой каскадных линий . Фильтр состоит из чередующихся секций линий с высоким и низким сопротивлением, которые соответствуют последовательным индукторам и шунтирующим конденсаторам в реализации с сосредоточенными элементами. Фильтры нижних частот обычно используются для подачи смещения постоянного тока (DC) на активные компоненты. Фильтры, предназначенные для этого применения, иногда называют дросселями . В таких случаях длина каждого элемента фильтра составляет λ/4 (где λ — длина волны основного линейного сигнала, блокируемого от передачи в источник постоянного тока), а высокоомные участки линии выполняются узкими. так как технология изготовления позволит максимально увеличить индуктивность. Дополнительные секции могут быть добавлены по мере необходимости для повышения производительности фильтра, как и для аналога с сосредоточенными элементами. Помимо показанной плоской формы, эта структура особенно хорошо подходит для коаксиальных реализаций с чередующимися дисками из металла и изолятора, навинченными на центральный проводник.

Рисунок 6. Другая форма фильтра нижних частот со ступенчатым сопротивлением, включающая шунтирующие резонаторы.

Более сложный пример конструкции ступенчатого импеданса представлен на рисунке 6. Опять же, узкие линии используются для реализации катушек индуктивности, а широкие линии соответствуют конденсаторам, но в этом случае аналог с сосредоточенными элементами имеет резонаторы, подключенные шунтирующим образом поперек основной линии. Эту топологию можно использовать для разработки эллиптических фильтров или фильтров Чебышева с полюсами затухания в полосе задерживания . Однако вычисление значений компонентов для этих структур является сложным процессом и привело к тому, что проектировщики часто предпочитали вместо этого реализовывать их как фильтры, производные от m , которые работают хорошо и их гораздо легче рассчитать. Целью включения резонаторов является улучшение подавления полосы задерживания . Однако за пределами резонансной частоты резонатора самой высокой частоты заграждение в полосе задерживания начинает ухудшаться по мере того, как резонаторы движутся к разомкнутой цепи. По этой причине фильтры, построенные по такой конструкции, часто имеют дополнительный конденсатор с одинарным ступенчатым сопротивлением в качестве последнего элемента фильтра. Это также обеспечивает хорошее подавление на высоких частотах.

Рисунок 7. Фильтры нижних частот, построенные из шлейфов.

1. Стандартные шлейфы на чередующихся сторонах основной линии на расстоянии λ/4 друг от друга.
2. Аналогичная конструкция с использованием заглушек-бабочек.
3. Различные формы заглушек, соответственно, двойные параллельные заглушки, радиальные заглушки, заглушки-бабочки (параллельно расположенные радиальные заглушки), заглушки типа клеверного листа (тройные параллельные радиальные заглушки).

Другой распространенный метод проектирования нижних частот заключается в реализации шунтирующих конденсаторов в виде шлейфов с резонансной частотой, установленной выше рабочей частоты, чтобы импеданс шлейфа был емкостным в полосе пропускания. Эта реализация имеет аналог с сосредоточенными элементами общей формы, аналогичный фильтру на рисунке 6. Если позволяет место, шлейфы могут быть установлены на разных сторонах основной линии, как показано на рисунке 7 (a). Целью этого является предотвращение связи между соседними шлейфами, которая ухудшает характеристики фильтра из-за изменения частотной характеристики. Однако структура, в которой все заглушки находятся на одной стороне, по-прежнему считается допустимой конструкцией. Если шлейф должен представлять собой линию с очень низким импедансом, шлейф может быть неудобно широким. В этих случаях возможным решением является параллельное соединение двух более узких шлейфов. То есть каждая позиция заглушки имеет заглушку с обеих сторон линии. Недостатком этой топологии является то, что на длине линии λ/2, образованной двумя шлейфами вместе, возможны дополнительные поперечные резонансные моды. Для конструкции дросселя требование состоит в том, чтобы просто сделать емкость как можно большей, для чего можно использовать шлейф максимальной ширины λ/4 с параллельными шлейфами по обе стороны от основной линии. Полученный фильтр очень похож на фильтр со ступенчатым сопротивлением, показанный на рисунке 5, но был разработан на совершенно других принципах. Трудность с использованием заглушек такой ширины заключается в том, что точка, в которой они подключаются к основной линии, не определена. Шлейф, узкий по сравнению с λ, можно считать соединенным по его центральной линии, и расчеты, основанные на этом предположении, позволят точно предсказать реакцию фильтра. Однако для широкого шлейфа расчеты, предполагающие, что боковая ветвь подключена в определенной точке основной линии, приводят к неточностям, поскольку это уже не является хорошей моделью схемы передачи. Одним из решений этой проблемы является использование радиальных шлейфов вместо линейных шлейфов. Пара радиальных шлейфов, расположенных параллельно (по одному с каждой стороны от основной лески), называется шлейфом-бабочкой (см. рисунок 7 (b)). Группа из трех параллельных радиальных заглушек, которая может быть достигнута в конце линии, называется заглушкой в ​​виде клеверного листа.

Полосовые фильтры

Полосовой фильтр можно сконструировать с использованием любых элементов, способных резонировать. Фильтры с использованием заглушек явно можно сделать полосовыми; Возможны многочисленные другие структуры, некоторые из которых представлены ниже.

Важным параметром при обсуждении полосовых фильтров является фракционная полоса пропускания. Это определяется как отношение полосы пропускания к геометрической центральной частоте. называется добротностью Q. этой величины Обратная величина Если ω ₁ и ω ₂ — частоты краев полосы пропускания, то:

пропускная способность $\Delta \omega =\omega _{2}-\omega _{1}\,$,

геометрическая центральная частота $\omega _{0}={\sqrt {\omega _{1}\omega _{2}}}$ и

$Q={\frac {\omega _{0}}{\Delta \omega }}$

Емкостный фильтр с зазором

Рисунок 8. Полосковый фильтр с емкостным зазором

Структура с емкостным зазором состоит из участков линии длиной около λ/2, которые действуют как резонаторы и соединены «торцом» через разрывы в линии передачи. Он особенно подходит для плоских форматов, легко реализуется с помощью печатных плат и имеет то преимущество, что занимает не больше места, чем простая линия передачи. Ограничением этой топологии является то, что производительность (особенно вносимые потери ) ухудшается с увеличением дробной полосы пропускания, и приемлемые результаты не достигаются при Q меньше примерно 5. Еще одна трудность при создании проектов с низкой добротностью заключается в том, что ширина зазора должна быть меньше для более широких дробных полос пропускания. Минимальная ширина зазоров, как и минимальная ширина дорожек , ограничена разрешением технологии печати.

Фильтр параллельных линий

Рисунок 9. Фильтр полосковых параллельных линий. Этот фильтр обычно печатается под углом, как показано на рисунке, чтобы минимизировать занимаемое пространство на плате, хотя это не является существенной особенностью конструкции. Конечный элемент или перекрывающиеся половины двух концевых элементов также обычно имеют меньшую ширину для целей согласования (не показано на этой схеме, см. Рисунок 1).

Параллельно-связанные линии — еще одна популярная топология печатных плат, для которой линии разомкнутой цепи проще всего реализовать, поскольку производство состоит не более чем из печатной дорожки. Конструкция состоит из ряда параллельных резонаторов λ/2, но с каждым из соседних резонаторов связана только λ/4, образуя шахматную линию, как показано на рисунке 9. При использовании этого фильтра возможна более широкая фракционная полоса пропускания, чем при использовании емкостного фильтра. фильтр с зазором, но аналогичная проблема возникает и на печатных платах, поскольку диэлектрические потери уменьшают Q . Линии с более низким Q требуют более тесной связи и меньших зазоров между ними, что ограничивается точностью процесса печати. Одним из решений этой проблемы является печать трека на нескольких слоях, при этом соседние линии перекрываются, но не соприкасаются, поскольку они находятся на разных слоях. Таким образом, линии могут быть связаны по всей их ширине, что приводит к гораздо более сильной связи, чем когда они расположены от края к краю, и становится возможным больший зазор при той же производительности.

Микрополосковый шпильчатый фильтр, за которым следует шлейфовый фильтр нижних частот на печатной плате анализатора спектра Agilent N9344C, работающий на частоте 20 ГГц.

Для других (непечатных) технологий предпочтительными могут быть линии короткого замыкания, поскольку короткое замыкание обеспечивает механическую точку крепления линии, а добротность для механической поддержки не требуются диэлектрические изоляторы, уменьшающие . За исключением механических и монтажных причин, предпочтения разомкнутой цепи по сравнению с короткозамкнутыми линиями невелики. Обе структуры могут реализовать один и тот же диапазон реализаций фильтров с одинаковыми электрическими характеристиками. Оба типа фильтров с параллельной связью теоретически не имеют паразитных полос пропускания на удвоенной центральной частоте, как это наблюдается во многих других топологиях фильтров (например, шлейфах). Однако подавление этой паразитной полосы пропускания требует идеальной настройки связанных линий, что на практике не реализуется, поэтому на этой частоте неизбежно остается некоторая остаточная паразитная полоса пропускания.

Микрополосковый фильтр на печатной плате, реализованный в анализаторе спектра Agilent N9344C.

Фильтр-шпилька — это еще одна структура, в которой используются параллельно связанные линии. В этом случае каждая пара параллельно связанных линий соединяется со следующей парой коротким звеном. Образовавшиеся таким образом U-образные формы дали начало названию « шпилька- фильтр » . В некоторых конструкциях линия связи может быть длиннее, образуя широкую шпильку с трансформатором импеданса λ/4 между секциями.

Рисунок 10. Полосковый фильтр-шпилька

Угловые изгибы, показанные на рисунке 10, являются общими для полосковых конструкций и представляют собой компромисс между острым прямым углом, который создает большую неоднородность, и плавным изгибом, который занимает больше площади платы, которая в некоторых продуктах может быть сильно ограничена. Такие изгибы часто встречаются на длинных стойках, которые иначе невозможно было бы разместить в доступном пространстве. Эквивалентная схема этого типа разрыва с сосредоточенными элементами аналогична разрыву ступенчатого импеданса. Примеры таких заглушек можно увидеть на входах смещения нескольких компонентов на фотографии вверху статьи.

Встречно-цифровой фильтр

Рисунок 11. Полосковый встречно-штыревой фильтр

Три встречно-разрядных линейных фильтра на печатной плате анализатора спектра

Встречно-штыревые фильтры — это еще одна форма фильтра со связанной линией. Каждый участок линии имеет длину около λ/4 и заканчивается коротким замыканием только на одном конце, а другой конец остается разомкнутым. Короткозамкнутый конец чередуется на каждом участке линии. Эту топологию легко реализовать в планарных технологиях, но она особенно удобна для механической сборки линий, закрепленных внутри металлического корпуса. Линии могут представлять собой либо круглые стержни, либо прямоугольные стержни, а подключение к линии коаксиального формата легко. Как и в случае с сетевым фильтром с параллельным соединением, преимуществом механической конструкции, не требующей опорных изоляторов, является отсутствие диэлектрических потерь. Требования к расстоянию между линиями не такие строгие, как в структуре параллельных линий; таким образом, может быть достигнута более высокая относительная полоса пропускания, и возможны значения Q до 1,4.

Гребенчатый фильтр аналогичен встречно-штыревому фильтру тем, что поддается механической сборке в металлическом корпусе без диэлектрической опоры. В случае гребенчатой ​​линии все линии закорочены на одном и том же конце, а не на разных концах. Другие концы заземлены конденсаторами, поэтому конструкция классифицируется как полусосредоточенная. Главное преимущество этой конструкции состоит в том, что верхнюю полосу задерживания можно сделать очень широкой, то есть свободной от паразитных полос пропускания на всех интересующих частотах.

Заглушки полосовых фильтров

Рисунок 12. Полосковый шлейфовый фильтр, состоящий из короткозамкнутых шлейфов λ/4.

Как упоминалось выше, шлейфы подходят для полосовых конструкций. Их общая форма аналогична шлейфовым фильтрам нижних частот, за исключением того, что основная линия больше не представляет собой узкую линию с высоким импедансом. Разработчики имеют на выбор множество различных топологий фильтров-заглушек, некоторые из которых дают идентичные ответы. Пример шлейфового фильтра показан на рисунке 12; он состоит из ряда короткозамыкающих шлейфов λ/4, соединенных между собой трансформаторами импеданса λ/4.

Шлейфы в корпусе фильтра представляют собой шлейфы с двойным параллельным соединением, тогда как шлейфы на концевых секциях являются только одинарными, что дает преимущества согласования импеданса. Трансформаторы импеданса преобразуют ряд шунтирующих антирезонаторов в лестницу последовательных резонаторов и шунтирующих антирезонаторов. Фильтр с аналогичными свойствами может быть построен с шлейфами разомкнутой цепи λ/4, включенными последовательно с линией и соединенными вместе с трансформаторами импеданса λ/4, хотя такая конструкция невозможна в планарных технологиях.

Еще одна доступная конструкция — это шлейфы разомкнутой цепи λ/2, соединенные с трансформаторами импеданса λ/4. Эта топология имеет как низкочастотные, так и полосовые характеристики. Поскольку он пропускает постоянный ток, можно передавать напряжения смещения на активные компоненты без необходимости использования блокирующих конденсаторов. Кроме того, поскольку короткозамыкающие перемычки не требуются, при реализации в виде полосковой линии не требуются никакие сборочные операции, кроме печати на плате. Недостатки:

(i) фильтр займет больше места на плате, чем соответствующий шлейфовый фильтр λ/4, поскольку все шлейфы в два раза длиннее;

(ii) первая полоса пропускания паразитных сигналов находится на уровне 2ω ₀ , в отличие от 3ω ₀ для шлейфового фильтра λ/4.

Рисунок 13. Заглушка-бабочка Кониси под углом 60°.

Кониси описывает широкополосный полосовой фильтр 12 ГГц, в котором используются шлейфы-бабочки с углом 60°, а также имеется низкочастотный отклик (для предотвращения такого отклика необходимы шлейфы короткого замыкания). Как это часто бывает с фильтрами с распределенными элементами, форма полосы, по которой классифицируется фильтр, во многом зависит от того, какие полосы желательны, а какие считаются паразитными.

Фильтры верхних частот

Настоящие фильтры верхних частот сложно, если вообще возможно, реализовать с помощью распределенных элементов. Обычный подход к проектированию состоит в том, чтобы начать с полосового проектирования, но сделать так, чтобы верхняя полоса задерживания располагалась на настолько высокой частоте, что она не представляет интереса. Такие фильтры описываются как псевдовысокочастотные, а верхняя полоса задерживания описывается как рудиментарная полоса задерживания. Даже структуры, которые, казалось бы, имеют «очевидную» топологию верхних частот, такие как фильтр с емкостным зазором на рисунке 8, оказываются полосовыми, если рассматривать их поведение на очень коротких длинах волн.

См. также

• RF и микроволновый фильтр
• Волноводный фильтр
• Спурлин
• Делители мощности и направленные ответвители

Библиография

• Бахл, И. Дж. Сосредоточенные элементы для ВЧ и СВЧ схем , Artech House, 2003 г. ISBN   1-58053-309-4 .
• Барретт, Р.М. и Барнс, М.Х. «СВЧ-печатные схемы», Radio Telev. , т.46 , с. 16 сентября 1951 года.
• Барретт, Р.М. «Травленые листы служат компонентами микроволновой печи», Electronics , том 25 , стр. 114–118, июнь 1952 г.
• Бенуа, Спутниковое телевидение Эрве : методы аналогового и цифрового телевидения , Баттерворт-Хайнеманн, 1999 г. ISBN   0-340-74108-2 .
• Бхат, Бхарати и Коул, Шибан К. Полосковые линии передачи для микроволновых интегральных схем , New Age International, 1989. ISBN   81-224-0052-3 .
• Карр, Джозеф Дж. Справочник радиоприемника для технического специалиста , Newnes, 2001 г. ISBN   0-7506-7319-2
• Кон, С.Б. «Резонаторные фильтры линии передачи с параллельной связью» , IRE Transactions: Microwave Theory and Techniques , vol.MTT-6 , стр. 223–231, апрель 1958 г.
• Коннор, Передача волн FR , Edward Arnold Ltd., 1972 г. ISBN   0-7131-3278-7 .
• Кристал, Э.Г. и Франкель, С. «Шпилька/полуволновые фильтры с параллельной связью» , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , vol.MTT-20 , стр. 719–728, ноябрь 1972 г.
• Фаген, доктор медицинских наук и Миллман, С. История техники и науки в системе Bell: Том 5: Науки о связи (1925–1980) , AT&T Bell Laboratories, 1984.
• Фараго, П.С. Введение в линейный сетевой анализ , English Universities Press, 1961.
• Форд, Питер Джон и Сондерс, Джорджия. Рост сверхпроводников , CRC Press, 2005 г. ISBN   0-7484-0772-3 .
• Голио, Джон Майкл. Справочник по радиочастотным и микроволновым технологиям , CRC Press, 2001 г. ISBN   0-8493-8592-X .
• Хун, Цзя-Шенг и Ланкастер, М.Дж. Микрополосковые фильтры для ВЧ/СВЧ-приложений , Джон Вили и сыновья, 2001 г. ISBN   0-471-38877-7 .
• Хуурдеман, Антон А. Всемирная история телекоммуникаций , Wiley-IEEE, 2003 г. ISBN   0-471-20505-2 .
• Жарри, Пьер и Бенит, Жак Проектирование и реализация миниатюрных фрактальных микроволновых и радиочастотных фильтров , Джон Уайли и сыновья, 2009 г. ISBN   0-470-48781-X .
• Кнеппо, Иван Микроволновые интегральные схемы , Springer, 1994 г. ISBN   0-412-54700-7 .
• Кониши, Ёсихиро Микроволновые интегральные схемы , CRC Press, 1991 г. ISBN   0-8247-8199-6 .
• Ли, Томас Х. Планарная микроволновая техника: практическое руководство по теории, измерениям и схемам , Cambridge University Press, 2004 г. ISBN   0-521-83526-7 .
• Леви, Р. «Теория фильтров с прямой связанной полостью» , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , vol.MTT-15 , стр. 340–348, июнь 1967 г.
• Леви, Р. Кон, С.Б., «История исследований, проектирования и разработки микроволновых фильтров» , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , стр. 1055–1067, том 32 , выпуск 9, 1984.
• Лундстрём, Ларс-Ингемар: Понимание цифрового телевидения , Elsevier, 2006 г. ISBN   0-240-80906-8 .
• Макимото, Мицуо и Ямасита, Садахико «СВЧ-резонаторы и фильтры для беспроводной связи: теория, конструкция и применение» , Springer, 2001 г. ISBN   3-540-67535-3 .
• Мейсон, В.П. и Сайкс, Р.А. «Использование коаксиальных и симметричных линий передачи в фильтрах и широкополосных трансформаторах для высоких радиочастот» , Bell Syst. Тех. Дж. , том 16 , стр. 275–302, 1937.
• Маттеи, Г.Л. «Встречно-штыревые полосовые фильтры» , IRE Transactions: Microwave Theory and Techniques , vol.MTT-10 , стр. 479–491, ноябрь 1962 г.
• Маттеи, Г.Л. «Гребенчатые полосовые фильтры узкой или умеренной полосы пропускания», Microwave Journal , том 6 , стр. 82–91, август 1963 г.
• Маттеи, Джордж Л.; Янг, Лео и Джонс, СВЧ-фильтры ЕМТ, сети согласования импеданса и структуры связи. МакГроу-Хилл, 1964 г. (издание 1980 г.) ISBN   0-89006-099-1 ).
• Ниехенке, ЕС; Пусель, Р.А. и Бахл, И.Дж. «Интегральные схемы СВЧ и миллиметрового диапазона» , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , ' vol.50 , Iss. 3 марта 2002 г., стр. 846–857.
• Ди Паоло, Сети Франко и устройства, использующие плоские линии передачи , CRC Press, 2000 ISBN   0-8493-1835-1 .
• Рэган, Г.Л. (редактор) СВЧ-схемы передачи , Радиационная лаборатория Массачусетского технологического института, Dover Publications, 1965.
• Ричардс, П.И. «Резисторные цепи линий передачи» , Труды IRE , том 36 , стр. 217–220, февраль 1948 г.
• Роджерс, Джон В.М. и Плетт, Проектирование радиочастотных интегральных схем Кальвина , Artech House, 2003 г. ISBN   1-58053-502-X .
• Саркар, Тапан К. История беспроводной связи , Джон Уайли и сыновья, 2006 г. ISBN   0-471-71814-9 .
• Севги, Комплексные электромагнитные проблемы Левента и подходы к численному моделированию , Wiley-IEEE, 2003 г. ISBN   0-471-43062-5 .
• Терстон, Роберт Н., «Уоррен П. Мейсон: 1900–1986» , Журнал Акустического общества Америки , том. 81, вып. 2, стр. 570–571, ​​февраль 1987 г.
• Янг, Л. «Резонаторные фильтры с прямой связью для широкой и узкой полосы пропускания» IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , vol.MTT-11 , стр. 162–178, май 1963 г.