Блок формирования сигналов вспомогательного гетеродина

Рис. 5.8«Схема фильтра со встечно-штыревым включением резонаторов»

Рис. 5.9«Коэффициент передачи и коэффициент отражения фильтра до оптимизации»

Рис. 5.10«Коэффициент передачи и коэффициент отражения фильтра после оптимизации»

Рис. 5.11«Топологическая схема фильтра»

Фильтр прост в производстве, что является существенным преимуществом перед другими, сложно выполняемыми фильтрами. Размеры топологии 11,3 мм по ширине и по высоте - 9,44 мм. Достаточно компактный фильтр, но есть недостатки: это поднятие характеристики коэффициента передачи на ВЧ, в то время, когда именно на высоких частотах затухание данной характеристики должно быть максимально, а также плохое затухание на НЧ. Но недостатки на более низких частотах, потом можно будет убрать добавлением ещё одно фильтра, если такие меры буду необходимы.

Рассмотрим структуру, которую нам не позволяет строить AWR Filter Synthesis Wizard, чуть отличающуюся от предыдущей, так как до холостого хода мы удлинили расстояние. Получившиеся схему, графики и топологию посмотрим на рис. 5.12 - 5.14.

Рис. 5.12«Схема фильтра со встречно-штыревым включением резонаторов»

Рис. 5.13«Коэффициент передачи и коэффициент отражения фильтра»

Рис. 5.14«Топологическая схема фильтра»

Площадка, которую занимает получившаяся топология, имеет размер около 11,6 мм по ширине и 11,8 мм по высоте.

В данном случае изменения не принесли каких-либо особых положительных изменений.

5.6 Гребенчатый фильтр

Резонаторы в гребенчатом фильтре обычно в длину меньше четверти длины волны. Проводящие линии с одной стороны заземлены, а с другой или имеют открытый конец, или конец с емкостью перед заземлением. Главным достоинством таких фильтров является их компактность. И характеристики, в общем случае, удовлетворяют требованиям. Рассмотрим все структуры.

Фильтр со схемой на рис. 5.15 и характеристиками на рис. 5.16 имеет следующие размеры топологии (рис. 5.17) - ширина:11,9 мм, высота: 9,6 мм.

Рис. 5.15«Схема гребенчатого фильтра»

Рис. 5.16«Коэффициент передачи и коэффициент отражения фильтра»

Рис. 5.17«Топологическая схема фильтра»

Конструкция второго типа с емкостями на концах проводящих линий изображена на рис. 5.18 - 5.20.

Рис. 5.18«Схема гребенчатого фильтра»

Рис. 5.19«Коэффициент передачи и коэффициент отражения фильтра»

Рис. 5.20«Топологическая схема фильтра»

Размеры: по горизонтали - 12,12 мм, по вертикали - 4, 35 мм.

Ещё один вариант гребенчатого фильтра на рис. 5.21 - 5.23.

Рис. 5.21«Схема гребенчатого фильтра»

Рис. 5.22«Коэффициент передачи и коэффициент отражения фильтра»

Рис. 5.23«Топологическая схема фильтра»

Размеры: ширина - 12,78 мм, высота - 9,52 мм.

5.7 Фильтр на четвертьволновых проводящих шлейфах

Особенностью является построение конструкции из отрезков проводящих линий в четверть длины волны, разделенных проводящими отрезками. В процессе оптимизации длины шлейфов меняются, некоторые из них достигают полдлины волны. Конструкция, которую предлагает AWR Filter Synthesis Wizard, и её характеристики см. рис. 5.24 - 5.26.

Опять рассмотрим несколько конструкций.

Рис. 5.24«Схема фильтра на четвертьволновых проводящих шлейфах»

Рис. 5.25«Коэффициент передачи и коэффициент отражения фильтра»

Рис. 5.26«Топологическая схема фильтра»

98,45 мм на 24 мм - это размеры топологической модели на рис. 5.26.

Постоим аналогичную структуру, но с разомкнутыми шлейфами на конце (рис. 5.27 - 5.29). AWR Filter Synthesis Wizard не строит такой вариант.

Рис. 5.27 «Схема фильтра на четвертьволновых проводящих шлейфах»

Рис. 5.28«Коэффициент передачи и коэффициент отражения фильтра»

Рис. 5.29«Топологическая схема фильтра»

78,5 мм на 21 мм - это размеры топологической модели на рис. 5.29.

В результате, вторая структура на шлейфах имеет меньшие размеры и ничем не уступает по характеристикам, а сделать её конструктивно легче.

5.8 Шпилечный фильтр

Шпилечный фильтр представляет собой полуволновые проводящие линии, согнутые в виде шпильки или буквы U. Формируют фильтр с помощью «шпилек», повернутый относительно соседних на 180°. Связь между концами соседних резонаторов считается сильнее связи между концами одного резонатора, но эта слабая связь на высоких частотах все равно учитывается.

Рассмотрим сначала идеальный фильтр-шпильку на рис. 5.30 с характеристиками на рис. 5.31.

Рис. 5.30«Схема идеального шпилечного фильтра»

Рис. 5.31«Коэффициент передачи и коэффициент отражения фильтра»

Реальная же схема (рис. 5.32) получается очень сложной не только в исполнении, но и в настройке. Поэтому на оптимизацию уходит достаточно долго времени.

Следовательно, и характеристики (рис. 5.33) получаются не слишком хорошими.

Рис. 5.32«Схема реального шпилечного фильтра»

Рис. 5.33«Коэффициент передачи и коэффициент отражения фильтра»

Размеры же данного фильтра оставляют желать лучшего.

Так как некоторые структуры из вышерассмотренных удовлетворяют не всем требованиям, то нужно убедится в том, что эти фильтры наиболее оптимальные. Для этого выберем несколько структур СВЧ-фильтров, которые представлены в [2].

5.9 Структуры фильтров, которые не моделируются AWR Filter Synthesis Wizard

В первой структуре длины как шлейфов, так и линий между шлейфами колеблются между четвертью и половиной длины волны (рис. 5.34). характеристики изображены на рис. 5.35.

Рис. 5.34«Схема фильтра»

Рис. 5.35«Коэффициент передачи и коэффициент отражения фильтра»

Рис. 5.36«Топологическая схема фильтра»

Размеры площадки, которую занимает топология, изображенная на рис. 5.36 - 84,8 мм по ширине и 37 мм по высоте.

Рассмотрим другую структуру (рис. 5.37 - 5.38)

Рис. 5.37«Схема фильтра»

Рис. 5.38«Коэффициент передачи и коэффициент отражения фильтра»

Топологическая структура фильтра аналогичная структуре на рис. 5.36, но размеры имеет поменьше ширина - 79 мм и высота - 37 мм.

5.10 Основные выводы по выбору фильтра

В пунктах с 5.4 по 5.9 было рассмотрено множество структурных схем полосно-пропускающих фильтров. При выборе наиболее удачного фильтра стоит задача оптимального выбора между качеством фильтрации и размером фильтрующего устройства.

Наиболее оптимальными в смысле комбинации качества и размера являются встречно-штыревые фильтры и гребенчатые. Они обладают наименьшими размерами из всех рассмотренных структур и их характеристики удовлетворяют всем требованиям по затуханию и передаче.

После проведенных исследований, можно сказать, что функция компьютерной оптимизации - один из самых эффективных методов в разработке и настройке фильтров, её использование дает, по сравнению с ручной настройкой, быстрый и вполне удовлетворительный результат. От пользователя требуется задать границы, в пределах которых может изменяться тот или иной параметр. Это экономит время и увеличивает производительность, что немало важно в наше время.

Также не стоит пренебрегать построением фильтров вручную, т.е. без использования AWR Filter Synthesis Wizard. Это помогает разобраться в структурах фильтров и их различных комбинациях. Также некоторые изменения в структуре, построенной компьютером, иногда приводят к улучшениям, как в характеристиках, так и в размерах фильтров. Так вышло с фильтрами на шлейфах. Компьютером была предложена структура с короткозамкнутыми шлейфами, но, построив фильтр со свободными шлейфами на концах, мы получили такие же характеристики, но размеры топологии заметно уменьшились.

6. ВЫБОР УСИЛИТЕЛЯ ДЛЯ СХЕМЫ

Усиление колебаний может осуществляться как до преобразования частоты, так и после. В нашем случае усиление происходит после поднятия частоты до 3 ГГц. На СВЧ применяют усилители на полевых и биполярных транзисторах, на туннельных диодах, параметрические и квантовые. В усилителях вместе с усилением обеспечивается и частотная селективность. Для этого усилители содержат резонансные цепи. К основным параметрам и свойствам усилителей можно отнести: коэффициент усиления, селективность, коэффициент шума, искажение сигнала и устойчивость, т.е. способность усилителя сохранять в процессе эксплуатации основные свойства и характеристики.

Рассчитаем, какой коэффициент усиления нам потребуется. По графикам найдем потери смесителя (Conversion Loss) на средней частоте (3 ГГц):

Loss=6 дБ

Модно записать, что коэффициент передачи смесителя в децибелах:

Р_ВХ.=6 дБ

Мы знаем входную мощность сигнала, она нам задана техническим заданием:

Р_ВХ.=10 мВт=10 дБм

Тогда мощность сигнала на выходе смесителя будет равна:

Р_ВЫХ.СМ.= 10-6=4 дБм

Ранее были рассчитаны потери в фильтре в полосе пропускания, запишем их как коэффициент передачи фильтра в децибелах:

К_Ф.=-2,36 дБ

Мощность с выхода смесителя является мощностью входного сигнала для фильтра, поэтому мощность на выходе фильтра будет равна:

Р_ВЫХ.Ф.= 4-2,36=1,64 дБм

Техническим заданием определено, что с выхода схемы должен сниматься сигнал мощностью 50 мВт = 17 дБм, зная это значение можем найти коэффициент усиления, который нам требуется:

К_УСИЛ.= Р_ВЫХ./ Р_ВЫХ.Ф.=17-1,64=15,36 дБ

Из представленного многообразия усилителей поверхностного монтажа я выбирала модель ERA-5+, параметры получились чуть-чуть с запасом усиление (Gain) 16,7 дБ на частоте 3 ГГц, диапазон рабочих частот от 0 до 4 ГГц. Остальные параметры можно посмотреть в приложении № 2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе была поставлена задача разработать и исследовать блок формирования сигналов вспомогательного гетеродина. Определив, что структура данного устройства состоит из смесителя, полосового фильтра и усилителя, было сделано следующее:

- Был выбран смеситель из представленной каталога фирмы-производителя MiniCircuits, исходя из требований к входному сигналу и частоте выходного сигнала. Модель SIM-U432H+.

- Были промоделированы несколько структур полосно-пропускающих СВЧ-фильтров и сделаны выводы относительно того, какие фильтры наиболее удачны в исполнении на микрополосках, характеристики каких фильтров наилучшим образом сочетаются с размерами самого фильтра.

- Также был выбран усилитель, который обеспечивает необходимое усиление сигнала для обеспечения заданного уровня сигнала на выходе. Модель ERA-5+ выбрана из списка усилителей, который представила фирма MiniCircuits на своем сайте.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бова Н.Т., Резников Г.Б. Антенны и устройства СВЧ. Киев: Вища школа, 1977. 260 с.

2. Маттей Г.Л., Янг Л., Джонс Е.М. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Т.№ 1. М.: Связь,1971. 440с.

3. Маттей Г.Л., Янг Л., Джонс Е.М. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Т.№ 2. М.: Связь,1972. 496с.

4. Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ: Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1981. 295с.

5. Полосковые платы и узлы. Проектирование и изготовление / Е.П. Котов, В.Д. Каплун, А.А.Тер-Маркарян и др. М.:Советское радио, 1979. 248с.

6. Справочник по элементам полосковой техники /О.И. Мазепова, В.П. Мещанов, Н.И. Прохорова и др. М.: Связь, 1979. 336 с.

7. радиопередающие устройства: Учебник для вузов / Под ред. М.В. Благовещенского, Г.М. Уткина. М.: Радио и связь, 1982. 408 с.

8. Буга Н.Н., Фалько А.И., Чистяков Н.И. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1986. 320 с.

9. Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. техническая электродинамика. Учебное пособие для вузов. М.: Радио и связь, 2002. 536 с.

10. Даррен Конвей. Мощные высокочастотные смесители // http://www.chipnews.ru/html.cgi/arhiv_i/99_02/stat-23.htm

11. Белов Л. Преобразователи частоты. Современные ВЧ-компоненты //Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2004. №2. стр. 44-50.

12. Lloyd Butler (VK5BR). О смесителях. Теория смешения сигналов двух частот для получения продуктов объясняется с помощью анализатора спектра и тригонометрических тождеств // http://news.cqham.ru/articles/detail.phtml?id=519

Размещено на Allbest.ru