Фильтр с распределенными элементами - Distributed-element filter

Рисунок 1. Схема с множеством структур фильтров, описанных в этой статье. Рабочая частота фильтров около 11гигагерц (ГГц). Эта схема описана в рамке ниже.

Малошумящий блочный преобразователь Схема, изображенная на рисунке 1, представляет собой малошумящий блочный преобразователь и предназначен для подключения к тарелочной антенне спутникового телевидения. Он называется блочным преобразователем, потому что он преобразует большое количество спутниковых каналов в блок без попытки извлечения в конкретный канал. Несмотря на то, что передача прошла 22000 миль от спутниковой орбиты, существует проблема с получением сигнала на последних нескольких футах от антенны до точки, где он будет использоваться внутри собственности. Сложность заключается в том, что сигнал доставляется внутрь здания по кабелю (так называемому нисходящему проводу), а высокие частоты спутникового сигнала значительно ослабляются в кабеле, а не в свободном пространстве. Целью блочного преобразователя является преобразование спутникового сигнала в гораздо более низкую полосу частот, которая может обрабатываться нисходящим проводом и пользователем. телеприставки. Частоты зависят от спутниковой системы и географического региона, но это конкретное устройство преобразует блок частот из диапазона 10,7 ГГц в 11,8 ГГц. Выходной сигнал на нисходящий провод находится в диапазоне от 950 МГц до 1950 МГц. Два Разъемы F в нижней части устройства предназначены для подключения к нисходящим кабелям. В этой конкретной модели предусмотрено два (блочные преобразователи могут иметь любое количество выходов, начиная с одного), так что два телевизора или телевизор и Видеомагнитофон может быть настроен на два разных канала одновременно. Получение Рог обычно устанавливается в круглое отверстие в центре платы, два зонда, выступающие в это пространство, предназначены для приема по горизонтали и вертикали поляризованный сигналы соответственно, и устройство может переключаться между этими двумя. В схеме можно увидеть множество структур фильтров: есть два примера полосовых фильтров с параллельной связью линий, которые предназначены для ограничения входящего сигнала интересующей полосой. Относительно большая ширина резонаторов (сравните с примером микрополосковой на рисунке 2 или гетеродин фильтры внизу и справа от центрального металлического прямоугольника) отражают широкую полосу пропускания, которую фильтр должен пропускать. Также существует множество примеров вставных фильтров, поставляющих Смещение постоянного тока к транзисторам и другим устройствам, причем требуется фильтр для предотвращения прохождения сигнала к источнику питания. Ряды отверстий на некоторых дорожках, называемые через заборы, не являются фильтрующими конструкциями, а образуют часть ограждения.[1][2][3] Печатная плата внутри анализатора спектра Agilent N9344C с частотой 20 ГГц, демонстрирующая различные элементы микрополосковой технологии фильтрации с распределенными элементами

А фильтр с распределенными элементами является электронный фильтр в котором емкость, индуктивность, и сопротивление (в элементы схемы) не локализуются в дискретных конденсаторы, индукторы, и резисторы как и в обычных фильтрах. Его цель - позволить ряду частоты сигнала пройти, но заблокировать других. Обычные фильтры состоят из катушек индуктивности и конденсаторов, а построенные таким образом схемы описываются следующим образом: модель с сосредоточенными элементами, который считает, что каждый элемент "сосредоточен вместе" в одном месте. Эта модель концептуально проста, но она становится все более ненадежной по мере того, как частота сигнала увеличивается, или, что то же самое, когда длина волны уменьшается. В модель с распределенными элементами применяется на всех частотах и ​​используется в линия передачи теория; многие компоненты с распределенными элементами состоят из коротких отрезков линии передачи. В распределенном представлении схем элементы распределены по длине проводники и неразрывно смешаны между собой. Конструкция фильтра обычно касается только индуктивности и емкости, но из-за такого смешения элементов их нельзя рассматривать как отдельные «сосредоточенные» конденсаторы и катушки индуктивности. Не существует точной частоты, выше которой должны использоваться фильтры с распределенными элементами, но они особенно связаны с микроволновая печь диапазон (длина волны менее одного метра).

Фильтры с распределенными элементами используются во многих из тех же приложений, что и фильтры с сосредоточенными элементами, например избирательность радиоканала, ограничение диапазона шума и мультиплексирование множества сигналов в один канал. Фильтры с распределенными элементами могут быть сконструированы так, чтобы иметь любую из возможных полосовых форм с сосредоточенными элементами (НЧ, полоса пропускания и т. д.), за исключением высокая частота, который обычно является приблизительным. Все классы фильтров, используемые в конструкциях элементов с сосредоточенными параметрами (Баттерворт, Чебышев и т. д.) могут быть реализованы с использованием подхода распределенных элементов.

Существует множество форм компонентов, используемых для создания фильтров с распределенными элементами, но все они имеют общее свойство вызывать прерывность на линии передачи. Эти разрывы представляют собой реактивное сопротивление к волновому фронту, движущемуся вниз по линии, и эти реактивные сопротивления могут быть выбраны в соответствии с конструкцией, чтобы служить приближениями для сосредоточенных индукторы, конденсаторы или же резонаторы, как того требует фильтр.^[4]

Развитие фильтров с распределенными элементами было вызвано военной необходимостью радар и электронные меры противодействия во время Второй мировой войны. Сосредоточенный элемент аналоговые фильтры были разработаны задолго до этого, но эти новые военные системы работали на микроволновых частотах, и требовались новые конструкции фильтров. Когда война закончилась, технология нашла применение в микроволновые каналы используется телефонными компаниями и другими организациями с крупными сетями фиксированной связи, такими как телекомпании. В настоящее время эту технологию можно найти в нескольких массовых потребительских товарах, таких как конвертеры (на рисунке 1 показан пример) используется с спутниковое телевидение.

Общие комментарии

Фигура 2. Фильтр параллельных линий в микрополосковой конструкции

Символ λ используется для обозначения длина волны сигнала, передаваемого по линии или на участке линии электрическая длина.

Фильтры с распределенными элементами в основном используются на частотах выше УКВ Диапазон (очень высокая частота) (от 30 до 300 МГц ). На этих частотах физическая длина пассивные компоненты составляет значительную часть длины волны рабочей частоты, и становится трудно использовать обычные модель с сосредоточенными элементами. Точная точка, в которой становится необходимым моделирование распределенных элементов, зависит от конкретной рассматриваемой конструкции. Общее практическое правило - применять моделирование с распределенными элементами, когда размеры компонентов превышают 0,1λ. Увеличивающаяся миниатюризация электроники означает, что схемы становятся все меньше по сравнению с λ. Частоты, за пределами которых становится необходим подход к проектированию фильтров с использованием распределенных элементов, становятся все более высокими в результате этих достижений. С другой стороны, антенна размеры структуры обычно сравнимы с λ во всех частотных диапазонах и требуют модели с распределенными элементами.^[5]

Наиболее заметное различие в поведении между фильтром с распределенными элементами и его приближением сосредоточенных элементов состоит в том, что первый будет иметь несколько полоса пропускания реплики сосредоточенного элемента прототип полоса пропускания, поскольку характеристики передачи линии передачи повторяются с гармоническими интервалами. Эти ложные полосы пропускания в большинстве случаев нежелательны.^[6]

Для наглядности изложения схемы в этой статье составлены с использованием компонентов, реализованных в полоса формат. Это не означает предпочтения отрасли, хотя планарная линия передачи форматы (то есть форматы, в которых проводники состоят из плоских полос) популярны, потому что они могут быть реализованы с использованием установленных печатная плата технологии изготовления. Показанные конструкции также могут быть реализованы с использованием микрополоска или методы скрытой полосковой линии (с подходящей корректировкой размеров) и могут быть адаптированы для коаксиальные кабели, двойные отведения и волноводы, хотя некоторые структуры больше подходят для одних реализаций, чем другие. Например, реализации ряда структур с разомкнутым проводом показаны во втором столбце рисунка 3, а эквиваленты с разомкнутым проводом можно найти для большинства других полосковых структур. Плоские линии передачи также используются в Интегральная схема конструкции.^[7]

История

Разработка фильтров с распределенными элементами началась еще до Второй мировой войны. Уоррен П. Мейсон основал область схемы с распределенными элементами.^[8] Большая статья по этому поводу была опубликована Мэйсоном и Сайксом в 1937 году.^[9] Мейсон подал патент^[10] намного раньше, в 1927 году, и этот патент может содержать первую опубликованную электрическую схему, которая отходит от анализа сосредоточенных элементов.^[11] Работа Мэйсона и Сайкса была сосредоточена на форматах коаксиального кабеля и симметричных пар проводов - планарные технологии еще не использовались. В годы войны были проведены значительные разработки, обусловленные необходимостью фильтрации радар и электронные контрмеры. Многое из этого было на Радиационная лаборатория Массачусетского технологического института,^[12] но были задействованы и другие лаборатории в США и Великобритании.^[13][14]

Некоторые важные достижения в теория сети были необходимы до того, как фильтры смогли выйти за рамки военного времени. Одним из них была теория соразмерных линий Пол Ричардс.^[15] Соразмерные линии - это сети, в которых все элементы имеют одинаковую длину (или, в некоторых случаях, кратную единице длины), хотя они могут отличаться по другим размерам, чтобы получить разные характеристические сопротивления. 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.^[16]

Сложность преобразования Ричардса с точки зрения создания практических фильтров заключалась в том, что получившийся дизайн с распределенными элементами неизменно включал серии связанные элементы. Это было невозможно реализовать в планарных технологиях и часто было неудобно в других технологиях. Эту проблему решил К. Курода, который использовал трансформаторы импеданса для устранения последовательных элементов. Он опубликовал набор преобразований, известных как Личности Куроды в 1955 году, но его работа была написана на японском языке, и прошло несколько лет, прежде чем его идеи были включены в англоязычную литературу.^[17]

После войны одним из важных направлений исследований была попытка увеличить конструктивную полосу пропускания широкополосных фильтров. Подход, который использовался в то время (и используется до сих пор), заключался в том, чтобы начать с сосредоточенного элемента. прототип фильтра и посредством различных преобразований получить желаемый фильтр в форме распределенных элементов. Этот подход, казалось, застрял как минимум Q из пяти (см. Полосовые фильтры ниже для объяснения Q). В 1957 г. Лео Янг в Стэнфордский исследовательский институт опубликовал метод построения фильтров, которые началось с прототипом распределенных элементов.^[18] Этот прототип был основан на четвертьволновые трансформаторы импеданса и был в состоянии создавать проекты с полосой пропускания до октава, соответствующий Q около 1,3. Некоторые процедуры Юнга в этой статье были эмпирическими, но позже^[19] были опубликованы точные решения. В статье Янга конкретно рассматриваются объемные резонаторы с прямой связью, но эта процедура в равной степени может быть применена к другим типам резонаторов с прямой связью, таким как те, которые используются в современных планарных технологиях и проиллюстрированы в этой статье. Фильтр с емкостным зазором (рис. 8) и фильтр с параллельными линиями (рис. 9) являются примерами резонаторов с прямой связью.^[16]

Рисунок 3. Некоторые простые структуры плоских фильтров показаны в первом столбце. Во втором столбце показана эквивалентная схема с разомкнутым проводом для этих структур. Третий столбец представляет собой аппроксимацию полусосредоточенных элементов, где отмеченные элементы K или же J находятся трансформаторы импеданса или допуска соответственно. В четвертом столбце показано приближение с сосредоточенными элементами, в котором предполагается, что трансформаторы импеданса являются трансформаторами λ / 4.

1. Короткозамыкающий шлейф параллельно основной линии.
2. Шлейф с разомкнутым контуром параллельно основной линии.
3. Линия короткого замыкания соединена с основной линией.
4. Связанные короткозамкнутые линии.
5. Связанные линии с разомкнутой цепью.

представляет собой перемычку через плату, соединяющуюся с заземляющей пластиной внизу.

Вступление печатных планарных технологий значительно упростили производство многих СВЧ компонентов, включая фильтры, и тогда стало возможным СВЧ интегральные схемы. Неизвестно, когда возникли планарные линии передачи, но эксперименты с их использованием были зарегистрированы еще в 1936 году.^[20] Однако известен изобретатель печатной полосковой линии; Роберт М. Барретт опубликовал эту идею в 1951 году.^[21] Это быстро прижилось, и Барретт полоса вскоре возникла ожесточенная коммерческая конкуренция со стороны конкурирующих планарных форматов, особенно триплат и микрополоска. Общий термин полоса в современном использовании обычно относится к форме, известной как триплат.^[22]

Ранние полосковые резонаторные фильтры с прямой связью имели торцевую связь, но длина была уменьшена, а компактность постепенно увеличивалась с введением линейных фильтров с параллельной связью.^[23] встречно-штыревые фильтры,^[24] и гребенчатые фильтры.^[25] Большая часть этой работы была опубликована группой в Стэнфорде под руководством Джорджа Маттеи, включая Лео Янга, упомянутого выше, в знаковой книге, которая до сих пор служит справочником для проектировщиков схем.^[26][27] Фильтр-шпилька был впервые описан в 1972 году.^[28][29] К 1970-м годам было описано большинство широко используемых сегодня топологий фильтров.^[30] Более поздние исследования были сосредоточены на новых или разновидностях математических классов фильтров, таких как псевдо-фильтры.эллиптический, используя те же базовые топологии или альтернативные технологии реализации, такие как подвесная полосковая линия и плавник.^[31]

Первоначальное невоенное применение фильтров с распределенными элементами было в микроволновые каналы используются телекоммуникационными компаниями для предоставления позвоночник своих сетей. Эти ссылки также использовались другими отраслями промышленности с большими фиксированными сетями, особенно телевизионными вещательными компаниями.^[32] Такие приложения были частью крупных программ капитальных вложений. Однако массовое производство сделало технологию достаточно дешевой, чтобы ее можно было использовать в отечественных спутниковое телевидение системы.^[33] Новое приложение находится в сверхпроводящий фильтры для использования в базовые станции сотовой связи операторы мобильной связи.^[34]

Основные компоненты

Самая простая структура, которую можно реализовать, - это шаг в характеристическое сопротивление линии, что 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). Уменьшение импеданса будет зеркальным отражением рисунка 4 (а). Разрыв может быть представлен приблизительно в виде последовательной катушки индуктивности или, точнее, в виде Т-цепи нижних частот, как показано на рисунке 4 (а).^[35] Множественные несплошности часто сочетаются с трансформаторы импеданса произвести фильтр высшей порядок. Эти трансформаторы импеданса могут быть лишь короткой (часто λ / 4) длиной линии передачи. Эти составные структуры могут реализовывать любое из семейств фильтров (Баттерворт, Чебышев и т. д.), аппроксимируя рациональный функция передачи соответствующего фильтра с сосредоточенными параметрами. Это соответствие не является точным, поскольку схемы с распределенными элементами не могут быть рациональными и являются основной причиной расхождения поведения с сосредоточенными и распределенными элементами. Трансформаторы импеданса также используются в гибридных смесях фильтров с сосредоточенными и распределенными элементами (так называемые полу-сосредоточенные структуры).^[36]

Рисунок 4. Дополнительные полосковые элементы и их аналоги из сосредоточенных элементов.

1. Резко скачкообразный импеданс.^[35]
2. Очередь резко обрывается.^[35]
3. Отверстие или прорезь в линии.^[37]
4. Поперечный полуразрез по линии.^[38]
5. Разрыв в строке.^[38]

Еще одним очень распространенным компонентом фильтров с распределенными элементами является заглушка. В узком диапазоне частот шлейф может использоваться как конденсатор или индуктор (его импеданс определяется его длиной), но в широком диапазоне он ведет себя как резонатор. Короткое замыкание, шлейфы номинальной четверти длины волны (рисунок 3 (а)) ведут себя как шунтирующие LC антирезонаторы, а шлейф с разомкнутой цепью номинально четвертьволновой (рисунок 3 (b)) ведет себя как последовательный LC резонатор. Шлейфы также могут использоваться вместе с трансформаторами импеданса для создания более сложных фильтров и, как и следовало ожидать из-за их резонансной природы, наиболее полезны в полосовых приложениях.^[39] Хотя шлейфы разомкнутой цепи проще изготавливать с помощью планарных технологий, у них есть недостаток, заключающийся в том, что заделка значительно отличается от идеальной разомкнутой цепи (см. Рисунок 4 (b)), что часто приводит к предпочтению шлейфов короткого замыкания (всегда можно может использоваться вместо другого путем добавления или вычитания λ / 4 к длине или из нее).^[35]

А спиральный резонатор похож на заглушку, поскольку для его представления требуется модель с распределенными элементами, но на самом деле она построена с использованием сосредоточенных элементов. Они построены в неплоском формате и состоят из катушки с проволокой на каркасе и сердечнике и соединены только на одном конце. Устройство обычно находится в экранированной банке с отверстием в верхней части для регулировки сердечника. Часто он будет физически очень похож на LC-резонаторы с сосредоточенными параметрами, используемые для аналогичной цели. Они наиболее полезны в верхней части УКВ и ниже УВЧ диапазоны, тогда как шлейфы чаще применяются в более высоких UHF и СВЧ группы.^[40]

Связанные линии (рисунки 3 (c-e)) также могут использоваться в качестве фильтрующих элементов; как и шлейфы, они могут действовать как резонаторы, и аналогично они могут отключаться от короткого замыкания или обрыва. Связанные линии, как правило, предпочтительны в планарных технологиях, где их легко реализовать, тогда как в других местах предпочтение отдается шлейфам. Реализация настоящей разомкнутой цепи в планарной технологии невозможна из-за диэлектрического эффекта подложки, который всегда гарантирует, что эквивалентная схема содержит шунтирующую емкость. Несмотря на это, открытые цепи часто используются в плоских форматах вместо коротких замыканий, потому что их проще реализовать. Многочисленные типы элементов можно классифицировать как связанные линии, и на рисунках показаны наиболее распространенные из них.^[41]

Некоторые общие конструкции показаны на рисунках 3 и 4 вместе с их аналогами с сосредоточенными элементами. Эти приближения с сосредоточенными элементами не следует рассматривать как эквивалентные схемы, а скорее как руководство к поведению распределенных элементов в определенном диапазоне частот. На рисунках 3 (a) и 3 (b) показаны шлейфы короткого замыкания и разомкнутой цепи соответственно. Когда длина шлейфа составляет λ / 4, они ведут себя, соответственно, как антирезонаторы и резонаторы и поэтому полезны, соответственно, как элементы в полосе пропускания и полосовые фильтры. На рисунке 3 (c) показана короткозамкнутая линия, соединенная с основной линией. Он также ведет себя как резонатор, но обычно используется в фильтр нижних частот приложения с резонансной частотой далеко за пределами интересующего диапазона. На рисунках 3 (d) и 3 (e) показаны связанные линейные структуры, которые полезны в полосовых фильтрах. Структуры на рисунках 3 (c) и 3 (e) имеют эквивалентные схемы, включающие шлейфы, размещенные последовательно с линией. Такую топологию просто реализовать в схемах с разомкнутым проводом, но не в планарной технологии. Поэтому эти две структуры полезны для реализации эквивалентного элемента серии.^[42]

Фильтры нижних частот

Микрополосковый фильтр нижних частот, реализованный с помощью заглушек-бабочек в анализаторе спектра Agilent N9344C с частотой 20 ГГц

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

А фильтр нижних частот могут быть реализованы прямо из лестничная топология Прототип сосредоточенного элемента со ступенчатым фильтром импеданса, показанный на рисунке 5. Это также называется каскадные линии дизайн. Фильтр состоит из чередующихся участков линий с высоким и низким импедансом, которые соответствуют последовательным индукторам и шунтирующим конденсаторам в реализации с сосредоточенными элементами. Фильтры нижних частот обычно используются для подачи постоянный ток (DC) смещение к активным компонентам. Фильтры, предназначенные для этого приложения, иногда называют задыхается. В таких случаях каждый элемент фильтра имеет длину λ / 4 (где λ - длина волны сигнала основной линии, который должен быть заблокирован от передачи в источник постоянного тока), а участки линии с высоким импедансом должны быть узкими. так как технология изготовления позволит максимально увеличить индуктивность.^[43] Дополнительные секции могут быть добавлены по мере необходимости для работы фильтра так же, как они были бы для аналога с сосредоточенными элементами. Помимо показанной плоской формы, эта конструкция особенно хорошо подходит для коаксиальный исполнения с чередующимися дисками из металла и изолятора, навинченными на центральный провод.^[44][45][46]

Рисунок 6. Другой вид фильтра нижних частот со ступенчатым сопротивлением, включающий шунтирующие резонаторы.

Более сложный пример конструкции ступенчатого импеданса представлен на рисунке 6. И снова узкие линии используются для реализации катушек индуктивности, а широкие линии соответствуют конденсаторам, но в этом случае аналог с сосредоточенными элементами имеет резонаторы, соединенные шунтом через основную линию. Эту топологию можно использовать для проектирования эллиптические фильтры или же Фильтры Чебышева с полюсами затухания в полоса задерживания. Однако вычисление значений компонентов для этих структур - сложный процесс, и дизайнеры часто предпочитают реализовывать их как фильтры на основе m вместо этого, которые работают хорошо и их намного легче рассчитать. Целью включения резонаторов является улучшение отклонение полосы задерживания. Однако за пределами резонансной частоты резонатора наивысшей частоты подавление полосы задерживания начинает ухудшаться по мере того, как резонаторы движутся в сторону холостого хода. По этой причине фильтры, построенные с такой конструкцией, часто имеют дополнительный одиночный конденсатор ступенчатого сопротивления в качестве заключительного элемента фильтра.^[47] Это также обеспечивает хорошее подавление на высокой частоте.^[48][49][50]

Рисунок 7. Фильтры нижних частот построены из заглушек.

1. Стандартные заглушки на чередующихся сторонах главной линии на расстоянии λ / 4 друг от друга.
2. Аналогичная конструкция с использованием заглушек-бабочек.
3. Различные формы пней, соответственно, сдвоенные параллельно пеньки, радиальный пень, пень-бабочка (параллельные радиальные пеньки), пень клеверного листа (тройные параллельные радиальные пеньки).

Другой распространенный метод проектирования нижних частот заключается в реализации шунтирующих конденсаторов в виде шлейфов с резонансной частотой, установленной выше рабочей частоты, так что сопротивление шлейфа в полосе пропускания является емкостным. Эта реализация имеет аналог с сосредоточенными элементами общей формы, аналогичную фильтру на фиг. 6. Там, где позволяет пространство, заглушки могут быть установлены на альтернативных сторонах основной линии, как показано на фиг. 7 (а). Это делается для предотвращения связи между соседними шлейфами, которая ухудшает характеристики фильтра из-за изменения частотной характеристики. Однако конструкция со всеми заглушками на одной стороне по-прежнему является допустимой конструкцией. Если требуется, чтобы шлейф был линией с очень низким импедансом, шлейф может быть неудобно широким. В этих случаях одним из возможных решений является параллельное соединение двух более узких шлейфов. То есть на каждой позиции заглушки есть заглушка. обе стороны линии. Недостатком этой топологии является то, что возможны дополнительные поперечные резонансные моды на длине λ / 2 линии, образованной двумя шлейфами вместе. Для конструкции дросселя требуется просто сделать емкость как можно большей, для чего можно использовать максимальную ширину шлейфа λ / 4 с параллельными шлейфами по обе стороны от основной линии. Результирующий фильтр очень похож на фильтр со ступенчатым сопротивлением, показанный на рисунке 5, но был разработан на совершенно других принципах.^[43] Трудность с использованием шлейфов такой ширины заключается в том, что точка, в которой они подключаются к основной линии, не определена. Шлейф, который является узким по сравнению с λ, можно считать подключенным по его центральной линии, и вычисления, основанные на этом предположении, точно предсказывают отклик фильтра. Однако для широкого шлейфа расчеты, предполагающие, что боковая ветвь подсоединена в определенной точке на главной линии, приводят к неточностям, поскольку это уже не является хорошей моделью схемы передачи. Одно из решений этой проблемы - использование радиальных заглушек вместо линейных. Пара радиальных штырей, соединенных параллельно (по одному с каждой стороны от основной линии), называется шлейфом типа «бабочка» (см. Рисунок 7 (b)). Группа из трех параллельных радиальных стержней, которая может быть получена в конце линии, называется клеверным листом.^[51][52]

Полосовые фильтры

А полосовой фильтр могут быть построены с использованием любых резонирующих элементов. Фильтры с использованием заглушек однозначно можно сделать полосовыми; возможно множество других структур, некоторые из которых представлены ниже.

Важным параметром при обсуждении полосовых фильтров является относительная полоса пропускания. Это определяется как отношение ширины полосы пропускания к геометрической центральной частоте. Обратная величина этой величины называется Добротность, Q. Если ω₁ и ω₂ - частоты краев полосы пропускания, то:^[53]

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

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

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

Фильтр емкостного зазора

Рисунок 8. Полосковой фильтр с емкостным зазором

Структура с емкостным зазором состоит из участков линии длиной около λ / 2, которые действуют как резонаторы и соединяются «встык» через зазоры в линии передачи. Он особенно подходит для плоских форматов, легко реализуется с помощью технологии печатных схем и имеет то преимущество, что занимает не больше места, чем обычная линия передачи. Ограничение этой топологии заключается в том, что производительность (особенно вносимая потеря ) ухудшается с увеличением дробной полосы пропускания, и приемлемые результаты не достигаются с Q менее примерно 5. Еще одна проблема с производством низко-Q конструкции состоит в том, что ширина зазора должна быть меньше для более широких фракционных полос частот. Минимальная ширина зазоров, как и минимальная ширина треки, ограничено разрешением технологии печати.^[46][54]

Фильтр параллельных линий

Рисунок 9. Фильтр полосковых параллельных линий.Этот фильтр обычно печатается под углом, как показано, чтобы минимизировать занимаемое пространство на плате, хотя это не является существенной особенностью конструкции. Также часто бывает, что оконечный элемент или перекрывающиеся половины двух оконечных элементов имеют меньшую ширину для целей согласования (не показано на этой диаграмме, см. Рисунок 1).

Параллельно соединенные линии - еще одна популярная топология для печатных плат, для которых линии с разомкнутой цепью являются наиболее простыми в реализации, поскольку производство состоит только из печатной дорожки. Конструкция состоит из ряда параллельных резонаторов λ / 2, но только λ / 4 взаимодействует с каждым из соседних резонаторов, таким образом образуя ступенчатую линию, как показано на рисунке 9. С этим фильтром возможны более широкие дробные полосы пропускания, чем с емкостным. щелевой фильтр, но аналогичная проблема возникает на печатных платах, поскольку диэлектрические потери снижают Q. Ниже-Q Линии требуют более плотного соединения и меньших промежутков между ними, что ограничено точностью процесса печати. Одно из решений этой проблемы - напечатать дорожку на нескольких слоях с перекрытием соседних линий, но не в контакте, потому что они находятся на разных слоях. Таким образом, линии могут быть соединены по их ширине, что приводит к гораздо более сильному сцеплению, чем когда они соединяются между собой, и становится возможным больший зазор для тех же характеристик.^[55] Для других (непечатных) технологий могут быть предпочтительны линии короткого замыкания, поскольку короткое замыкание обеспечивает механическую точку крепления для линии и Qдля механической опоры не требуются восстанавливающие диэлектрические изоляторы. За исключением механических и сборочных причин, разомкнутая цепь не имеет большого предпочтения перед линиями с коротким замыканием. 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 с удвоенной центральной частотой, как это наблюдается во многих других топологиях фильтров (например, шлейфах). Однако подавление этой паразитной полосы пропускания требует точной настройки связанных линий, что не реализуется на практике, поэтому на этой частоте неизбежно остается некоторая остаточная паразитная полоса пропускания.^[46][56][57]

Микрополосковый фильтр с шпилькой для печатной платы, реализованный в анализаторе спектра Agilent N9344C

Микрополосковый фильтр со шпилькой, за которым следует заглушка фильтра нижних частот на печатной плате в анализаторе спектра Agilent N9344C с частотой 20 ГГц

Рисунок 10. Полосовой фильтр-шпилька

Фильтр-шпилька - это еще одна структура, в которой используются параллельные линии. В этом случае каждая пара параллельно соединенных линий соединяется со следующей парой коротким звеном. Образованные таким образом U-образные формы дали начало названию заколка для волос фильтр. В некоторых конструкциях связь может быть длиннее, что дает широкую шпильку с трансформатором импеданса λ / 4 между секциями.^[58][59] Угловые изгибы, показанные на рисунке 10, являются общими для полосковых конструкций и представляют собой компромисс между острым прямым углом, который приводит к большой неоднородности, и плавным изгибом, который занимает большую площадь платы, которая может быть сильно ограничена в некоторых продуктах. Такие изгибы часто можно увидеть на длинных заглушках, где иначе их нельзя было бы разместить в доступном пространстве. Эквивалентная схема с сосредоточенными элементами такого разрыва подобна разрыву со ступенчатым сопротивлением.^[38] Примеры таких заглушек можно увидеть на входах смещения к нескольким компонентам на фотографии в верхней части статьи.^[46][60]

Межпальцевой фильтр

Рисунок 11. Полосковый межпальцевой фильтр

Три встречно-штыревых линейных фильтра с печатной платы анализатора спектра

Встречно-штыревые фильтры - это еще одна форма фильтров для связанных линий. Каждая секция 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 также она особенно подходит для механической сборки линий, закрепленных внутри металлического корпуса. Линии могут быть либо круглыми стержнями, либо прямоугольными стержнями, и стыковка с линией коаксиального формата проста. Как и в случае линейного фильтра с параллельной связью, преимущество механической конструкции, не требующей изоляторов для поддержки, состоит в том, что исключаются диэлектрические потери. Требование к интервалу между линиями не такое жесткое, как в структуре параллельных линий; как таковая, может быть достигнута более высокая фракционная пропускная способность, и Q возможны значения как минимум 1,4.^[61][62]

Гребенчатый фильтр подобен встречно-штыревому фильтру в том, что он поддается механической сборке в металлическом корпусе без диэлектрической опоры. В случае гребенчатой ​​линии все линии закорачиваются на одном конце, а не на разных концах. Другие концы соединены конденсаторами с землей, и, следовательно, конструкция классифицируется как полугруппа. Основное преимущество этой конструкции состоит в том, что верхнюю полосу задерживания можно сделать очень широкой, то есть без паразитных полос пропускания на всех интересующих частотах.^[63]

Шлейфовые полосовые фильтры

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

Как упоминалось выше, заглушки подходят для полосовой конструкции. В целом они похожи на шлейфовые фильтры нижних частот, за исключением того, что основная линия больше не является узкой линией с высоким сопротивлением. Разработчики могут выбирать из множества различных топологий заглушек, некоторые из которых дают одинаковые ответы. Пример заглушки фильтра показан на рисунке 12; он состоит из ряда короткозамкнутых шлейфов λ / 4, соединенных между собой трансформаторами импеданса λ / 4. Шлейфы в корпусе фильтра представляют собой двойные параллельные шлейфы, в то время как шлейфы на концевых секциях являются только одиночными, что обеспечивает преимущества согласования импеданса. Трансформаторы импеданса преобразуют ряд шунтирующих антирезонаторов в лестницу из последовательных резонаторов и шунтирующих антирезонаторов. Фильтр с аналогичными свойствами может быть сконструирован с помощью шлейфов разомкнутой цепи λ / 4, размещенных последовательно с линией и соединенных вместе с трансформаторами импеданса λ / 4, хотя такая структура невозможна в планарных технологиях.^[64]

Рисунок 13. Окурок Кониси-бабочка 60 °

Еще одна доступная структура - это шлейфы разомкнутой цепи λ / 2 на линии, соединенные с трансформаторами импеданса λ / 4. Эта топология имеет характеристики как низких частот, так и полосы пропускания. Поскольку он пропускает постоянный ток, можно передавать напряжения смещения на активные компоненты без необходимости в блокирующих конденсаторах. Кроме того, поскольку не требуются перемычки короткого замыкания, при реализации в виде полосковой линии не требуется никаких сборочных операций, кроме печати на плате. Недостатки: (i) фильтр будет занимать больше места на плате, чем соответствующий фильтр-шлейф λ / 4, поскольку все шлейфы в два раза длиннее; (ii) первая паразитная полоса пропускания находится на 2ω₀, в отличие от 3ω₀ для фильтра-заглушки λ / 4.^[65]

Кониши описывает широкополосный полосовой фильтр 12 ГГц, в котором используются шлейфы типа «бабочка» с углом 60 °, а также имеется низкочастотный отклик (для предотвращения такого отклика требуются шлейфы короткого замыкания). Как это часто бывает с фильтрами с распределенными элементами, форма полосы, на которую классифицируется фильтр, в значительной степени зависит от того, какие полосы требуются, а какие считаются ложными.^[66]

Фильтры высоких частот

Подлинный фильтры верхних частот сложно, если не невозможно, реализовать с помощью распределенных элементов. Обычный подход к проектированию - начать с конструкции с полосой пропускания, но сделать верхнюю полосу задерживания на такой высокой частоте, что это не представляет интереса. Такие фильтры описываются как псевдо-верхние частоты, а верхняя полоса задерживания описывается как рудиментарная полоса задерживания. Даже структуры, которые кажутся имеющими «очевидную» топологию верхних частот, такие как емкостный щелевой фильтр на рисунке 8, оказываются полосовыми, если учитывать их поведение для очень коротких длин волн.^[67]

Смотрите также

• Электронный портал

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

Рекомендации

1. Bahl, pp.290–293.
2. Бенуа, стр.44–51.
3. Лундстрём, стр. 80–82.
4. Коннор, стр.13–14.
5. Golio, pp.1.2–1.3,4.4–4.5.
6. Matthaei и другие.С. 17–18.
7. Роджерс и другие., стр.129.
8. Терстон, стр. 570
9. Мейсон и Сайкс, 1937 год.
10. Мейсон, Уоррен П., «Волновой фильтр», Патент США 1,781,469 , подано: 25 июн 1927 г., выпущено: 11 ноября 1930.
11. Фейген и Миллман, стр.108.
12. Раган, 1965 год.
13. Макимото и Ямасита, стр.2.
14. Леви и Кон, стр.1055.
15. Ричардс, 1948 год.
16. Леви и Кон, стр.1056.
17. Леви и Кон, стр.1057.
18. Янг, 1963 год.
19. Леви, 1967.
20. Аксун, с.142.
21. Барретт и Барнс, 1951 г.,
    Барретт, 1952 г.,
    Niehenke и другие., стр.846.
22. Саркар, стр. 556–559.
23. Кон, 1958.
24. Маттеи, 1962 год.
25. Маттеи, 1963 год.
26. Matthaei и другие., 1964.
27. Леви и Кон, стр.1057–1059.
28. Кристал и Франкель, 1972.
29. Леви и Кон, стр.1063.
30. Niehenke и другие., стр.847.
31. Леви и Кон, стр.1065.
32. Huurdeman, стр. 369–371.
33. Бенуа, стр.34.
34. Форд и Сондерс, стр.157–159.
35. Бхат и Коул, стр. 498.
36. Matthaei и другие., с.144–149, 203–207.
37. Бхат и Коул, стр. 539.
38. Бхат и Коул, стр. 499.
39. Matthaei и другие.С. 203–207.
40. Карр, стр.63–64.
41. Matthaei и другие., pp.217–218.
42. Matthaei и другие., стр.217–229.
43. Кнеппо, стр.213–214.
44. Matthaei и другие., стр.373–374.
45. Ли, стр.789–790.
46. Севги, с.252.
47. Хонг и Ланкастер, стр. 217.
48. Matthaei и другие., pp.373–380.
49. Ли, стр.792–794.
50. Кнеппо, стр.212.
51. Ли, стр. 790–792.
52. Кнеппо, стр.212–213.
53. Фараго, стр.69.
54. Matthaei и другие., pp.422, 440–450.
55. Matthaei и другие., pp.585–595.
56. Matthaei и другие., pp.422, 472–477.
57. Кнеппо, стр. 216–221.
58. Хонг и Ланкастер, стр 130–132.
59. Джарри и Бенеат, стр.15.
60. Паоло, стр.113–116.
61. Matthaei и другие., pp.424, 614–632.
62. Хонг и Ланкастер, с.140.
63. Matthaei и другие., pp.424, 497–518.
64. Matthaei и другие., pp.595–605.
65. Matthaei и другие., стр.605–614.
66. Кониши, стр. 80–82.
67. Matthaei и другие., с.541.

Библиография

• Баль, 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. "Микроволновые печатные схемы", Radio Telev., том 46, п. 16 сентября 1951 г.
• Барретт, Р. М. «Травленные листы служат компонентами микроволнового излучения», Электроника, том 25, pp. 114–118, июнь 1952 г.
• Бенуа, Эрве Спутниковое телевидение: методы аналогового и цифрового телевидения, Баттерворт-Хайнеманн, 1999 г. ISBN  0-340-74108-2.
• Бхат, Бхарати и Коул, Шибан К. Полосковые линии передачи для интегральных схем СВЧ, "Нью Эйдж Интернэшнл", 1989 г. ISBN  81-224-0052-3.
• Карр, Джозеф Дж. Справочник по радиоприемнику для техника, Новинки, 2001 ISBN  0-7506-7319-2
• Кон, С.Б. "Параллельно-связанные резонаторные фильтры линий передачи", Операции IRE: теория и методы микроволнового излучения, том МТТ-6, pp. 223–231, апрель 1958 г.
• Коннор, Ф. Передача волн, Эдвард Арнольд Лтд., 1972 г. ISBN  0-7131-3278-7.
• Кристал, Э. Г. и Франкель, С. «Шпильчатые линейные / полуволновые фильтры с параллельной связью», IEEE Transactions: теория и методы микроволнового излучения, том МТТ-20, pp. 719–728, ноябрь 1972 г.
• Фейген, М.Д. и Миллман, С. История инженерии и науки в системе Bell: Том 5: Коммуникационные науки (1925–1980), Лаборатории AT&T Bell, 1984.
• Фараго, П.С. Введение в линейный сетевой анализ, English Universities Press, 1961.
• Форд, Питер Джон и Сондерс, Г.А. Расцвет сверхпроводников, CRC Press, 2005 г. ISBN  0-7484-0772-3.
• Голио, Джон Майкл Справочник по ВЧ и СВЧ, CRC Press, 2001 г. ISBN  0-8493-8592-X.
• Хун, Цзя-Шэн и Ланкастер, М. Дж. Микрополосковые фильтры для ВЧ / СВЧ-приложений, Джон Уайли и сыновья, 2001 ISBN  0-471-38877-7.
• Хурдеман, Антон А. Всемирная история телекоммуникаций, Wiley-IEEE, 2003 г. ISBN  0-471-20505-2.
• Жарри, Пьер и Бенеа, Жак Разработка и реализация миниатюрных фрактальных микроволновых и радиочастотных фильтров, Джон Уайли и сыновья, 2009 г. ISBN  0-470-48781-X.
• Кнеппо, Иван Микроволновые микросхемы, Спрингер, 1994 ISBN  0-412-54700-7.
• Кониси, Ёсихиро Микроволновые микросхемы, CRC Press, 1991 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 прямыми связанными резонаторами», IEEE Transactions: теория и методы микроволнового излучения, том МТТ-15, pp. 340–348, июнь 1967.
• Леви, Р. Кон, С. Б., «История исследований, проектирования и разработки микроволновых фильтров», IEEE Transactions: теория и методы микроволнового излучения, стр. 1055–1067, том 32, выпуск 9, 1984.
• Лундстрем, Ларс-Ингемар Понимание цифрового телевидения, Эльзевир, 2006 ISBN  0-240-80906-8.
• Макимото, Мицуо и Ямасита, Садахико «Микроволновые резонаторы и фильтры для беспроводной связи: теория, конструкция и применение», Springer, 2001 г. ISBN  3-540-67535-3.
• Мейсон, У.П. и Сайкс, Р.А. «Использование коаксиальных и симметричных линий передачи в фильтрах и широкополосных трансформаторах для высоких радиочастот», Bell Syst. Tech. Дж., том 16, стр. 275–302, 1937.
• Маттеи, Г. Л. «Встречно-штыревые полосовые фильтры», Операции IRE: теория и методы микроволнового излучения, том МТТ-10, pp. 479–491, ноябрь 1962 г.
• Маттеи, Г. Л. "Гребенчатые полосовые фильтры узкой или средней полосы пропускания", Микроволновый журнал, том 6, стр. 82–91, август 1963 г.
• Matthaei, George L .; Янг, Лео и Джонс, Э. М. Т. Микроволновые фильтры, сети согласования импеданса и структуры связи McGraw-Hill 1964 (выпуск 1980 г. ISBN  0-89006-099-1).
• Niehenke, E.C .; Пьюсель Р. А. и Баль И. Дж. «Микросхемы СВЧ и миллиметрового диапазона», IEEE Transactions: теория и методы микроволнового излучения, 'том 50, Вып.3 марта 2002, стр. 846–857.
• Ди Паоло, Франко Сети и устройства, использующие плоские линии передачи, CRC Press, 2000 ISBN  0-8493-1835-1.
• Раган, Г. Л. (ред.) Цепи передачи микроволн, Радиационная лаборатория Массачусетского технологического института, Dover Publications, 1965.
• Ричардс, П. И. «Резисторно-линейные цепи», Труды IRE, том 36, pp. 217–220, февраль 1948 г.
• Роджерс, Джон В. М. и Плетт, Кальвин Разработка радиочастотных интегральных схем, 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, Левент Комплексные электромагнитные задачи 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, т. 81, вып. 2, стр. 570-571, февраль 1987 г.
• Янг, Л. «Резонаторные фильтры с прямой связью для широкой и узкой полосы пропускания» IEEE Transactions: теория и методы микроволнового излучения, том МТТ-11, pp. 162–178, May 1963.