Methodology for the development and research of microstrip filters for the receiver module

Full Text

Введение

Фильтры являются неотъемлемой частью многих радиочастотных приложений. Использование в беспроводной связи побуждает инициировать более жесткие требования к радиочастотным фильтрам. К ним относятся: более высокая производительность, уменьшение габаритных параметров и меньшая стоимость готового изделия. Большинство существующих высокочастотных и сверхвысокочастотных фильтров и компонентов данного типа можно представить в виде двухпортовой сети.

Цель работы — изучение свойств микрополосковых фильтров для обеспечения эффективной работы модуля приёмного устройства.

Конструктивные особенности фильтров

 При выполнении данной схемы нужно учесть её способность преобразовывать сигналы AWG в диапазоне частот 300-500 МГц до кубитных частот в диапазоне 4,5-6 ГГц. Для этого были разработаны микрополосковые фильтры для первой и второй ступени. Их печатные платы — это соединение двух слоев меди, один из которых выполняет функции базовой плоскости заземления, а другой — геометрии микрополоски, что является самим формирующим фильтром.

Для фильтра первой ступени применялась межпальцевая геометрия из-за способности генерировать более тонкие полосы пропускания с лучшим откатом на более низких частотах в диапазоне 500 МГц-4 ГГц.

Применение параллельной геометрии было использовано для фильтра второй ступени, благодаря способности создания гораздо более широкой полосы пропускания вокруг желаемых частот кубитов.

При выборе конструктивных параметров стремились не только обеспечить требуемую полосу пропускания, но и добиться того, чтобы массовое производство было максимально удобным, а размер элементов — минимальным.

Моделирование и анализ данных

 Моделирование для данных фильтров проводилось с использованием мультимодального расчета собственной частоты, за которым следовала модальная развертка частоты. Разработанные устройства проходили верификацию в программной среде COMSOL. Применяемый метод помог добиться более быстрых результатов.

Результаты выполненных расчетов указаны на рис. 1, а. Расчеты предоставляют необходимые результаты полосы пропускания для выбранных геометрий с имеющимися небольшими различиями. Для полосы пропускания с межпальцевым типом смоделированный результат был ниже, чем проектировалось, а для параллельной полосы пропускания ширина полосы получилась короче.

а)

             

 б)

 Рис. 1. Моделирование фильтров: а) результаты моделирования фильтра COMSOL; б) характеристика пропускания изготовленных печатных плат фильтров

 Характеристики пропускания изготовленных фильтров по величине (S21) указаны на рис. 1, б. Полоса пропускания в первом случае указывает на узкую полосу пропускания между 2,8 ГГц и 3 ГГц с быстрым уменьшением в обе стороны. Параллельная схема предоставляет желаемую полосу пропускания с имеющейся шириной полосы пропускания 2,5 ГГц.

Результаты показали, что общая ширина полосы пропускания значительно велика, что является оптимальным значением для второго каскада. После нескольких итераций с параллельными фильтрами увеличить ширину полосы пропускания до желаемого уровня оказалось затруднительно.

В результате проведённых исследований было разработано устройство, которое изображено на рис. 2.

 

Рис. 2. Физическая версия схемы с одним кубитом, которая включает в себя два смесителя на основе миниатюрных схем и цифровые и параллельные геометрические фильтры для первого и второго каскадов соответственно

 Сравнительный анализ с существующими фильтрами

 Чтобы определить актуальность данной разработки, следует выполнить рассмотрение аналогичных устройств для дальнейшего обоснования имеющихся преимуществ.

Для начала рассмотрим первый патент РФ №2812340 «Способ формирования и обработки сигнала, встроенного в маскирующую помеху» [1].

В документе описывается метод создания и обработки сигнала, который заключается в изменении каждого значения несущей частоты полезного сигнала, которому устанавливают символьное значение скорости передачи сигнала. Блок маскирует помехи для каждого значения несущей частоты, и подбирается с учётом того, что каждое изменение скорости передачи сигнала приводит к изменению ширины спектра частот.

Недостаток данной методики заключается в том, что подсистема создания шумовой помехи предоставляет размещение заградительной помехи во временной, а не спектральной области. Из этого следует, что при длительном анализе возможно определить информационные и шумовые заградительные компоненты сигнала во временной области, однако это приведет к уменьшению конфиденциальности передаваемой информации [2].

Наиболее близкой по технической сути является методика, описанная в патенте РФ №2790098 «Способ формирования и обработки сигнала, встроенного в маскирующую помеху» [3].

У данного способа на передающей стороне радиолинии формируют сигнал и маскирующую помеху. При этом маскировочный блок помех подбирают таким образом, чтобы на частотных позициях, занимаемых полезным сигналом, значение модуля амплитуд не превышало 5 % от спектральных компонентов полезного сигнала или отсутствовало 

Недостаток данного способа — выполнение работы радиолинии строго по одной скорости, т.е. в пределах одной и той же полосы пропускания канала, что уменьшает конфиденциальность передаваемой информации.

Еще одним патентным исследованием является «Способ компоновки дифференциальной пары для цепей с модальным резервированием на основе зеркально-симметричной полосковой структуры» (Патент РФ №2817634) [4].

Технический результат заключается в уменьшении уровня сигнала помехи как в дифференциальном, так и в синфазном режимах воздействия. Такой технический результат обеспечивается посредством использования компоновки полосковой структуры с резервированием и образованием пятипроводной связанной линии передачи [5].

Недостатком описанной методики является сложность использования полосковой структуры в дифференциальном и синфазном режимах. Для этого на вход между резервными проводниками необходимо подавать помеховый импульсный сигнал малой длительности, что приводит к потерям в 17,08 дБ [6].

Заключение

Подводя итоги, можно сказать, что работа по проектированию и конструированию печатной платы фильтра для модуля приемного устройства проделана верно. Был проведен сравнительный анализ с различными конструкциями фильтров, благодаря которым был спроектирован и реализован собственный микро-полосковой фильтр. Ожидаемые результаты полностью подтвердились практическими достижениями. В результате практического эксперимента был создан фильтр для модуля приемного устройства, полностью выполняющий заданные ему функции.

___________________________________________

© Безрукавый А.М., Бобылкин И.С., Клюев Н.А., 2025

About the authors

Artem M. Bezrukavy

Voronezh State Technical University

Email: artivirus07@mail.ru

MA

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia

Igor’ S. Bobylkin

Voronezh State Technical University

Author for correspondence.
Email: bobylkin@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-7489-2249

Cand. Sc. (Technical), Associate Professor

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia

Nikita A. Klyuev

Voronezh State Technical University

Email: nikita_klyev@mail.ru

student

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia

References

Supplementary files