Введение
Современный уровень промышленного развития, широкое внедрение радиотехнических и телекоммуникационных систем неизбежно приводят к ухудшению электромагнитной обстановки. Повышенный уровень внеполосного излучения радиопередающих устройств различного назначения, промышленных помех, сигналов радиоэлектронного противодействия, а также помех, вызванных различными природными явлениями, вызывает сбои действующей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).
Для защиты РЭА от помех и для решения задачи электромагнитной совместимости необходимо использовать фильтры с большим (не менее 60 дБ) затуханием в полосе заграждения. Устройства такого типа должны не только эффективно подавлять помеху в требуемом диапазоне частот, но и обладать хорошей экранировкой от проникновения в РЭА наводимых помех.
В настоящей статье рассмотрены вопросы конструирования фильтра высоких частот (ФВЧ) в сигнальном тракте РЭА с целью снижения уровня помех промышленного или иного происхождения. При этом за счёт подавления шумов на частотах ниже границы спектра частот полезного сигнала значительно улучшается соотношение сигнал/шум всего устройства. Для расчёта конструкции фильтра, помещённого в защитный корпус, использовалась САПР HFSS.
Моделирование фильтра высоких частот
Было выполнено моделирование ФВЧ с частотой среза 90 МГц, у которого затухание в рабочей полосе составляло не более 0,8 дБ, а подавление вне полосы пропускания – не менее 90 дБ. Столь глубокое затухание в полосе режекции фильтра гарантирует эффективное подавление сильных помех, например, от мощных радиопередатчиков, находящихся в непосредственной близости от приёмного устройства.
На этапе схемотехнического моделирования [1, 2] фильтр реализован как ФВЧ двадцатого порядка, и представляет собой параллельно соединённые последовательные колебательные контуры (см. рис. 1). Порядок фильтра определяется граничными частотами среза и задержания, а также минимальным затуханием в полосе пропускания amin и максимальным затуханием в полосе режекции amax [1, 2]:
Каждый из контуров проектируемого многозвенного фильтра имеет ёмкостную связь с соседним контуром и работает как заграждающий фильтр, настроенный на одну из частот подавления. Перекрытие полос каждым из фильтров реализует всю полосу заграждения ФВЧ, заданную в диапазоне 0…90 МГц.
В результате схемотехнического моделирования рассчитаны ёмкости и индуктивности схемы фильтра, АЧХ которого показана на рисунке 2. Видно, что минимальное подавление в заграждаемой полосе частот от 0 до 70 МГц получилось на уровне 90 дБ, а затухание в рабочей полосе частот оказалось не более 0,2 дБ.
После расчёта номиналов элементов разрабатываемого фильтра на этапе схемотехнического моделирования переходим ко второму этапу разработки конструкции ФВЧ в пакете программ СВЧ HFSS. Отметим, что схемотехническое моделирование основывается на уравнениях теории электрических цепей, а полное 3D-электромагнитное моделирование в пакете HFSS производится с помощью уравнений теории электромагнитного поля. По сути, на первом этапе устанавливаются предельно достижимые характеристики фильтра, к которым посредством моделирования на этапе расчёта конструкции возможно только приблизиться. При выполнении полного 3D-электромагнитного моделирования появляется возможность нахождения параметров фильтра с учётом металлического корпуса и возможного влияния между каскадами за счёт поверхностных волн, возникающих на диэлектрической подложке фильтра.
При моделировании с использованием пакета HFSS в качестве исходных данных использовались параметры сосредоточенных пассивных элементов фильтра, полученные на первом этапе схемотехнического моделирования. Фильтр спроектирован по планарной технологии на основе микрополосковой линии передачи (МПЛ) с применением диэлектрической подложки из стеклотекстолита FR4 толщиною 1 мм, диэлектрической проницаемостью e = 4,6 и тангенсом угла диэлектрических потерь d = 0,015. На рисунке 3 изображена модель проектируемого ФВЧ в пакете HFSS, а на рисунке 4 – зависимости АЧХ для S-параметров, расчёт которых был выполнен без экранирования друг от друга всех каскадов фильтра.
Согласно рисунку 4, в области режекции ФВЧ от 0 до 70 МГц наблюдался неравномерный характер АЧХ. При этом уровень подавления изменялся в значительных пределах: от –60 дБ до –105 дБ. Минимальный уровень подавления оказался на 20 дБ меньше аналогичного параметра, достигнутого на первом этапе моделирования (см. рис. 2). В результате взаимное влияние каскадов ФВЧ друг на друга из-за возникновения поверхностных волн в диэлектрической подложке, которые на первом этапе схемотехнического моделирования никак не учитываются, в действительности на 20 дБ (или в 10 раз) ухудшило ослабляющие свойства фильтра в полосе частот заграждения.
Для уменьшения электромагнитной связи между каскадами, которая из-за возникновения поверхностных волн влияет на характеристики ФВЧ (особенно в полосе заграждения), были использованы стальные экраны в виде пластин, отделяющих друг от друга все каскады фильтра. Модели описанного фильтра без корпуса и в корпусе, а также АЧХ для S-параметров фильтра показаны на рисунках 5 и 6, соответственно.
Сравнение АЧХ, представленных на рисунке 6, показало, что применение экранирующих пластин существенно улучшило подавление сигналов в полосе режекции проектируемого фильтра. При этом наименьший уровень ослабления сигнала составил не менее –90 дБ. Наличие корпуса практически не оказывает влияния на характеристики фильтра и в полосе пропускания, и в области заграждения. АЧХ фильтра с экранированием (см. рис. 6) практически совпала с предельно достижимой частотной характеристикой, полученной на первом этапе схемотехнического моделирования (см. рис. 2).
Таким образом, использование экранов существенно влияет на поверхностную и пространственную волны и значительно уменьшает их уровень внутри объёма фильтра.
Заключение
Использование САПР HFSS при решении задачи проектирования фильтра позволяет разрабатывать конструкцию фильтра с учётом влияния на характеристики фильтра корпуса и связей между звеньями фильтра. При проектировании фильтров с большим уровнем подавления необходимо применять схемы высокого порядка и выполнять трёхмерный электромагнитный анализ всего устройства с помощью специализированных сред электронного моделирования. Пакет HFSS обеспечивает анализ параметров электромагнитного поля в объёме проектируемого фильтра и осуществляет строгий расчёт его технических характеристик.
Литература
- Херреро Д., Уиллонер Г. Синтез фильтров. Советское радио. 1971.
- Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров. Советское радио. 1974.
- Банков С.Е., Курушин А.А. Расчёт антенн и СВЧ-структур с помощью HFSS Ansoft. ЗАО «НПП «РОДНИК». 2009.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
