22_Фильтры (конспект лекций за второй семестр преподаватель Ляхова 2)
Описание файла
Файл "22_Фильтры" внутри архива находится в папке "Интегральные устройства радиоэлектроники 2". Документ из архива "конспект лекций за второй семестр преподаватель Ляхова 2", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "интегральные устройства радиоэлектроники" из 8 семестр, которые можно найти в файловом архиве МАИ. Не смотря на прямую связь этого архива с МАИ, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "интегральные устройства радиоэлектроники" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "22_Фильтры"
Текст из документа "22_Фильтры"
Фильтры
Основные функциональные разновидности фильтров:
- нижних частот (high-pass filter) - ФНЧ,
- верхних частот (low-pass filter) - ФВЧ,
- полоснопропускающие - ППФ,
- полоснозаграждающие - ПЗФ.
Рис. Амплитудно – частотные характеристики фильтров ФНЧ и ФВЧ.
Рис. Амплитудно – частотные характеристики фильтров ППФ и ПЗФ.
Частотный мультиплексор – это частотно – разделительное устройство с несколькими выходами: 2 – диплексер (Diplexer), 3 – триплексер, 4 – квадриплексер. Используется как для деления, так и объединения нескольких сигналов (частотных каналов). Улучшению развязки и согласования каналов способствуют ФВЧ и ФНЧ.
Рис. Амплитудно – частотные характеристики фильтров диплексеров и триплексеров.
Рис. Структура диплексера на полосу частот 8 – 18 ГГц.
При работе с общей широкополосной антенной для смещенных по частоте полос одновременной передачи и приема (дуплексная связь) используется дуплексер (Duplexer). Частотное разделение каналов приемника и передатчика обеспечивают ППФ и ПЗФ и невзаимные устройства (направленные ответвители, ферритовые вентили и циркуляторы). Они предотвращают попадание мощного сигнала собственного передатчика на вход чувствительного малошумящего усилителя приемника.
Рис. Структурная схема дуплексера с циркулятором.
Рис. Сравнительные амплитудно-частотные характеристики диплексера и дуплексера.
Основные характеристики фильтров.
| Характеристики | |
| Средняя частота | |
| Полоса пропускания (ПП) | |
| Полоса перестройки | |
| Полоса заграждения (ПЗ) | |
| Затухание в ПП | По уровню минус 3 дБ |
| Затухание в ПЗ | По уровню минус 40 дБ |
| Крутизна ската переходной области | Актуальна для близкорасположенных каналов. Определяет число звеньев фильтра. |
| Уровень согласования по входу и выходу | Минимизация помех |
| Уровень мощности | Для каналов передатчика |
| Тип линии передачи | Габариты, вес |
| Фазовые |
Варианты реализации фильтров.
Синтез параметров фильтра.
Для расчета фильтров обычно используется параметрический синтез низкочастотного фильтра – прототипа. Рассчитанные данные в значениях элементов с сосредоточенными параметрами могут быть заменены их эквивалентами с распределенными параметрами.
Для аппроксимации частотных характеристик затухания чаще используются
- максимально плоская на основе полинома Баттерворда,
- равноволновая на основе полинома Чебышева.
При одинаковом числе звеньев и полосе пропускания большую крутизну спада амплитудно – частотных характеристик (АЧХ) имеет фильтр с равноволновой аппроксимацией. Однако его фазо – частотная характеристика (ФЧХ) менее линейна.
Рис. (а) - максимально плоская характеристика затухания фильтра – прототипа нижних частот, (б) – равноволновая характеристика затухания фильтра – прототипа нижних частот.
Рис. Амплитудно – частотная характеристика ППФ Баттерворда на полосу частоту 100МГц с различным числом звеньев.
В зависимости от выбранных аппроксимационной характеристики и числа звеньев строится лестничная схема фильтра прототипа нижних частот. Величины gn (от 1 до n) выбираются в справочной литературе.
Рис. Пример лестничных схем фильтра прототипа нижних частот.
Параметры фильтра прототипа преобразуются структурно и по частоте. Z0 – входное сопротивление. ωс - частота среза для ФНЧ и ФВЧ и средняя частота для ППФ и ПЗФ. L’k и C’k - преобразованные параметры фильтров. ω2, ω1 – верхняя и нижняя граничные частоты полосы пропускания ППФ и ПЗФ. Ширина полосы пропускания:
Для ФНЧ структура фильтра прототипа не изменяется.
Для ФВЧ преобразование эквивалентно инверсии частотной оси (индуктивности и емкости меняются местами).
Для ППФ индуктивность трансформируется в последовательный колебательный контур, а емкость - в параллельный колебательный контур.
Рис. Пример фрагмента ППФ.
Для ПЗФ емкость трансформируется в последовательный колебательный контур, а индуктивность - в параллельный колебательный контур.
Рис. Пример эквивалентной схемы ПЗФ.
Таблица преобразований параметров фильтра прототипа.
| Элементы прототипа | ФНЧ | ФВЧ | ППФ | ПЗФ |
| Индуктив-ность Lk |
|
|
|
|
| Емкость Ck |
|
|
|
|
Пример расчета ППФ с аппроксимацией Чебышева с неравномерностью 0.5 dB, N=3, ωс= 1 ГГц, Z0 = 50 Ом, Δ = 10%. Параметры фильтра прототипа:
g1 = 1.5963 = L1
g2 = 1.0967 = C2
g3 = 1.5963 = L3
Рис. Эквивалентная схема фильтра прототипа и трансформированная схема ППФ.
Преобразованные параметры ППФ: 
Фильтры на элементах с сосредоточенными параметрами.
Фильтры метрового и дециметрового диапазонов обычно формируются из элементов с сосредоточенными параметрами. Т - четырехполюсник представляет собой фильтр верхних частот (Tee network high-pass filter), а П - четырехполюсник –фильтр нижних частот (Pi network low-pass filter).
А Б
Рис. (А) - Т - четырехполюсник ФВЧ, (Б) = П – ФНЧ.
Рис. Толстопленочные RC-элементы
Фильтры на элементах с квазисосредоточенными параметрами.
Фильтры на элементах с квазисосредоточенными параметрами.
Рис. ФНЧ на отрезках МПЛ, имитирующих индуктивные и емкостные элементы (они не являются резонаторами или трансформаторами).
Рис. (b) и (c) – Топология квазиемкостных элементов в виде «крыльев бабочки» или «трилистника».
Рис. ФНЧ с квазисосредоточенными элементами Т – четырехполюсника.
Фильтры на элементах с распределенными параметрами.
Для построения фильтров используются в основном следующие элементы: шлейфы, разомкнутые и короткозамкнутые резонаторы. Типы связи: индуктивная (непосредственный контакт), емкостная (через зазор), электромагнитная (связанные линии).
Рис. Виды подключения элементов фильтров к передающей линии и их эквивалентные схемы.
|
| Полуволновые резонаторы с емкостной связью |
|
| Полуволновые резонаторы с электромагнитной связью |
|
| Изогнутые резонаторы с комбинированной связью («гарпин» структура) |
|
| Встречно – стержневая структура |
|
| Четвертьволновые короткозамкнутые шлейфы |
Рис. Топология ФНЧ на элементах с распределенными параметрами:
а - на МПЛ; б - на щелевых линиях
Рис. Устройство, работающее в диапазоне частот от 10.7 до 11.8 ГГц. Металлизированные отверстия позволяют подавить не-ТЕМ колебания.
Фильтры на комбинированных элементах.
Сочетание элементов с распределенными и сосредоточенными параметрами позволяет выполнить повышенные требования к фильтрам, например, повысить крутизну АЧХ.
Рис. ППФ на связанных резонаторах (а) – обычный, () – с дополнительными индуктивно – емкостными резонаторами Кауэра.
Рис. Топология и фото фильтра на комбинированных элементах.
Рис. ПЗФ в виде комбинации щелевой линии и МПЛ. Уровень связи резонаторов с основным МПЛ трактом регулируется различным расположением щелевых резонаторов.
А Б
Рис. ФВЧ на 3 ГГц: (А) – на лицевой поверхности располагаются квазисосредоточенные параллельные и последовательные емкости, (Б) – на обратной стороне – по 2 разомкнутых щелевых резонатора.
Рис. ППФ на комбинации элементов с электромагнитной связью: кольцевого резонатора замкнутого контура и разомкнутых полуволновых резонаторов.
Рис. Эквивалентные схемы четной и нечетной мод полуволнового разомкнутого резонатора с электромагнитной связью. Варианты топологии фильтров.
Фильтры могут включать резонаторы высших типов колебаний: дисковые, треугольные, диэлектрические, ферритовые. Они отличаются узкой полосой частот.
Рис. ППФ на треугольных резонаторах.
Рис. ППФ с каскадным включением объемного диэлектрического резонатора.
Подстройка и перестройка фильтров.
Разброс значений параметров подложки, размеров топологии приводят к изменению частоты или полосы пропускания фильтра. Для восстановления параметров используются
