Нерегулярные четырехполюсники или длинные линии

крупногабаритных устройствах такой необходимости нет. В результате

оценивать качество миниатюрных устройств следует с учетом связей между

основными параметрами.

Рассмотрим один из таких методов, в котором габаритные размеры

устройства рассматривают не обособленно, а системно— в сочетании с другими

параметрами устройства. В итоге формируется показатель качества (ПК)

устройства; если ПК достигает определенного уровня, то миниатюризация

считается успешной. В этой процедуре учитывают следующие параметры: объем

устройства (v, см3), минимальное значение диссипативных потерь в полосе

пропускания (Aо, дБ), полоса пропускания ((f/fo) 100%, число включенных

звеньев п. Коэффициент, образованный сочетанием этих параметров

[pic] , (2.1)

называют габаритным индексом потерь. Он зависит от частоты, и эта

зависимость линейна. Используя линейность, получаем из

[pic] , (2.2)

Как показывает опыт, при ПК>3 миниатюризация устройства неудачна, не

использованы в достаточной мере структурные, конструктивные и

технологические резервы, которые могли бы компенсировать неблагоприятный

характер связей между объемом устройства, его диссипативными потерями и

полосой пропускания.

При ПК[pic] миниатюризация тривиальна, т. е. потери в устройстве

увеличиваются примерно во столько же раз, во сколько уменьшился его объем

(если полоса пропускания фиксирована).

При ПК<3 или ПК<<3 миниатюризация соответственно успешна и весьма

успешна; неблагоприятные связи между параметрами удалось ослабить в

достаточной мере. Известны варианты реализации миниатюрных фильтров, в

которых достигнут ПК=0,8...2. При всех этих расчетах следует помнить, что

под объемом устройства понимают его действующий объем. Дело в том, что для

нормализации работы многих устройств приходится вводить различные

приспособления: экраны, термостаты, магниты, криостаты, фильтры (для

подавления паразитных полос) и др.

В действующий объем устройства входит и объем всех используемых в

каждом конкретном случае приспособлений. Изложенный метод оценки качества

миниатюризации складывался в течение последних 15…20 лет в результате

изучения связей между габаритами устройства и собственной добротностью

[pic] его элементов.

Комплексные оценки для ПФ с полиномиальной частотной характеристикой

могут быть использованы и для других вариантов ПФ, например, на ПАВ,

фильтров с полюсами затухания на конечных частотах. Для этой цели

необходимо найти эквивалентное число звеньев полиномиального ПФ, имеющего

такой же коэффициент прямоугольности частотной характеристики, как и

исследуемый ПФ.

2 Направления миниатюризации

В настоящее время развиваются шесть основных направлений

миниатюризации.

Первое, традиционное, направление основано на применении печатных

микрополосковых устройств в стандартных микросборках при достаточно высоком

[pic] подложки. Резонаторами ПФ служат полуволновые и четвертьволновые

отрезки линий. Часто используют подложки из поликора ([pic]=9,6). Второе

направление основано на применении полусосредоточенных элементов,

образуемых короткими отрезками линий. Удачный вариант такого устройства —

гребенчатый фильтр; его габаритные размеры сравнимы с размерами

микрополоскового ПФ, но имеется выигрыш в диссипативных потерях.

Третье направление миниатюризации устройств УВЧ и ОВЧ связано с

применением сосредоточенных индуктивностей и емкостей в печатном исполнении

(возможны и навесные конденсаторы), размеры которых существенно меньше

длины, волны. Габаритные размеры таких элементов очень малы; малая

собственная добротность ограничивает их применение устройствами с полосами

пропускания не меньше чем 15...20%. Исследования в этой области в последние

годы весьма интенсивны, и применение сосредоточенных элементов растет .

Четвертое направление основано на применении диэлектрических

резонаторов в запредельном волноводе. Используются диэлектрики с

[pic]=3,8...80. При поперечном расположении диэлектрических резонаторов в

запредельном волноводе обеспечивается простота «сшивания» полей в волноводе

и в диэлектрике и соответственно разреженный спектр паразитных полос

пропускания фильтра. В некоторых вариантах конструкции таких ПФ достигается

ПК=1...2. Интересен также и другой вариант расположения диэлектрических

резонаторов — продольный. Резонаторы располагаются на нижней стенке

запредельного волновода в виде дисков. Поле в волноводе здесь более сложной

структуры, чем в первом случае, что сказывается неблагоприятно на спектре

паразитных полос пропускания.

В рассматриваемом направлении имеются неиспользованные возможности.

Например, в последнее время удалось реализовать ПФ на диэлектрических

резонаторах с использованием двух поляризаций поля в запредельном

волноводе. Это обеспечивает АЧХ с полюсами затухания на конечных частотах,

что существенно увеличивает крутизну скатов АЧХ. В настоящее время

рассматриваемое направление может быть реализовано лишь в диапазонах СВЧ и

УВЧ. Для реализации в диапазоне ОВЧ необходима разработка керамики с весьма

высоким [pic] при приемлемом [pic].

Пятое направление основано на применении функциональных сред, в

которых создается поверхностная акустическая волна либо поверхностная

магнитостатическая волна (ПМСВ). Эта техника специфична и требует высокой

технологической культуры.

Шестое направление миниатюризации рассмотрено в книге подробно.

Сущность используемых эффектов заключается в активизации влияния магнитной

связи между проводами НВЛ. В традиционных вариантах включения линия

определяется полностью двумя параметрами: волновым сопротивлением р и

электрической длиной [pic]. Взаимная индуктивность между проводами линии

проявляется лишь в НВЛ; она характеризуется коэффициентом магнитной связи

k. Рациональное сочетание трех варьируемых параметров р, [pic] и k

обеспечивает одновременно миниатюрность и широкополосность устройства УВЧ и

ОВЧ диапазонов. Во многих случаях для создания [pic] вводится

магнитопровод, однако он ухудшает термостабильность и увеличивает

габаритные размеры устройства.

3 Принципы оптимального синтеза

Термином оптимальный синтез определяют процесс построения устройства

с заданными свойствами, оптимально учитывающий совокупность технико-

экономических требований. Этому процессу сопутствует ряд промежуточных

операций; анализ — теоретическое либо экспериментальное нахождение свойств

заданного устройства; структурный синтез—поиск оптимальной, в оговоренном

смысле, структуры устройства; параметрический синтез — поиск таких

значений элементов (при выбранной структуре), которые обеспечивают

оптимальное функционирование устройства по заданным критериям (по заданной

целевой функции). Целевая функция — функция вектора варьируемых параметров,

характеризующая качество функционирования устройства. Под варьируемыми

параметрами понимают те из числа параметров математической модели, на

основе изменения которых решается задача параметрического синтеза.

Математической моделью называют математическое описание (алгоритм,

функция, функционал, система уравнений), определяющее с требуемой точностью

свойства устройства. Рациональная организация оптимального синтеза

определяется выбором математической модели, тактикой ее использования,

степенью автоматизации этапов синтеза, своевременным комплектованием банка

данных, методикой его формирования и хранения.

Основой для построения математической модели устройств УВЧ и ОВЧ

являются уравнения Максвелла. При непосредственном их использовании анализ

сводится к интегрированию системы дифференциальных уравнений с частными

производными в области с металлическими и магнитоэлектрическими

включениями. Этот подход позволяет получить результаты с точностью,

ограниченной лишь вычислительными погрешностями, однако его реализация

связана со значительными трудностями и требует использования ЭВМ очень

высокой производительности. Затруднения усугубляются при переходе к

синтезу, т. е. к целенаправленному перебору результатов анализа при

варьируемых структурах и параметрах их элементов. Одновременно следует

выделять глобальный минимум целевой функции среди множества локальных. На

таком уровне оптимальный синтез в настоящее время в большинстве случаев

невыполним.

На практике целесообразно пользоваться другой организацией синтеза —

итеративной: синтез начинают с разумно-приближенной модели, обеспечивающей

обозримость результатов при умеренной точности. Иначе говоря, вначале

используют модель, которая позволяет принять некоторое техническое решение,

имеющее принципиальный характер. Затем эти результаты постепенно, по мере

необходимости уточняют путем ступенчатого усложнения модели.

Чаще всего подразумевалась вычислительная схема, в которой модель

первого уровня поставляет начальное приближение для модели следующего

уровня, основанной на неупрощенной постановке электродинамической задачи. В

действительности это возможно лишь в тех случаях, когда проектируемый

объект сравнительно прост.

Для сложного объекта иногда можно построить целую систему вложенных

друг в друга моделей, все более полно отражающих его реальные свойства.

Иногда подобные идеи излагаются с позиций системного анализа;

предлагается два класса моделей и соответственно два класса алгоритмов;

быстрые и поверочные. С помощью быстрых алгоритмов на упрощенной модели

выбирают основные параметры будущей конструкции, принимают проектные

решения, формируют «облик изделия». Затем с помощью более полной модели

проводят уточняющую коррекцию. Таким образом, двухэтапность

(многоэтапность) процесса синтеза является основой рациональной его

организации.

Теперь конкретизируем этапы итеративного синтеза. Можно связать их с

дискретной последовательностью собственных типов волн, свойственных

синтезируемому устройству. Основной (распространяющийся, «активный») тип

волн формирует основное приближение, позволяет решить, выполнимы ли

технические требования к устройству, каковы его конструкция и электрические

показатели.

Высшие (нераспространяющиеся, «реактивные») типы волн учитываются

двойственно: в широкополосных и сверхширокополосных устройствах, во многих

случаях их влиянием можно либо пренебречь, либо учесть с помощью несложных

экспериментальных или расчетно-экспериментальных методов. Существует,

однако, класс устройств (например, волноводные фильтры на индуктивных

штырях, воздушно-полосковые фильтры на индуктивных штырях и др.), где

используют сильные неоднородности, формирующие мощные поля

нераспространяющихся высших типов волн; они необходимы для реализации

функционального назначения устройства.

Как строить начальное (оно же и основное) приближение в этом случае?

Практика проектирования дает следующий ответ на этот вопрос: сильные

реактивные неоднородности с точностью, достаточной для принятия технических

решений, аппроксимируют сосредоточенными индуктивностями и емкостями.

Эффективные результаты таких аппроксимаций опубликованы в. С помощью

этого приема основная одноволновая модель формально охватывает все степени

интенсивности реактивных полей, вызванных нераспространяющимися типами

волн, т. е. во всех случаях создается «облик изделия»; в дальнейшем его

уточняют на моделях более высокого уровня, если есть необходимость.

Приведенные соображения не новы, они складывались постепенно в

течение последних десятилетий и обеспечили становление техники пассивных

устройств СВЧ, УВЧ и ОВЧ. Характерной чертой этого процесса была

информационная обратная связь между результатами синтеза различных

устройств и накоплением данных для их структурной оптимизации в начале

синтеза. Эта особенность процесса успешно использовалась инженерами в виде

таблиц, справочников, нормативно-технических документов и др. По мере

отбора и формализации сведений стало возможным создание автоматизированных

банков данных, обеспечивающих формализацию структурного синтеза, т. е.

внедрение автоматизации на всех этапах создания устройства и обеспечения

«конечной цели любой области знания, состоящей в сведении задачи

проектирования до такого уровня, когда неспециалисты могут легко

пользоваться ее результатами».

4 Классификация

По энергетическому признаку 2х2 - полюсники делятся прежде всего на

автономные и неавтономные.

Автономным называют 2х2-полюсник, который, будучи отключен от внешней

цепи, самостоятельно (автономно) создает на своих зажимах напряжения или

токи. Этот 2х2-полюсник называют неавтономным, если он самостоятельно не

создает напряжений и токов на своих зажимах. Неавтономные 2х2-полюсники, в

свою очередь, делят на активные и пассивные.

Активным называют неавтономный 2х2-полюсник, у которого хотя бы в

одном из направлений передачи энергия на пассивной нагрузке за время от t=0

(начало передачи) до [pic] превышает энергию, поданную на вход. Пассивным

называют неавтономный 2х2-полюсник, у которого в обоих направлениях

передачи энергия на пассивной нагрузке за время от t=0 до [pic] не

превышает энергию на входе. Например, пассивным является любой 2х2-

полюсник, составленный из элементов с положительными сопротивлениями,

индуктивностями и емкостями.

В дальнейшем изложении речь будет идти только о пассивных 2х2-

полюсниках.

Различают 2х2-полюсники еще и по следующему признаку:

если четырехполюсник подчиняется принципу обратимости (или

взаимности), его называют обратимым (или взаимным); в противном случае —

необратимым (или невзаимным). Напомним, что подчинение принципу взаимности

означает следующее: ток I между накоротко замкнутыми правыми зажимами 2х2-

полюсника, вызванный действием напряжения Е, приложенного к его левым

зажимам, равен току I', который протекал бы между накоротко замкнутыми

левыми зажимами, если бы напряжение Е было приложено к правым зажимам.

Обратимым (взаимным) является, в частности, любой 2х2-полюсник,

составленный из элементов с положительными сопротивлениями, индуктивностями

и емкостями. Пассивность 2х2-полюсника не равнозначна его обратимости;

пассивный 2х2-полюсник может быть и необратимым (например, гиратор,

ферритовый вентиль или циркулятор).

Симметричным называют 2х2-полюсник, одинаково пропускающий сигналы в

двух противоположных направлениях (слева направо и справа налево). Если

такой 2Х2-полюсник выключить из цепи, повернуть на 180° относительно

поперечной (вертикальной) оси и включить снова в цепь, то напряжения и токи

в последней останутся такими же, как и до переключения. Симметричный 2х2-

полюсник является одновременно и обратимым, однако обратимый 2х2-полюсник

может быть как симметричным, так и несимметричным; 2х2-полюсник называют

структурно-симметричным относительно поперечной оси, если его левая и

правая части зеркально отображают одна другую. Заметим, что 2х2-полюсни-ки,

структурно-симметричные относительно поперечной оси, являются всегда

симметричными и по передаче, однако обратное заключение будет неверным.

Важным признаком 2х2-полюсникр является другой вид структурной

симметрии — относительно продольной (горизонтальной) оси. По этому признаку

2х2-полюсники делят на уравновешенные и неуравновешенные. Уравновешенным

называют 2Х2 полюсник, структурно-симметричный относительно продольной оси,

т. е. такой, у которого верхние и нижние части зеркально отображают одна

другую. Например, уравновешенным 2х2-полюс-ником является двухпроводная

линия, у которой оба провода одинаковы. Неуравновешенным называют 2х2-

полюсник, структурно-несимметричный относительно продольной оси.

Антиметричным называют 2х2-полюсник, у которого произведение сопротивления

холостого хода при прямой (обратной) передаче и сопротивления короткого

замыкания при обратной (прямой) передаче постоянно, не зависит от частоты.

Линейным называют 2Х2-полюсник, у которого токи и напряжения на входе и

выходе связаны линейными зависимостями. Будем рассматривать только линейные

2Х2-полюсники. Реактивным называют 2х2-полюсник, лишенный диссипативных

потерь. Такая идеализация во многих случаях допустима и существенно

облегчает анализ и синтез устройств.

5 Основные соотношения

Направления токов и напряжений в четырехполюснике, принятые за

положительные

[pic]

Рис. 2.5

Принятые за положительные направления отсчета токов и напряжений на

полюсах 2х2-полюсника показаны на рис. 2.5. Поскольку рассматриваются

линейные 2х2-полюсники, то комплексные действующие значения токов и

напряжений на полюсах I1 , I2 , U1 , U2 связаны между собой линейными

зависимостями. Получили распространение следующие виды записи этих

зависимостей:

[pic] , (2.3)

[pic] , (2.4)

[pic] , (2.5)

[pic] , (2.6)

[pic] , (2.7)

[pic] , (2.8)

Страницы: 1, 2, 3, 4