УДК 621.372.544.2
А. Р. Тихомиров, Н. В. Иванов
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
МНОГОПОЛОСНЫЕ ПОЛОСОВЫЕ ФИЛЬТРЫ
В последние годы многополосные фильтры вызывают все больший интерес в
современных системах беспроводной связи. Многополосные фильтры применяются не только
в наземной, но даже и в космической аппаратуре. В данной работе рассмотрены способы
реализации многополосных фильтров, и изучены их основные особенности. В работе [1]
были применены методы поиска и анализа информации из следующих источников и баз
данных: периодические издания IEEE, Analog Devices. Цель работы заключается в
исследовании методов реализации многополосных фильтров.
Для достижения данной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Обзор методов реализации многополосных полосовых фильтров.
2. Моделирование найденных схемных решений. Использование средств
автоматизированной разработки Micro-Cap.
Многополосные фильтры можно получить при помощи последовательного или
параллельного соединения. Многополосной фильтр можно получить при параллельном
подключении нескольких полосовых фильтров на разных частотах [2]. Этот вид фильтра имеет
очевидный недостаток – довольно большой размер при увеличении количества полос
пропускания. Поэтому, этот метод используется, когда необходимо получить фильтр с
небольшим количеством полос пропускания.
Двухполосный фильтр может быть разработан путём использования последовательного
соединения широкополосного полосового фильтра и режекторного фильтра [3]. Фильтры
проектируют на микрополосковых линиях, которые можно представить в виде
четырехполюсника. Микрополосковые фильтры используются для диапазона частот от 3 ГГц
и несколько выше. По конструкции микрополосковые фильтры выполняются из открытых
токопроводящих полос. Важным фактором для этих фильтров является длина волны, которая,
как известно, тем короче, чем выше частота. Поэтому для низких частот изготавливаются
микрополосковые фильтры самых больших размеров. А для достаточно высоких частот
микрополосковые фильтры удобны тем, что позволяют сократить место на печатной плате.
Для проектирования различных частотно-селективных устройств СВЧ, в том числе и
двухполосных фильтров, часто используют резонаторы. В статье [4] рассматривается
конструкция двухполосного фильтра, состоящая из трех двухмодовых резонаторов с
параллельным расположением полосковых проводников. Устройство обладает высокими
электрическими характеристиками, отличается миниатюрностью, технологичностью
изготовления и простотой настройки.
Реализация фильтров на свёрнутой топологии [5] является наилучшим подходом к
проектированию многополосных фильтров в волноводной технологии с точки зрения
гибкости. Это связано с тем, что описанный процесс не имеет ограничений по полосе
пропускания, и нули передачи также могут быть легко реализованы.
Для исследования была взята передаточная функция с двумя полосами пропускания. С
помощью программы Matlab была получена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и
определены частоты среза и заграждения. Для исследования была выбрана передаточная
функция с двумя полосами пропускания: от 1,162 ГГц до 1,255 ГГц и от 1,556 ГГц до 1,612
ГГц. Исходная передаточная функция имеет 28 порядок, что соответствует возможности
реализации 28 частотно-зависимых элементов.
Реализовать двухполосный фильтр можно разными способами. Сначала реализуем
двухполосный фильтр путём последовательного соединения полосового и режекторного
фильтров. На рисунке 1 показана схема полосового фильтра.
Рисунок 1 – Схема полосового фильтра [1]
На рисунке 2 показан режекторный фильтр, который состоит из 14 частотно-зависимых
элементов.
Рисунок 2 – Схема режекторного фильтра [1]
При последовательном подключении схем, представленных выше, мы получим
двухполосный фильтр. На рисунке 3 показана АЧХ этого фильтра.
Рисунок 3 – АЧХ фильтра, полученная при последовательном соединении фильтров [1]
На рисунке 4 показана схема, состоящая из двух полосовых фильтров, которые
соединены параллельно между собой. На рисунке 5 показана АЧХ двухполосного фильтра.
В данной работе были рассмотрены несколько методов проектирования многополосных
фильтров. А также найдены их достоинства и недостатки. В результате этой работы были
рассмотрены два метода получения схемы по передаточной функции. Для последовательного
метода число частотно-зависимых элементов составило 34, а для параллельного 28. Однако
для параллельного метода необходимо согласование для получения более точного результата.
Рисунок 4 – Схема двухполосного фильтра [1]
Рисунок 5 – АЧХ фильтра, полученная при параллельном соединении фильтров [1]
ЛИТЕРАТУРА
1. Тихомиров А. Р. Многополосные полосовые фильтры: выпускная квалификационная
работа бакалавра. – Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Институт электроники и телекоммуникаций; научный руководитель Н. В. Иванов. — СанктПетербург, 2023. – 70 с.
2. Wideband Receiver for 5G, Instrumentation, and ADEF. [Электронный ресурс]. – URL:
https://www.analog.com/en/technical-articles/wideband-receiver-for-5g-instrumentation-andadef.html (дата обращения 20.11.2021).
3. L. C. Tsai and C. W. Hsue, “Dual-Band Bandpass Filters Using Equal-Length CoupledSerial-Shunted Lines and Z-Transform Technique”, in IEEE Transactions on Microwave Theory and
Techniques, vol. 52, no. 4, pp. 1111-1117, 2004, doi: 10.1109/TMTT.2004.825680.
4. Беляев Б.А., Сержантов А.М., Тюрнев В.В. Миниатюрный фильтр с двумя полосами
пропускания на микрополосковых двухмодовых резонаторах // Письма в ЖТФ. – 2012. – Т. 38.
– № 18. – С. 31–40.
5. J. C. Melgarejo, S. Cogollos, M. Guglielmi and V. E. Boria, “A New Family of Multiband
Waveguide Filters Based on a Folded Topology”, in IEEE Transactions on Microwave Theory and
Techniques, 2020, vol. 68, no. 7, pp. 2590- 2600, 2020, doi: 10.1109/TMTT.2020.2989111.