Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0039

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0039
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
Разработка и изготовление миниатюрных полосно-пропускающих фильтров для спутниковых систем связи с подавлением в полосах заграждения более 100 дБ
Докладчик
Лексиков Андрей Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью работы является разработка, исследование и предоставление научно-исследовательским организациям эффективных методов создания миниатюрных конструкций СВЧ фильтров, обладающих высокими частотно-селективными свойствами, в том числе широкими полосами заграждения с уровнем затухания более 100 дБ. Изготовление и лабораторные испытания опытных образцов миниатюрных полосно-пропускающих фильтров с высокими электрическими характеристиками, работающих в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн. В работе решаются следующие задачи: 1) создание основ проектирования миниатюрных конструкций СВЧ полосно-пропускающих фильтров с широкими полосами заграждения и уровнем затухания в них более 100 дБ; 2) разработка новых конструкций фильтров в микрополосковом исполнении, на миниатюризованных коаксиальных резонаторах и на полосковых резонаторах подвешенных подложках; 3) изготовление и лабораторные испытания действующих макетов полосно-пропускающих фильтров, работающих в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн. Поставленные задачи могут быть решены при использовании специальных конструкций миниатюрных микрополосковых резонаторов, полосковых резонаторов на многослойных подвешенных подложках и миниатюризованных коаксиальных резонаторах.
Актуальность и новизна исследования
Современное развитие систем связи, радиолокации, радионавигации и специальной радиоаппаратуры остро нуждаются в миниатюрных частотно-селективных устройствах, а прежде всего в фильтрах, обладающих затуханием в полосах заграждения более 100дБ. При этом фильтры должны иметь ширину высокочастотной полосы заграждения значительно больше октавы. Это обусловлено, в первую очередь, необходимостью защиты приемников радиотехнических систем от мощного излучения собственных передатчиков, работающих одновременно в других диапазонах частот. Такая же проблема существует и в нелинейных радиолокаторах для защиты приемника от зондирующего радиоимпульса, мощность которого, как правило, превышает 1000 Вт. Поэтому разработка новых конструкций миниатюрных фильтров, обладающих не только высокими частотно-селективными свойствами вблизи полосы пропускания, но и широкими полосами заграждения с уровнем затухания более 100 дБ является одной из самых актуальных задач современной радиофизики.
Описание исследования

Проводимое исследование состояло из следующих этапов:

  1. Разработка новых планарных конструкций миниатюрных резонаторов.
  2. Исследование характеристик резонаторов в зависимости от их конструктивных параметров и полосно-пропускающих фильтров на их основе.
  3. Разработка и изготовление полосно-пропускающих фильтров для отработки методов настройки и оптимизации их конструкций.
  4. Испытание изготовленных макетов фильтров на устойчивость их работоспособности в различных температурных и мощностных режимах.

Успешное выполнение всех четырех этапов позволяет говорить о завершенности и полноценности проведенных исследований. На каждом этапе выполнения работы применялись теоретические и экспериментальные методы, признанные в мире при разработке и исследовании конструкций электродинамических резонаторов и полосно-пропускающих фильтров на их основе. На первом этапе исследования применялся квазистатический метод расчета, обладающий высокой скоростью численного анализа полосковых конструкций, точность которого вполне достаточная, когда поперечные размеры полосковых проводников и толщина подложки СВЧ устройств намного меньше длины электромагнитной волны. Однако если названный критерий для какой-либо конструкции не выполняется, то ее конструктивные параметры, полученные в результате параметрического синтеза устройства в квазистатическом приближении, можно использовать в качестве «затравочных» для дальнейшего доведения его характеристик, но уже при полном электродинамическом анализе 3D модели. Создание 3D моделей резонаторов, а также исследование их характеристик проводилось с использованием современных пакетов электродинамического моделирования, таких как CST Studio Suite, AWR Microwave Office, Sonnet Software. Одновременное использование указанных программных пакетов для проверки и сравнения полученных характеристик, позволяет считать результаты исследования истинными и соответствующими их реальным характеристикам. Тот же подход использовался и при разработке конструкций полосно-пропускающих фильтров, когда одновременно использовалось несколько пакетов электродинамического моделирования. Подтверждение правильности выбранной модели осуществлялось путем изготовления части разработанных конструкций фильтров и измерение их электрических характеристик для сравнения с расчетными. При этом часть фильтров изготавливалась индустриальным партнером в своих цехах, продемонстрировав возможность организации производства разработанных конструкций фильтров и резонаторов на крупных предприятиях соответствующего профиля. Сотрудники индустриального партнера участвовали как при разработке программы испытаний, в соответствии с которой проводились исследования всех изготовленные макетов фильтров, так и в самом процессе испытания устройств. При составлении программы испытаний проводились консультации и с другими потребителями разрабатываемых фильтров, не участвующих в данном проекте. В программу испытаний вошли 11 этапов, позволяющих оценить работу устройств, как в нормальных режимах, так и при повышенных и пониженных температурах, а также при повышенных уровнях мощности входного сигнала для испытания электрической прочности устройств.

Подтверждением правильности выбранных моделей является тот факт, что все 12 макетов полосно-пропускающих фильтров выдержали испытания без замечаний. При этом сами испытания проводились на самых современных измерительных и испытательных стендах, созданных в рамках проведенных исследований.

Результаты исследования

В ходе работы были разработаны три конструкции миниатюрных многопроводниковых резонаторов: миниатюризованные коаксиальных резонаторы; микрополосковые резонаторы; полосковые резонаторы на подвешенных подложках. По результатам исследований характеристик разработанных резонаторов в зависимости от их конструктивных параметров созданы методики конструирования миниатюрных СВЧ полосно-пропускающих фильтров с большой шириной полосы заграждения. В результате были разработаны конструкции 21 полосно-пропускающего фильтра, в том числе 5 фильтров на миниатюризированных коаксиальных резонаторах метрового и дециметрового диапазона, 2 фильтра на новых связанных микрополосковых резонаторах дециметрового диапазона и 14 фильтров на полосковых резонаторах на подвешенной подложке дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн. Центральные частоты полос пропускания фильтров f0 попадают в широкий диапазон: 0.2 – 6.4 ГГц, при этом относительные ширины полос пропускания попадают в интервал 2 – 20%. Для всех разработанных конструкций выполнялось требование по ширине и глубине высокочастотной полосы заграждения, которая превосходила значение 5f0 и имела максимальную глубину, превышающую 100 дБ. Для проверки правильности созданных моделей было изготовлено 12 макетов полосно-пропускающих фильтров в том числе было изготовлено 4 фильтра на миниатюризированных коаксиальных резонаторах, в конструкциях которых были введены дополнительные элементы прецизионной подстройки устройств. Апробация этих элементов на действующих макетах показали хорошие результаты для точной настройки центральной частоты и ширины полосы пропускания фильтров. На новых связанных микрополосковых резонаторах, полосковые проводники которых представляют собой встречно-штыревую структуру, был изготовлен 1 фильтр, а на полосковых резонаторах на подвешенных подложках было изготовлено 7 фильтров. Измеренные амплитудно-частотные характеристики изготовленных опытных образцов фильтров достаточно хорошо согласуются с расчетными, полученными в результате параметрического синтеза 3D моделей устройств. Все 12 макетов полностью прошли программу испытаний, разработанную в рамках работы, при участии индустриального партнера, в которую были включены всесторонние измерения электрических характеристик фильтров как при нормальной температуре, так и при воздействии повышенных и пониженных температур, в том числе и длительном циклическом изменении температуры. Кроме того, при испытаниях проверялась электрическая прочность «выживаемость» макетов фильтров при воздействии повышенных значений входной мощности СВЧ сигнала. Разработанные фильтры не имеют аналогов в мире и превосходят по характеристикам все представленные в печати устройства. Подтверждением этому являются полученные патенты и публикации в ведущих мировых журналах.

Практическая значимость исследования
Полосно-пропускающие фильтры являются неотъемлемыми элементами спутниковых систем связи, систем радиолокации и радионавигации. В настоящее время фильтры своими масса-габаритным характеристикам в значительной мере определяют массу и размеры спутников связи, тем самым оказывая значительное влияние на стоимость спутника. При изготовлении спутников разработчики используют фильтры, созданные иностранными производителями, или используют устаревшие конструкции больших размеров. Разработанные в ходе выполнения данной работы миниатюрные полосно-пропускающие фильтры с высокими частотно-селективными свойствами могут использоваться в системах связи, радиолокации, радионавигации, в измерительной и специальной радиоаппаратуре. Они позволят, в частности, упростить модули систем спутниковой связи, уменьшить их габариты, что соответственно уменьшит общую стоимость как изготовления спутника, так и стоимость его запуска на орбиту. Кроме того, конструкции разработанных фильтров могут выпускаться в качестве импортозамещающих устройств для предприятий оборонного и гражданского профиля. В настоящий момент разработанные в рамках выполнения данного проекта конструкции фильтров используются индустриальным партнером для замещения выпускаемой на предприятии номенклатуры фильтров для систем спутниковой и тропосферной связи.