RU2728728C1 - Absorbing filter-transformer - Google Patents
Absorbing filter-transformer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2728728C1 RU2728728C1 RU2019145485A RU2019145485A RU2728728C1 RU 2728728 C1 RU2728728 C1 RU 2728728C1 RU 2019145485 A RU2019145485 A RU 2019145485A RU 2019145485 A RU2019145485 A RU 2019145485A RU 2728728 C1 RU2728728 C1 RU 2728728C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- elements
- inductance
- resistances
- capacitor
- terminal
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 22
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims abstract description 22
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims description 21
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 abstract description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- 101001133081 Homo sapiens Mucin-2 Proteins 0.000 description 2
- 102100034263 Mucin-2 Human genes 0.000 description 2
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
- H03H7/01—Frequency selective two-port networks
- H03H7/09—Filters comprising mutual inductance
Landscapes
- Filters And Equalizers (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое устройство относится к селективным трансформирующим цепям поглощающего типа и может быть использовано в различной приемо-передающей радиоаппаратуре, работающей вплоть до СВЧ диапазона. В частности, оно может быть входной частью усилителей повышенной мощности, при помощи которой за счет поглощения на низких частотах паразитных возбуждений повышается их устойчивость в процессе согласования импедансов транзисторов со стандартными сопротивлениями, отличающимися друг от друга высокими коэффициентами трансформации.The proposed device relates to selective transforming circuits of the absorbing type and can be used in various transmitting and receiving radio equipment operating up to the microwave range. In particular, it can be the input part of amplifiers of increased power, with the help of which, due to absorption at low frequencies of parasitic excitations, their stability increases in the process of matching the impedances of transistors with standard resistances differing from each other by high transformation ratios.
Известен фильтр-трансформатор кольцевого типа (См. стр. 49 монографии Транзисторные усилители-ограничители мощности гармонических СВЧ колебаний / А.В. Баранов, С.Л. Моругин. - М.: Горячая линия - Телеком, 2019. - 332 с.). Эта селективная трансформирующая цепь (См. фиг. 1) представляет собой одновременно и трансформатор импедансов и полосно-заграждающий фильтр четных гармоник. Она состоит из двух отрезков 1 и 2 микрополосковых линий (МПЛ) передач с волновыми сопротивлениями ρ1, ρ2 и длинами соответственно. Причем эти отрезки включены по отношению к входу и выходу последовательно, а по отношению друг к другу - параллельно. Входной импеданс Zвх такой цепи, нагруженной на импеданс Zн, описывается выражением [1]:Known filter-transformer of the ring type (See
где υ - величина, обратно пропорциональная коэффициенту трансформации where υ is a value inversely proportional to the transformation ratio
где mρ=ρ2/ρ1. Выражения (1), (2) получены для случая, когда элементы Y11 и Y22 матрицы проводимости [Y] равны нулю или при условии:where m ρ = ρ 2 / ρ 1 . Expressions (1), (2) are obtained for the case when the elements Y 11 and Y 22 of the conductivity matrix [Y] are equal to zero or under the condition:
Устройства, описываемые подобными (1) уравнениями, называются K-инвертерами сопротивлений. Идеальный инвертер сопротивлений ведет себя на всех частотах так же, как и четвертьволновый отрезок линии передач с волновым сопротивлением Необходимо отметить, что за счет уменьшения v в таком устройстве можно достичь значительно более высоких коэффициентов трансформации. Знак минус в выражении (3) показывает, что один из отрезков МПЛ короче, а другой - длиннее λ/4. Из выражения (2) видно, что уменьшение о может быть обеспечено как за счет уменьшения mρ, так и за счет уменьшения длины одного из отрезков например, при увеличении (и наоборот). Очевидно, что максимальный коэффициент трансформации достигается, если длина одного из отрезков МПЛ стремится к λ/2. Можно показать также, что на четных гармониках основной частоты рассматриваемая фильтровая структура обладает предельно возможными полосно-заграждающими свойствами. Причем, чем меньше один из отрезков МПЛ отличается от величины λ/2 на кратных 2 частотах, тем уже полоса заграждения на этих частотах и шире полоса пропускания на основной частоте.Devices described by equations similar to (1) are called K-resistance inverters. An ideal impedance inverter behaves at all frequencies in the same way as a quarter-wave section of a transmission line with characteristic impedance. It should be noted that by reducing v in such a device, it is possible to achieve significantly higher transformation ratios. The minus sign in expression (3) shows that one of the MSL segments is shorter, and the other is longer than λ / 4. From expression (2) it can be seen that a decrease in o can be provided both by a decrease in m ρ , and by a decrease in the length of one of the segments for example, when increasing (and vice versa). Obviously, the maximum transformation ratio is achieved if the length of one of the MPL segments tends to λ / 2. It can also be shown that at even harmonics of the fundamental frequency, the considered filter structure has the maximum possible band-blocking properties. Moreover, the less one of the MSL segments differs from the λ / 2 value at multiples of 2 frequencies, the narrower the stop band at these frequencies and the wider the passband at the fundamental frequency.
Недостатком данного аналога является относительно узкая полоса рабочих частот, в которой возможно согласование сопротивлений, отличающихся друг от друга высоким коэффициентом трансформации. Кроме того, этот фильтр-трансформатор имеет слева и справа от рабочей полосы значительные полосы частот, которым соответствуют режимы полного отражения. Так, типовые полосы частот поглощения сигналов в рассмотренном аналоге составляют (20-25)% и (10-15)% при согласовании с КСВН=2 сопротивлений, которые имеют коэффициенты трансформации n, равные 1 и 10, соответственно.The disadvantage of this analogue is a relatively narrow band of operating frequencies, in which it is possible to match resistances that differ from each other by a high transformation ratio. In addition, this filter transformer has significant frequency bands to the left and right of the operating bandwidth, which correspond to the total reflection modes. So, typical frequency bands of absorption of signals in the considered analog are (20-25)% and (10-15)% when coordinated with VSWR = 2 resistances, which have transformation ratios n equal to 1 and 10, respectively.
Известна селективная цепь (См. Fisher, R.E. Broad-band twisted-wire quadrature hybrids / R.E. Fisher // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1973. - Vol. 21. - N. 5 (May). - P. 355-357). Ее схема изображена на фиг. 2. Цепь содержит нагрузку 3 с сопротивлением Z0, два одинаковых 3 дБ квадратурных направленных ответвителя 4 и 5, которые каскадно соединены друг с другом при помощи коаксиальных кабелей 6, 7 с волновыми сопротивлениями Z0 и фазовыми длинами ≈23°. Направленные ответвители 4 и 5 состоят из конденсаторов 8 - 11 с емкостью С/2 и электромагнитно связанных индуктивностей L в виде скрутки двух проводов 12 и 13, а также 14 и 15. В результате оптимизации длин коаксиальных кабелей в предлагаемой селективной каскадной цепи продемонстрировано расширение полосы рабочих частот с коэффициентом перекрытия, чуть превышающим октаву при согласовании сопротивлений в стандартных трактах с Z0. К сожалению, обладая в случае одинаковых сопротивлений трактов приемлемыми полосами частот, данная селективная цепь вообще неспособна работать в трактах с сопротивлениями, отличающихся друг от друга высоким коэффициентом трансформации.A selective circuit is known (See Fisher, RE Broad-band twisted-wire quadrature hybrids / RE Fisher // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1973. - Vol. 21. - No. 5 (May). - P. 355. -357). Its layout is shown in Fig. 2. The circuit contains
Недостатком данного устройства и аналогичных ему селективных каскадных цепей [2] является невозможность обеспечения широких полос рабочих частот при согласовании сопротивлений, отличающихся друг от друга высоким коэффициентом трансформации.The disadvantage of this device and similar selective cascade circuits [2] is the impossibility of providing wide bands of operating frequencies when matching resistances that differ from each other by a high transformation ratio.
Известна селективная цепь (См. патент РФ на изобретение №2174737 С2, МПК - 2006.01 НО3 Н 7/12, HO1 Р 1/20; Полосно-пропускающий СВЧ-фильтр / Хрусталев, В.А., Востряков Ю.В., Разинкин В.П., Рубанович М.А.; заявитель и патентообладатель Новосибирский государственный технический университет. - Опубл. 10.10.2001, Бюл. № 28. Ее блок-схема изображена на фиг. 3. Цепь содержит 3 дБ квадратурный направленный ответвитель 16, режекторные фильтры 17, 18 и нагрузки 19, 20 с сопротивлением Z0. Первый выход направленного ответвителя 16 нагружен на последовательно соединенные режекторный фильтр 17 с нагрузкой 19, второй выход - на последовательно соединенные режекторный фильтр 18 с нагрузкой 20. Балластное плечо ответвителя является выходом устройства. Спектральные составляющие входного сигнала, попавшие в полосы пропускания фильтров 17 и 18, поступают на выходы рабочих плеч направленного ответвителя 16 и отражаются от входов этих режекторных фильтров, полосы режектирования которых точно соответствует полосе пропускания предлагаемого устройства. Отраженные от режекторных фильтров 17 и 18 спектральные составляющие попадают на выход устройства. Спектральные составляющие входного сигнала, находящиеся вне полосы пропускания, не отражаются от режекторных фильтров и поступают в поглощающие нагрузки 19 и 20. Высокое качество согласования в широком диапазоне частот определяется только частотными свойствами поглощающих нагрузок и не зависит от частотных свойств трехдецибельного направленного ответвителя 16, так как режекторные фильтры (за исключением полосы режектирования) хорошо согласованы в широкой полосе частот, значительно превышающей полосу рабочих частот направленного ответвителя 16. При этом полоса рабочих частот поглощающих нагрузок 19 и 20 обычно в несколько раз превышает полосу рабочих частот направленного ответвителя 16. Вне полосы рабочих частот направленного ответвителя в каждую из нагрузок будут поступать сигналы неодинаковой амплитуды, но, тем не менее, они не будут отражаться. Данное устройство оказывается согласованным в полосе частот, значительно превышающей рабочую полосу частот направленного ответвителя. Практически качество согласования и полоса рабочих частот предлагаемого фильтра определяются качеством согласования и полосой рабочих частот поглощающих и, как правило, сверхширокополосных нагрузок 19 и 20. К сожалению, улучшение согласования в широкой полосе здесь возможно лишь при одинаковых сопротивлениях всех подводящих СВЧ трактов и поглощающих нагрузок.Known selective circuit (See RF patent for invention No. 2174737 C2, IPC - 2006.01
Недостатком данного устройства является невозможность обеспечения широких полос рабочих частот при согласовании сопротивлений, отличающихся друг от друга высоким коэффициентом трансформации.The disadvantage of this device is the impossibility of providing wide bands of operating frequencies when matching resistances that differ from each other by a high transformation ratio.
Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является селективная неотражающая цепь (См. Morgan, М.А. Reflectionless filters // USA Patent № US 8392495 B2, МПК - 2006.01 G06G 7/02, data of patent March 5, 2013). Схема данной цепи (См. Fig 9(b)) изображена на фиг. 4. Устройство представляет собой неотражающий фильтр верхних частот (ФВЧ). ФВЧ состоит из четырех конденсаторов 21-24 с емкостями С, четырех индуктивных элементов 25-28 с индуктивностями L и двух резисторов 29 и 30 с сопротивлениями R, равными волновым сопротивлениям входного Z1 и выходного Z2 СВЧ трактов, где Z1=Z2=Z0. Цепь на фиг. 4 является симметричным четырехполюсником, в котором в зависимости от способа его возбуждения на входе и выходе существует линия разреза 31, через которую либо не протекает ток, либо потенциалы расположенных на ней узлов относительно земляной шины равны нулю. Соответствующий нулевому току через линию симметрии режим возбуждения портов сигналами с одинаковыми амплитудами и фазами, называется парным или четным (even) режимом. При возбуждении обоих портов сигналами с одинаковыми амплитудами и сдвинутыми на 180° фазами режим с нулевыми потенциалами узлов на линии симметрии, называется непарным или нечетным (odd) режимом. Цепь на фиг. 4, работающая в двух отмеченных режимах, может быть описана [S]-параметрами с помощью коэффициентов отражения соответствующих схем The closest to the proposed technical solution is a selective non-reflective circuit (See Morgan, MA Reflectionless filters // USA Patent No. US 8392495 B2, IPC - 2006.01
где a Zeven и Zodd - входные сопротивления эквивалентных цепей, которые соответствуют расщепленным частям исходного фильтра, работающего в четном и нечетном режимах.Where a Z even and Z odd are the input impedances of the equivalent circuits, which correspond to the split parts of the original filter operating in even and odd modes.
Из выражений (4) следует, что симметричная цепь является согласованной с обеих сторон, когда S11=S22=0, при условии:From expressions (4) it follows that a symmetrical circuit is matched on both sides when S 11 = S 22 = 0, provided:
С учетом выражения (5) коэффициенты передач этой цепи определяются формулой:Taking into account expression (5), the transmission coefficients of this chain are determined by the formula:
Используя методику расчета элементов неотражающих фильтров [3], запишем входные сопротивления Zeven, Zodd для эквивалентных цепей на фиг. 5 в следующих видах:Using the method of calculating the elements of non-reflecting filters [3], we write down the input resistances Z even , Z odd for the equivalent circuits in Fig. 5 in the following forms:
где ω - циклическая рабочая частота (в радианах/секунду). Эквивалентная схема цепи на фиг. 5 а) представляет собой Т-образное соединение индуктивностей 32, 33 и емкости 34 с резистором 36 его выходе. Вместе с тем, емкости 37, 39 и индуктивность 40 с выходным резистором 42 объединены в П-образную эквивалентную схему цепи на фиг. 5 б).where ω is the cyclic operating frequency (in radians / second). The equivalent circuit diagram in FIG. 5 a) is a T-shaped connection of
Для эквивалентных цепей на фиг. 5, описываемых уравнениями (7), справедливы соотношения (4) - (6), а их коэффициенты передачи находятся из выражения:For the equivalent circuits in FIG. 5 described by equations (7), relations (4) - (6) are valid, and their transmission coefficients are found from the expression:
которое получено для нормализованной частоты при R=Z0 и L1=L2=Z0/ωp, C1=С2=1/Z0ωp где ωр - измеряемая в радианах/секунду циклическая частота полюса передаточной функции Н комплексной частоты s. После выполнения аналогичной [3] замены в уравнении (8) передаточная функция записывается в следующем виде:which is obtained for the normalized frequency at R = Z 0 and L 1 = L 2 = Z 0 / ω p , C 1 = C 2 = 1 / Z 0 ω p where ω p is the cyclic frequency of the pole of the transfer function H of the complex frequency s measured in radians / second. After performing a replacement similar to [3] in equation (8) the transfer function is written as follows:
Функция Н в выражении (9) имеет полюсы и нули The function H in expression (9) has poles and zeros
Проведенный для симметричной схемы прототипа анализ справедлив при условии: Z1=Z2=R=50 Ом. Вместе с тем, данный подход может быть обобщен на случай согласования прототипом сопротивлений Z1 и Z2, отличающихся друг от друга в n-раз, например: Z2=Z1/n, когда n>1. Тогда в эквивалентной схеме, которая соответствует нечетному (odd) режиму работы прототипа, элементы рассчитываются следующим образом: L2=L1/n, С2=C1n. Независимо от величины n согласование сопротивлений R и R/n в диапазоне частот ω<ωp остается здесь приемлемым. Вместе с тем, в полосе пропускания ФВЧ согласование с КСВН=2 возможно только при малых коэффициентах трансформации n<2 пока отклонения от симметрии схем невелики. Данные выводы подтверждаются на фиг. 6 графиками частотных зависимостей модулей |S21| (а) и |S11| (б) при n=1 (кривые 1), 3 (кривые 2) и 10 (кривые 3). Эти зависимости получены для прототипа с параметрами элементов L1=6.8 нГн и С1=2.7 пФ на частоте ωp/2π≈1.2 ГГц.The analysis carried out for the symmetrical prototype circuit is valid provided: Z 1 = Z 2 = R = 50 Ohm. At the same time, this approach can be generalized to the case of matching the prototype of the resistances Z 1 and Z 2 , which differ from each other n-times, for example: Z 2 = Z 1 / n, when n> 1. Then in the equivalent circuit, which corresponds to the odd (odd) mode of operation of the prototype, the elements are calculated as follows: L 2 = L 1 / n, C 2 = C 1 n. Regardless of the value of n, the matching of the resistances R and R / n in the frequency range ω <ω p remains acceptable here. At the same time, in the passband of the high-pass filter, matching with VSWR = 2 is possible only at low transformation ratios n <2, while the deviations from the symmetry of the circuits are small. These conclusions are confirmed in FIG. 6 graphs of frequency dependences of modules | S 21 | (a) and | S 11 | (b) for n = 1 (curves 1), 3 (curves 2), and 10 (curves 3). These dependences were obtained for a prototype with the parameters of the elements L 1 = 6.8 nH and C 1 = 2.7 pF at a frequency of ωp / 2π≈1.2 GHz.
Таким образом, несмотря на то, что прототип обеспечивает в полосе заграждения удовлетворительное согласование сопротивлений, отличающихся друг от друга высоким коэффициентом трансформации, в полосе пропускания при n>2 согласования почти нет. Поэтому недостатком прототипа является узкая полоса рабочих частот при согласовании сопротивлений, отличающихся друг от друга высоким коэффициентом трансформации.Thus, in spite of the fact that the prototype provides satisfactory matching of resistances differing from each other by a high transformation ratio in the obstacle band, there is almost no matching in the passband at n> 2. Therefore, the disadvantage of the prototype is a narrow band of operating frequencies when matching resistances that differ from each other by a high transformation ratio.
Технический эффект, на достижение которого направлено предлагаемое решение, заключается в расширении полосы рабочих частот при согласовании сопротивлений, отличающихся друг от друга высоким коэффициентом трансформации.The technical effect to be achieved by the proposed solution consists in expanding the operating frequency band when matching resistances that differ from each other by a high transformation ratio.
Этот эффект достигается тем, что поглощающем фильтре-трансформаторе, состоящем из первого, второго и третьего конденсаторов 46, 48 и 49, из первой, второй и третьей индуктивности 50, 51 и 52, а также из первого и второго резисторов 53 и 54 с сопротивлением элемента 53, равным входному волновому сопротивлению Z0, причем общие точки последовательно соединенных пар элементов, первой пары - индуктивности 50 и резистора 53 и также второй пары - индуктивности 51 и резистора 54 подключены через конденсатор 48 и, соответственно, через конденсатор 49 к общей шине, а вторые выводы резисторов 53 и 54 соединены друг с другом и с третьей индуктивностью 52, второй вывод которой подключен к общей шине, кроме этого, свободный вывод элемента 50 подключен к первому выводу конденсатора 46 и одновременно ко входу устройства, а второй вывод элемента 51 - к выходу устройства, согласно изобретению второй вывод конденсатора 46 подключается к выходному тракту устройства с волновым сопротивлением Z=Z0/n>1, где n - коэффициент трансформации сопротивлений Z0 и Z, между одноименными зажимами индуктивностей 50 и 51, имеющих общие точки с резисторами 53 и 54 с сопротивлениями R и r=R/n, соответственно, вводится конденсатор связи 47, а между элементами 50, 51 вводится магнитная связь с близким к единице коэффициентом где L1 - индуктивность элемента 50, L2=L1/n - индуктивность элемента 51, а М - их взаимная индуктивность, при этом параметры элементов устройства удовлетворяют соотношениям:This effect is achieved by the fact that the absorbing filter-transformer, consisting of the first, second and third capacitors 46, 48 and 49, from the first, second and third inductors 50, 51 and 52, as well as from the first and second resistors 53 and 54 with resistance element 53, equal to the input characteristic impedance Z 0 , and the common points of the series-connected pairs of elements, the first pair - inductance 50 and resistor 53 and also the second pair - inductance 51 and resistor 54 are connected through a capacitor 48 and, respectively, through a capacitor 49 to a common bus , and the second terminals of the resistors 53 and 54 are connected to each other and to the third inductance 52, the second terminal of which is connected to the common bus, in addition, the free terminal of the element 50 is connected to the first terminal of the capacitor 46 and simultaneously to the input of the device, and the second terminal of the element 51 - to the output of the device, according to the invention, the second terminal of the capacitor 46 is connected to the output path of the device with a characteristic impedance Z = Z 0 / n> 1, where n is the transformation ratio of the resistances Z 0 and Z, between the same terminals of inductors 50 and 51, which have common points with resistors 53 and 54 with resistances R and r = R / n, respectively, a coupling capacitor 47 is introduced, and between elements 50, 51 magnetic coupling is introduced with a coefficient close to unity where L 1 is the inductance of element 50, L 2 = L 1 / n is the inductance of element 51, and M is their mutual inductance, while the parameters of the elements of the device satisfy the relations:
где L3, - индуктивность элемента 52, С1 и С2 - удвоенные величины емкостей элементов 48 и 49, а С3 - емкость элементов связи 46 и 47, общая величина которых приблизительно равна значению половинной суммарной емкости С, имеющей место между корпусом и точкой подключения элементов 50 и 53, причем эта суммарная емкость и аналогичная ей емкость nC в точке подключения элементов 51 и 54 находятся из выражений:where L 3 is the inductance of
Принципиальная схема предложенного поглощающего фильтра-трансформатора представлена на фиг. 7. Устройство содержит четыре конденсатора 46-49, три индуктивных элемента 50-52 и два резистора 53 и 54. Причем элементы 50 и 51 индуктивно связаны, а емкости конденсаторов 46 и 47 образуют электрическую связь между одноименными зажимами этих индуктивных элементов. Элементы 53 и 54 - резисторы R и r отличаются друг от друга в n-раз: R/r=n>1, где n - равный отношению волновых сопротивлений трактов на входе и выходе Z1/Z2 коэффициент трансформации.A schematic diagram of the proposed absorbing filter-transformer is shown in Fig. 7. The device contains four capacitors 46-49, three inductive elements 50-52 and two
Предложенное устройство работает следующим образом. Используем известный подход [3] для расчета его элементов, чтобы установить соотношения, аналогичные уравнениям (8) и (9). Представим две расщепленные по линии симметрии цепи схемы на фиг. 7 в виде моделей на фиг. 5 а) и 5 б) с той лишь разницей, что под элементами 32 и 40 будем понимать связанные элементы 50 и 51 на фиг. 7 с индуктивностями L1 и L2=L1/n. Кроме того, конденсаторы 34, 35 и 37, 39 будем считать элементами, которые обладают относительно корпуса суммарными емкостями С и nC, соответственно, в общих точках подключения на фиг. 7 элементов 48, 50, 53, а также 49, 51, 54. С учетом этих замечаний перепишем уравнения (7) в новом, соответствующем двум цепям схемы на фиг. 7 виде:The proposed device works as follows. We use the well-known approach [3] to calculate its elements in order to establish relations similar to equations (8) and (9). Imagine two circuits split along the symmetry line in FIG. 7 as models in FIG. 5 a) and 5 b) with the only difference that by
где Zвх и Zвых - входное и выходное сопротивления индуктивно связанных элементов, нагруженных на сопротивления R и r. В соответствии с рекомендациями [4] Zвх и Zвых находятся из выражений: в которых величина означает взаимную индуктивность.where Z in and Z out are the input and output resistances of inductively coupled elements loaded on resistances R and r. In accordance with the recommendations [4] Z in and Z out are found from the expressions: in which the value means mutual inductance.
Используя при расчете предлагаемого устройства ту же методику [3], выполним нормировку текущей частоты ω к частоте установленного для прототипа полюса ωр, что поможет при проведении последующих сравнительных оценок. Для нормализованной частоты рассчитаем все элементы с учетом этого замечания: L1=Z0/ωp, L2=Z0/nωp, С=1/Z0ωp, R=Z0, r=Z0/n. Запишем уравнения (10) следующим образом:Using the same methodology [3] in calculating the proposed device, we will normalize the current frequency ω to the frequency of the pole ω p set for the prototype, which will help with subsequent comparative assessments. For normalized frequency we calculate all the elements taking into account this remark: L 1 = Z 0 / ω p , L 2 = Z 0 / nω p , С = 1 / Z 0 ω p , R = Z 0 , r = Z 0 / n. Let us write equations (10) as follows:
Если в выражениях (11) и (12) предположить при 0<k<1 выполнение условий:If in expressions (11) and (12) we assume at 0 <k <1 the fulfillment of the conditions:
то для рассматриваемых выше цепей, которые описываются сопротивлениями Zeven, Zodd, полностью выполняются уравнения (4)-(6). Формально, без учета замечания (13), коэффициенты передачи предлагаемой цепи вычисляются из выражения:then for the circuits considered above, which are described by resistances Z even , Z odd , equations (4) - (6) are fully satisfied. Formally, without taking into account remark (13), the transmission coefficients of the proposed circuit are calculated from the expression:
Предполагая в уравнении (14) выполнение условий (13), выражение (14) полностью совпадает с уравнением (8). После перехода в уравнении (14) к комплексным частотам путем замены передаточная функция при отмеченных ниже приближениях может быть записана следующем виде:Assuming in equation (14) the fulfillment of conditions (13), expression (14) completely coincides with equation (8). After passing in equation (14) to complex frequencies by replacing The transfer function for the approximations noted below can be written as follows:
Например, знаменатель функции H(s) может быть разложен на множители только с точностью до малой величины а числитель - лишь при условии k→1. Принимая во внимание данные предположения, функция H(s) в выражении (15) имеет полюсы:For example, the denominator of the function H (s) can be factorized only up to a small value and the numerator only under the condition k → 1. Taking into account these assumptions, the function H (s) in expression (15) has poles:
Несмотря на принятые приближения, s2,s3,s4 совпадают с полюсами прототипа, когда в выражении (15) k=0 или когда магнитная связь отсутствует. Вместе с тем, в условиях указанных предположений величины нулей практически приближаются к значениям нулей прототипа только при k→1, когда второй нуль пропадает, так как в выражении (15) второй сомножитель в числителе и первый сомножитель в знаменателе сокращаются. Основной вывод, который можно сделать из анализа выражения (15), заключается в том, что по отношению к циклической частоте ωр полюса прототипа циклическая частота нового полюса s2 или полюса предлагаемого устройства определяется выражением:Despite the accepted approximations, s 2 , s 3 , s 4 coincide with the poles of the prototype when k = 0 in expression (15) or when there is no magnetic coupling. At the same time, under the conditions of the indicated assumptions, the values of the zeros practically approach the values of the prototype zeros only for k → 1, when the second zero disappears, since in expression (15) the second factor in the numerator and the first factor in the denominator are canceled. The main conclusion that can be drawn from the analysis of expression (15) is that in relation to the cyclic frequency ω p of the prototype pole, the cyclic frequency the new pole s 2 or the pole of the proposed device is determined by the expression:
Из выражения (16) следует, что введение магнитной связи позволяет перемещать частоту полюса вверх по диапазону, причем тем эффективней, чем ближе к единице выбирается ее коэффициент. Так, при 3-дБ коэффициенте магнитной связи k=0.707 частота полюса ωp увеличивается в 1.41 раза, а при k=0.95 - в 3.2 раза. Учитывая, что при ω/ωp<1 в прототипе независимо от величины n согласование сопротивлений R и R/n остается приемлемым, вполне можно предположить, что поведение предлагаемого устройства будет таким же. Это утверждение подтверждают также и соотношения (13).From expression (16) it follows that the introduction of a magnetic coupling makes it possible to move the frequency of the pole up the range, and the more efficiently, the closer to unity its coefficient is chosen. Thus, at a 3-dB magnetic coupling coefficient k = 0.707, the pole frequency ω p increases by a factor of 1.41, and at k = 0.95, by a factor of 3.2. Considering that when ω / ω p <1 in the prototype, regardless of the value of n, the matching of the resistances R and R / n remains acceptable, it can be assumed that the behavior of the proposed device will be the same. This statement is also confirmed by relations (13).
Тогда в предлагаемом устройстве при условии для текущей циклической частоты со справедливо неравенство:Then, in the proposed device, provided for the current cyclic frequency with the inequality is true:
Неравенство (17) означает, что также как и в прототипе в предлагаемом устройстве, частотный диапазон согласования отличающихся друг от друга сопротивлений ограничен сверху частотой полюса. И поскольку в соответствии с формулой (16) больше ωр в раз, то значение со также будет больше величины со в раз.Inequality (17) means that, as in the prototype in the proposed device, the frequency range of matching of different resistances is limited from above by the frequency of the pole. And since in accordance with the formula (16) more ω p in times, then the value of ω will also be greater than the value of ω in time.
Используя параметры элементов описанных эквивалентных цепей, синтезируем исходную цепь на фиг. 7. В процессе синтеза учтем рекомендации работы [5]. Выполним операции, которые не влияют на режимы работы цепей на фиг. 5, когда в цепи а) через линию симметрии 31 не протекает ток, а в цепи б) потенциалы расположенных на ней узлов относительно земляной шины равны нулю. В первой схеме добавим емкость 35 и поменяем местами элементы 33 и 36, а их среднюю точку соединим с линией симметрии 31. На фиг. 5 б) переместим абсолютные земляные контакты 43 и вывода конденсатора 37 на виртуальные заземления в линию симметрии 31. Во второй схеме также добавим между виртуальной и абсолютной землей индуктивность 41. Кроме того, в стандартную процедуру синтеза введем новые дополнения, которые связаны с элементами 46-49. Обозначим элементы 46-49 следующим образом: элементы 48 и 49 - конденсаторами емкостью С1/2 и С2/2, соответственно, а элементы 46 и 47 - конденсаторами связи с одинаковыми емкостями Сз, с суммарной емкостью связи 2С3, которая приблизительно равна значению половинной суммарной емкости С. В этом случае разделение емкостей С1 и С2 пополам и подключение их вторых половинок к линии симметрии 31 на фиг. 5 а) и б) также не приводит к нарушению режимов работы рассматриваемых эквивалентных цепей. При этом половинные емкости элементов 34 и 39, а также половинные емкости элементов 35 и 38 образуют емкости элементов 46 и 47, а элементы 33 и 41 объединяются в элемент 52 с суммарной индуктивностью L3 (См. фиг. 5 и 7). В результате проведенных процедур синтезирован предлагаемый поглощающий фильтр-трансформатор, параметры элементов которого вычисляются из выражений:Using the parameters of the elements of the described equivalent circuits, we synthesize the original circuit in Fig. 7. In the process of synthesis, we will take into account the recommendations of [5]. Let us perform operations that do not affect the operating modes of the circuits in Fig. 5, when in the circuit a) no current flows through the line of
а величины суммарных емкостей С и nC находятся следующим образом:and the values of the total capacities C and nC are found as follows:
Таким образом, при расчете параметров элементов по формулам (18)-(21) в поглощающем фильтре-трансформаторе гарантируется в соответствии с формулами (16) и (17) расширение диапазона рабочих частот, где обеспечивается согласование активных сопротивлений, отличающихся друг от друга высоким коэффициентом трансформации.Thus, when calculating the parameters of the elements according to the formulas (18) - (21) in the absorbing filter-transformer, in accordance with the formulas (16) and (17), the expansion of the operating frequency range is guaranteed, where the matching of active resistances differing from each other by a high coefficient transformation.
Примеры конкретного выполнения устройства. В качестве таких примеров представим макеты поглощающих фильтров-трансформаторов, которые разработаны по результатам моделирования с использованием рекомендаций книги [6]. На низких частотах основной элементы 50 и 51 - индуктивности с магнитной связью могут быть выполнены в виде трансформатора с магнитным сердечником, на высоких частотах - в виде скрутки двух проводов [7]. При разработке двух макетов предлагаемого устройства используем стандартную для выбранного пакета программ [6] модель связанных индуктивностей MUC2. Устанавливая в модели MUC2 коэффициенты магнитной связи, равные 0.9 и 0.95, рассчитаем по формулам (18) - (21) параметры элементов каждого из макетов, работающих при n=3 и 10. Для удобства сравнения характеристик прототипа и макетов вычислим при R=50 Ом их элементы на той же частоте полюса ωp/2π≈1.2 ГГц. В первом макете при k=0.9, n=3 найдем следующие параметры элементов: L1=6.8 нГн, L2=2.2 нГн, L3=1.7 нГн, С1/2=1.6 пФ, С2/2=7.5 пФ, 2С3=1.32 пФ, С/2=1.35 пФ. Рассчитаем также параметры элементов второго макета при n=10 и k=0.95: L1=6.9 нГн, L2=0.7 нГн, L3=0.64 нГн, C1/2=1.42 пФ, С2/2=31 пФ, 2С3=1.35 пФ, С/2=1.35 пФ. Результаты моделирования данных макетов в виде графиков частотных зависимостей модулей ⎢S21⎢ (кривая 1), ⎢S11⎢ (кривая 2) и ⎢S22⎢ (кривая 3) представлены на фиг. 8 а) (для первого макета) и на фиг. 8 б) (для второго макета). Полученные выше результаты моделирования вполне соответствуют теоретическим выводам. Так, при изменении величины к с 0.9 до 0.95 в предлагаемом устройстве частота полюса (и, следовательно, диапазон возможного согласования) теоретически возрастает в 1.4 раза. Рост в 1.44 раза подтвержден экспериментально. При согласовании сопротивлений с КСВН=2 и n=3 частотный диапазон предлагаемого устройства по сравнению с прототипом выше в 2.7 раза, а при согласовании сопротивлений, когда n=10, - в 3.9 раза (См. фиг. 6 и 8).Examples of specific implementation of the device. As such examples, we present the layouts of absorbing filter-transformers, which are developed based on the results of modeling using the recommendations of the book [6]. At low frequencies, the
Таким образом, рассмотренные примеры конкретной реализации поглощающих фильтров-трансформаторов подтверждает возможность расширения полосы рабочих частот при согласовании сопротивлений, отличающихся друг от друга высоким коэффициентом трансформации. Причем экспериментальные результаты полностью подтверждают полученные теоретические выводы.Thus, the considered examples of the specific implementation of absorbing filter-transformers confirm the possibility of expanding the operating frequency band when matching resistances that differ from each other by a high transformation ratio. Moreover, the experimental results fully confirm the obtained theoretical conclusions.
Источники информацииSources of information
1. Баранов, А.В. Миниатюризация трансформаторов импедансов кольцевого типа / А.В. Баранов, М.В. Кренцин // Изв. вузов Сер. Радиоэлектроника. - 1990. - №9. - С. 90-91.1. Baranov, A.V. Miniaturization of ring-type impedance transformers / A.V. Baranov, M.V. Krentsin // Izv. universities Ser. Radio electronics. - 1990. - No. 9. - S. 90-91.
2. Patent US 3514722, Н03Н 7/04 (2006.01) Networks using cascaded quadrature couplers, each coupler having a different center operating frequency / J.D. Cappucci; 26 May 1970.2. Patent US 3514722,
3. Morgan, M.A. Thinking outside the band: Absorptive filtering / M.A. Morgan // 1203.2174.pdf доступен с 9 марта 2012. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.arxiv.org.3. Morgan, M.A. Thinking outside the band: Absorptive filtering / M.A. Morgan // 1203.2174.pdf available from March 9, 2012. - [Electronic resource]. - Access mode: http://www.arxiv.org.
4. Матханов, П.Н. Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи: учебник для вузов / П.Н. Матханов. - М.: Высшая школа, 1981. - 333 с.4. Matkhanov, P.N. Fundamentals of electrical circuit analysis. Linear circuits: textbook for universities / P.N. Matkhanov. - M .: Higher school, 1981 .-- 333 p.
5. Morgan, M.A. Synthesis of a new class of reflectionless filter prototypes / M.A. Morgan and T.A. Boyd // 1008.3502.pdf доступен с 20 августа 2010. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.arxiv.org.5. Morgan, M.A. Synthesis of a new class of reflectionless filter prototypes / M.A. Morgan and T.A. Boyd // 1008.3502.pdf available from August 20, 2010. - [Electronic resource]. - Access mode: http://www.arxiv.org.
6. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office / В.Д. Разевиг, Ю.В. Потапов, А.А. Курушин; под ред. В.Д. Разевига. - М.: Солон-Пресс, 2003. - 496 с.6. Design of microwave devices using Microwave Office / V.D. Razevig, Yu.V. Potapov, A.A. Kurushin; ed. V.D. Razevig. - M .: Solon-Press, 2003 .-- 496 p.
7. Баранов, А.В. Проектирование СВЧ-усилителей большой мощности в классе «Е» / А.В. Баранов // Радиотехника. - 2006. - №12. - С. 65-70.7. Baranov, A.V. Design of high-power microwave amplifiers in class "E" / A.V. Baranov // Radio engineering. - 2006. - No. 12. - S. 65-70.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019145485A RU2728728C1 (en) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Absorbing filter-transformer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019145485A RU2728728C1 (en) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Absorbing filter-transformer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2728728C1 true RU2728728C1 (en) | 2020-07-30 |
Family
ID=72085785
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019145485A RU2728728C1 (en) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Absorbing filter-transformer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2728728C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU9553U1 (en) * | 1998-06-22 | 1999-03-16 | Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им.проф.М.А.Бонч-Бруевича | Microwave generator |
| RU2157585C1 (en) * | 1999-11-16 | 2000-10-10 | Омский научно-исследовательский институт приборостроения | Broad-band high-frequency push-pull power amplifier |
| DE10123369A1 (en) * | 2001-05-14 | 2002-12-05 | Infineon Technologies Ag | Filter arrangement for, symmetrical and asymmetrical pipe systems |
| KR20180107272A (en) * | 2016-03-14 | 2018-10-01 | 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼 | Frequency variable LC filter, high frequency front end module and communication device |
-
2019
- 2019-12-27 RU RU2019145485A patent/RU2728728C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU9553U1 (en) * | 1998-06-22 | 1999-03-16 | Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им.проф.М.А.Бонч-Бруевича | Microwave generator |
| RU2157585C1 (en) * | 1999-11-16 | 2000-10-10 | Омский научно-исследовательский институт приборостроения | Broad-band high-frequency push-pull power amplifier |
| DE10123369A1 (en) * | 2001-05-14 | 2002-12-05 | Infineon Technologies Ag | Filter arrangement for, symmetrical and asymmetrical pipe systems |
| KR20180107272A (en) * | 2016-03-14 | 2018-10-01 | 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼 | Frequency variable LC filter, high frequency front end module and communication device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Belevitch | Summary of the history of circuit theory | |
| US3514722A (en) | Networks using cascaded quadrature couplers,each coupler having a different center operating frequency | |
| CN113037223A (en) | Broadband differential radio frequency power amplifier with second harmonic suppression | |
| WO2020053141A1 (en) | Improvements in and relating to power divider / combiner circuits | |
| US10516378B2 (en) | Optimal response reflectionless filter topologies | |
| CN109474247A (en) | A filter-integrated dual-pass-band power amplifier | |
| CN102355222A (en) | Impedance matching system and impedance matching device | |
| RU2728728C1 (en) | Absorbing filter-transformer | |
| CN114826173B (en) | Radio frequency power device and electronic equipment | |
| US9847567B2 (en) | Directional coupler | |
| Evdokimova et al. | Synthesis of ladder-type acoustic filters in the band-pass domain | |
| Macchiarella et al. | Synthesis of microwave filters with “reactive” nodes | |
| CN114824721B (en) | Ultra-wideband miniaturized power divider | |
| Padmavathi et al. | Analysis and design of reflectionless filters for c band applications | |
| CN217116038U (en) | Multi-octave broadband power amplifier | |
| JP2017204997A (en) | Filter for electric field coupling type power supply system | |
| CN118352762A (en) | A broadband directional coupler based on lumped elements | |
| US10374577B2 (en) | Optimal response reflectionless filters | |
| CN119496483B (en) | Lumped in-phase power combining circuit and power amplifier | |
| CN216565089U (en) | Impedance matching circuit and antenna | |
| CN221961807U (en) | Filter and radio frequency module comprising same | |
| RU2805010C1 (en) | High-frequency signals divider | |
| JP2015103957A (en) | Impedance matching circuit and high frequency amplifier | |
| US2048067A (en) | Filter | |
| CN120049862A (en) | Power combining circuit and power amplifier |