Teoria filtrów szerokopasmowych z rezonatorami sprzężonymi

Nr wniosku: 152822, nr raportu: 7938. Kierownik (z rap.): mgr inż. Mateusz Sebastian Żukociński
Teoria filtrów szerokopasmowych z rezonatorami sprzężonymi bezpośrednio
Przedmiotem zrealizowanego projektu były radiokomunikacyjne filtry szerokopasmowe oraz
ultra-szerokopasmowe (ang. ultra-wideband, UWB), będące jednym z podstawowych elementów systemów
szerokopasmowych, których rozwój w ostatnich latach jest szczególnie szybki. Systemy szerokopasmowe
coraz szerzej stosowane są w technice radiolokacyjnej, zarówno w radarach kontroli lotniczej, jak i morskiej
i naziemnej, w systemach wykrywania zagrożeń, obrazowania medycznego, a także w systemach
telekomunikacyjnych łączności bezprzewodowej o bardzo dużej przepustowości. Współistnienie wielu
systemów szerokopasmowych jak i tradycyjnych systemów wąskopasmowych w różnych zakresach widma
elektromagnetycznego wymaga stosowania właściwej filtracji. Rozwój systemów szerokopasmowych
wymaga więc rozwoju metod opisu i projektowania filtrów szerokopasmowych, które będą spełniać
wymagania istniejących oraz przyszłych systemów tego typu.
Analizowane w tym projekcie filtry środkowoprzepustowe zbudowane są z rezonatorów
sprzężonych kaskadowo. Struktura ta odpowiada filtrom mikrofalowym ze sprzężonymi
elektromagnetycznie rezonatorami mikrofalowymi (rys. 1). Filtry szerokopasmowe mają pasma przepustowe
o względnej szerokości kilkudziesięciu procent natomiast filtry ultra-szerokopasmowe przyjmują pasma
rzędu sto i więcej procent. Na rysunku 2 przedstawiono przykład charakterystyk filtru
ultra-szerokopasmowego, którego pasmo przepustowe rozciąga się w przedziale 2 – 6 GHz. Przyjmując
częstotliwość środkową filtru równą 4 GHz, filtr ten ma pasmo o względnej szerokości 100%.
-20
-10
-40
-20
-60
-30
-80
0
Rys. 1 Struktura filtru zbudowanego z rezonatorów sprzężonych
bezpośrednio
0
1
2
3
4
5 6 7
freq [GHz]
8
9
|S21| [dB]
|S11| [dB]
0
-40
10 11 12
Rys. 2 Przykładowa charakterystyka częstotliwościowa
filtru szerokopasmowego (linia ciągła to charakterystyka
odbicia, linia przerywana to charakterystyka transmisji)
W rezultacie projektu udało się zrealizować jego główny cel, jakim było poznanie właściwości
środkowoprzepustowych filtrów szerokopasmowych oraz stworzenie opisu takich struktur w postaci metody
projektowej. Poznane właściwości filtrów szerokopasmowych i ich opis poszerzają klasyczną teorię filtrów,
która sprawdza się jedynie w przypadku filtrów wąskopasmowych. Obserwacje i wnioski płynące z
przeprowadzonych badań dają, poza samą metodą projektową, również wiele praktycznych wskazówek
ułatwiających projektowanie takich struktur. Opracowana metoda projektowa jest uniwersalna i pozwala
projektować filtry pracujące w zakresie fal ultrakrótkich, mikrofal, jak i fal milimetrowych.
Kolejnym osiągniętym celem są praktyczne realizacje filtrów szerokopasmowych obrazujące
użyteczność opracowanej metody projektowej. Zrealizowane filtry szerokopasmowe charakteryzują się
bardzo dobrymi parametrami i stanowią interesujące rozwiązania praktyczne (rys. 3 i 4).
Nowa teoria i skuteczna metoda projektowania filtrów szerokopasmowych pozwala na zmniejszenie
nakładów finansowych i skrócenie czasu projektowania oraz polepszenia parametrów opracowywanych
filtrów. To z kolei wpływa na szybszy rozwój technik szerokopasmowych, a także zwiększenie ich
dostępności poprzez zmniejszenie kosztów urządzeń oraz eksploatacji.
Rys. 3 Szerokopasmowy 5-rezonatorowy filtr
grzebieniowy pracujący w paśmie UWB 3,1 - 4,85 GHz
Rys. 4 Szerokopasmowy 5-rezonatorowy planarny filtr z elementami
quasi-skupionymi pracujący w paśmie 1,25 – 1,75 GHz