Адаптивний смуговий фільтр мікрохвильового діапазону частот

Abstract

Розроблено та досліджено адаптивні фільтри мікрохвильового діапазону частот з можливістю статичного та динамічного контролю смуги робочих частот. Зростаючі вимоги до точності та ефективності роботи систем передачі сигналів вимагають нових підходів до проектування фільтрів, які здатні адаптуватися до змін у зовнішньому середовищі та умовах експлуатації. Для досягнення цієї мети у статті використано кільцеві резонатори, що є планарними структурами на діелектричній підкладці. Ці резонатори є одним із найперспективніших елементів для створення мікрохвильових фільтрів завдяки їхній простій конструкції та можливістю точного їх налаштування. У мікрохвильовому представленні кільцевий резонатор діє як резонансний коливальний LC-контур. Особливістю розглянутих фільтрів є можливість контролю резонансних характеристик контуру двома шляхами: статичним та динамічним. Статичний контроль здійснюється шляхом зміни геометричних параметрів кільцевого резонатора. У ході роботи проведено експерименти, коли змінювалася відстань між кільцевими резонаторами на значення h = [0,37, 0,51, 0,66, 0,81, 0,96] мм. Це дозволило досягти зміни смуги робочих частот з 250 МГц до 60 МГц на рівні 0,707. Такий підхід є ефективним для налаштування фільтра на певний діапазон частот на етапі проектування або виготовлення. Динамічний контроль досягається за рахунок використання варакторного діоду, що вмонтовується в додатковий розріз кільцевого резонатора. Варакторний діод є напівпровідниковим пристроєм, який діє як змінна ємність, керована напругою зміщення. Наявність варакторного діоду в структурі кільцевого резонатора дозволяє змінювати його імпеданс зміною загальної ємності контуру. Дослідження показало, що варіювання напруги зміщення від 1 до 7 В, прикладеної до варакторного діоду, забезпечує керування смугою робочих частот у діапазоні до 140 МГц. Через це фільтр стає універсальнішим і дозволяє швидко адаптувати його до змінних умов експлуатації без необхідності фізичної перебудови. Додатково у статті розглянуто принцип роботи досліджуваного фільтра з погляду електромагнітних (ЕМ) процесів, що відбуваються в зоні реактивної близькопольової взаємодії. Це дало можливість якісно продемонструвати, як фільтр працює в межах робочого діапазону частот і поза ним. Таке розуміння дозволяє точніше моделювати поведінку фільтра в реальних умовах і забезпечувати оптимальні характеристики під час роботи.

The paper is dedicated to development and investigation of adaptive filters at the microwave frequency range. Two cases are considered that include static and dynamic control of bandwidth. The requirements for accuracy and efficiency of operation of a signal transfer system are growing and require new approaches to filter design which can be adapted to the environment impact and operating conditions. The ring resonators were used in the paper for this aim. The ring resonators are the class of structures that involve a planar design of metallic elements with different shapes over a dielectric substrate. These resonators are one of the most prospective elements for the microwave filters implementation due to their simple design and a possibility for their precise adjustment. The ring resonator operates as an ordinary resonance oscillating LC-circuit in the microwave representation. The considered filters have a unique feature for control the resonance characteristics: static and dynamics. Static control can be implemented with variation of geometrical parameters of the ring resonators. Thus, the appropriate experimental investigations were performed for changing the distance between the filter ring resonators in the range h = [0.37, 0.51, 0.66, 0.81, 0.96] mm. It allowed to achieve the bandwidth variation 250 to 60 MHz over the threshold of 0.707. This approach is applicable to a filter adjustment for the defined frequency range at the constructive and manufacturing stage. Dynamic control can be achieved by a varactor diode utilizing. It should be ed into the additional gap of the ring resonator. A varactor diode is a semiconductor, its capacitance can be controlled by bias voltage. Therefore, the presence of the varactor diode in the structure of the rig resonator allows changing the total capacitance of the ring resonator. In the experimental investigation it was shown that, the bandwidth variation up to 140 MHz was achieved with the bias voltage changing 1 to 7 V. The dynamic control of the filter characteristics makes the device more flexible and allows fast adaptation of its frequency characteristics to the operation conditions without any hardware rebuilding. Additionally, the principle of the suggested filter functionality the point of view of electromagnetic processes, taking place in the zone of reactive near-field interaction is considered in the paper. The reactive near-filed zone was under study that allows clear consideration of surface current distribution. This enables to demonstrate how the filter operates within and beyond the operational frequency range. This knowledge ensures more precise modelling of the filter functionality in the real conditions and provide the optimal characteristics during operation.