Построение ВЧ/СВЧ трактов: принципы проектирования, согласование и фильтрация

Функциональные характеристики любой радиоэлектронной системы, от супергетеродинного приёмника до активной фазированной антенной решётки (АФАР), определяются параметрами её высокочастотного (ВЧ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) тракта. Именно параметры ВЧ/СВЧ тракта определяют интегральные характеристики устройства: чувствительность, избирательность, динамический диапазон, линейность и помехоустойчивость.

Поэтому проектирование ВЧ/СВЧ тракта – комплексная электродинамическая и схемотехническая задача, требующая учёта распределённого характера параметров, технологических ограничений и физических эффектов, проявляющихся на частотах выше 300 МГц. Основная задача инженера – обеспечить заданные частотные, динамические и шумовые характеристики при минимальных массогабаритных параметрах и энергопотреблении.

Структурная организация ВЧ/СВЧ тракта

ВЧ/СВЧ тракт представляет собой каскадное соединение функциональных узлов и линий передачи, обеспечивающее передачу, приём, преобразование и обработку сигналов в диапазоне от единиц мегагерц до сотен гигагерц. Типовая структура включает:

Антенно-фидерный тракт – приёмопередающие антенны, фидерные линии (коаксиальные кабели, волноводы), согласующие и балансные устройства.

Приёмный тракт – входные селективные цепи, малошумящие усилители (МШУ), преселекторы, смесители, усилители промежуточной частоты (УПЧ) с фильтрами основной селекции.

Передающий тракт – задающие генераторы, умножители частоты, предварительные и выходные усилители мощности (УМ) с фильтрами гармоник, антенные переключатели и циркуляторы.

Тракт синхронизации и управления – опорные генераторы, синтезаторы частот с фазовой автоподстройкой (ФАПЧ), системы автоматической регулировки усиления (АРУ) и мощности (АРМ).

Элементная база и линии передачи

Линии передачи

Выбор типа линии определяется рабочим частотным диапазоном, передаваемой мощностью, требуемыми потерями и конструктивными ограничениями:

Коаксиальные линии передачи обладают стандартизованным волновым сопротивлением (50 Ом или 75 Ом), широким диапазоном рабочих частот (до десятков ГГц), высоким уровнем экранирования и малыми потерями при передаче сигналов умеренной мощности. Основной недостаток заключается в увеличении погонного затухания с частотой пропорционально √f.

Микрополосковые линии представляют собой полосковый проводник на диэлектрической подложке с металлизированной (заземлённой) нижней стороной. Благодаря печатной технологии они наиболее технологичны для гибридных и монолитных интегральных схем. Отличительной особенностью является частично открытая конструкция, что требует обязательного учёта влияния экранирующих элементов при проектировании.

Полосковые симметричные линии представляют собой проводники, расположенные между двумя заземлёнными металлическими плоскостями. Благодаря замкнутой структуре они обеспечивают более высокий уровень экранирования по сравнению с микрополосковыми линиями, однако их изготовление требует более жёстких технологических допусков.

Щелевые и компланарные волноводные структуры находят применение в специализированных СВЧ-устройствах (балансные смесители, переключатели, делители мощности), где их топологические особенности – размещение всех проводников на одной стороне подложки – позволяют реализовать компактные односторонние интегральные схемы и упростить монтаж дискретных компонентов.

Прямоугольные и круглые волноводы находят преимущественное применение в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн (выше 3 ГГц), что обусловлено их низкими диссипативными потерями (затухание возрастает пропорционально f3/2 и высокой электрической прочностью. Следует учитывать, что для каждого волновода существует критическая частота (частота отсечки), определяемая поперечными размерами волновода; ниже этой частоты распространение электромагнитной волны невозможно.

Фильтрующие устройства

Фильтры являются ключевыми элементами частотной селекции тракта. В зависимости от задачи применяются:

ФНЧ (фильтры нижних частот) осуществляют подавление высших гармоник на выходе усилителей мощности и высокочастотных помех. Реализуются на сосредоточенных элементах (LC-цепочки) до 2-3 ГГц и на распределённых структурах на более высоких частотах.

ФВЧ (фильтры верхних частот) предназначены для отсечения низкочастотных составляющих и постоянной составляющей сигнала.

ППФ (полосно-пропускающие фильтры) осуществляют выделение рабочей полосы частот с заданной избирательностью. Могут быть выполнены на керамических моноблочных резонаторах, сосредоточенных элементах, распределённых структурах (микрополосковые на полуволновых резонаторах, волноводные, диэлектрические резонаторы) и в комбинированном исполнении.

Режекторные фильтры предназначены для подавления узкополосных помех без существенного влияния на полезный сигнал.

Мультиплексоры (диплексеры, триплексеры) осуществляют разделение или объединение сигналов различных частотных поддиапазонов в общем тракте.

Активные и пассивные компоненты

Малошумящие усилители (МШУ), размещённые во входном каскаде приёмного тракта, являются основным элементом, определяющим его шумовую температуру и коэффициент шума. Выбор типа транзистора (HEMT, pHEMT, SiGe), а также рабочей точки по постоянному току имеют решающее значение для минимизации коэффициента шума при одновременном обеспечении заданного коэффициента усиления в рабочей полосе частот.

Усилители мощности обеспечивают требуемую выходную мощность и коэффициент полезного действия (КПД) при заданном уровне входного сигнала. Ключевым условием их эффективной работы является оптимальное согласование импедансов на основной частоте и гармониках, что позволяет минимизировать потери на отражение и обеспечивает безусловную устойчивость (коэффициент устойчивости K>1) во всём рабочем диапазоне.

Смесители осуществляют частотное преобразование на нелинейных элементах (диодах или транзисторах), при этом их эффективность оценивается по трём основным параметрам: потерям преобразования (вносимым затуханием), точке пересечения по интермодуляции третьего порядка (IP3), характеризующей линейность, и подавлению зеркального канала, определяющему избирательность по побочным каналам приёма.

Генераторы и синтезаторы формируют несущие колебания с заданной частотой, стабильностью и фазовым шумом. Системы ФАПЧ обеспечивают синхронизацию с опорным генератором.

Коммутационные устройства тракта (переключатели, аттенюаторы, циркуляторы, изоляторы) выполняют функции маршрутизации сигналов, регулировки их уровня, а также обеспечивают необходимую развязку между каскадами и защиту выходных усилителей мощности от отражённой энергии.

Фундаментальные принципы проектирования

Согласование импедансов

Согласование обеспечивается:

выбором линий передачи с заданным волновым сопротивлением (геометрическими размерами и диэлектрической проницаемостью подложки);

применением согласующих цепей – LC-звеньев, четвертьволновых трансформаторов, ступенчатых переходов, мостовых схем и пр.;

Учёт потерь и добротности

Каждый элемент тракта вносит диссипативные потери. Для линии передачи погонное затухание определяется двумя составляющими: потерями в металлах (скин-эффект, шероховатость поверхности) и потерями в диэлектрике подложки. Суммарные потери тракта складываются из затухания в линиях передачи, потерях во всех последовательно включённых элементах, а также потерь на переходах, в разъёмах и паяных соединениях.

На этапе проектирования для минимизации потерь целесообразно:

выбирать подложки с малым тангенсом диэлектрических потерь (tan⁡δ≤10^(-3)) и металлизацию с высокой проводимостью (Ag, Cu);

оптимизировать топологию с целью сокращения длины линий и числа соединительных элементов;

использовать прецизионные коаксиальные разъёмы с низким КСВ (не более 1,2 в рабочей полосе).

Развязка и изоляция

В трактах, работающих на высоких уровнях мощности, особое значение приобретает развязка между каскадами, предотвращающая паразитную обратную связь с выхода усилителя мощности на его вход, которая способна вызвать самовозбуждение. Для достижения требуемой развязки используются:

ферритовые изоляторы и циркуляторы (обеспечивают развязку 20–30 дБ);

экранирование отдельных узлов и отсеков;

рациональное проектирование топологии печатной платы с минимизацией паразитных связей;

фильтрация цепей питания и управления.

3.4. Температурная стабильность

Температурная нестабильность параметров ВЧ/СВЧ компонентов проявляется в изменении диэлектрической проницаемости подложек, барьерной ёмкости p-n-переходов и удельного сопротивления металлизации. Для обеспечения заданной стабильности характеристик в полном интервале рабочих температур (от минус 60 °C до плюс 85 °C) рекомендуется:

применение подложек с низким температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости;

использование схемотехнической термокомпенсации в узлах, критичных к температурному дрейфу;

обеспечение эффективного теплоотвода от мощных узлов с использованием радиаторов, тепловых труб или жидкостного охлаждения (в зависимости от рассеиваемой мощности).

3.5. Электромагнитная совместимость (ЭМС)

ВЧ/СВЧ тракты одновременно являются источниками и приёмниками электромагнитных помех. Обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) требует комплексного подхода, включающего:

экранирование критических узлов с эффективностью экранирования не менее 60–80 дБ;

фильтрацию цепей питания и управления (проходные конденсаторы, ферритовые фильтры) для подавления кондуктивных помех;

оптимизацию топологии печатной платы и системы заземления для минимизации паразитных излучений;

учёт и снижение перекрёстных помех между линиями передачи за счёт разнесения проводников и введения экранирующих трасс.

Инженерная методология проектирования

Этапы разработки

Разработка технического задания (ТЗ), определяющего требования к частотным диапазонам, уровням мощности, коэффициенту шума и усиления, избирательности, массогабаритным параметрам, условиям эксплуатации (температура, вибрация, радиация) и другим ключевым характеристикам.

Выбор архитектуры тракта: супергетеродинная, прямого преобразования, с двойным или тройным преобразованием частоты, с цифровой обработкой сигнала (SDR) и др.

Разработка структурной и принципиальной схем, включающая определение состава функциональных узлов, их взаимосвязей, уровней сигналов и распределения коэффициентов усиления/ослабления по тракту.

Расчёт и выбор компонентов (фильтры, усилители, смесители, генераторы) на основе их S-параметров и нелинейных характеристик.

Электромагнитное и схемотехническое моделирование в CAE-системах (ADS, AWR, CST, HFSS) для расчёта S-параметров, амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик, КСВ, уровней интермодуляционных искажений.

Изготовление макетов и экспериментальная отработка: измерение параметров с использованием векторного анализатора цепей, коррекция схемы по результатам измерений.

Роль фильтрующих устройств в тракте

Фильтры являются основными элементами частотной селекции, определяющими избирательность и помехоустойчивость приёмного и передающего трактов. Выбор типа фильтра, его порядка и места включения в тракте – это определяющие факторы для достижения требуемых частотных и динамических характеристик системы. В типовом тракте фильтры решают следующие задачи:

Преселектор (входной полосовой фильтр) обеспечивает подавление сигналов зеркального канала и мощных внеполосных помех до входа МШУ, предотвращая интермодуляционные искажения в смесителе и снижение динамического диапазона.

Фильтр после МШУ подавляет гармонические составляющие и комбинационные продукты, возникающие из-за нелинейности усилителя.

Фильтр основной селекции (в тракте ПЧ) формирует результирующую избирательность тракта; для этих целей, как правило, используются узкополосные фильтры с высокой прямоугольностью (например, кварцевые или керамические).

Фильтр гармоник (на выходе передатчика) ослабляет высшие гармоники выходного сигнала до уровней, регламентированных нормами ЭМС (типовое подавление – не менее 60 дБ).

Мультиплексоры(в том числе дуплексеры) обеспечивают разделение или объединение сигналов различных частотных диапазонов в общем антенно-фидерном тракте.

НПП «ФЛИКС» разрабатывает и производит фильтрующие устройства всех перечисленных типов для диапазона до 40 ГГц, включая керамические моноблочные, сосредоточенные, распределённые (микрополосковые, волноводные), комбинированные и перестраиваемые фильтры, а также мультиплексоры и режекторные фильтры.

Наша компания предлагает комплексные решения в области СВЧ-фильтрации для самых требовательных применений, от спутниковой связи до бортовых радиолокационных систем. Наши инженеры готовы разработать фильтрующие устройства под Вашу уникальную задачу с учётом всех технических требований и условий эксплуатации.