Проектирование микроволновых функциональных узлов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
Г.Н. ДЕВЯТКОВ 
 
 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
МИКРОВОЛНОВЫХ  
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ 
 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

УДК 621.372.542.2(075.8) 
Д 259 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор А.П. Горбачев 
канд. техн. наук, доцент К.А. Лайко 
 
 
 
Работа выполнена на кафедре конструирования и технологии  
радиоэлектронных средств для магистрантов, направления подготовки 
11.04.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи  
и 11.04.03 – Конструирование и технология электронных средств 
 
 
Девятков Г.Н. 
Д 259  
Проектирование микроволновых функциональных узлов: 
учебно-методическое пособие / Г.Н. Девятков. – Новосибирск: 
Изд-во НГТУ, 2019. – 87 с. 

ISBN 978-5-7782-3942-5 

Изложены методы автоматизированного проектирования СВЧфильтров, дискретных фазовращателей и линейных транзисторных 
усилителей, работающих в полосе частот, в сосредоточенном и распределенном (сосредоточенно-распределенном) геометрическом элементном базисе. Рассмотрены примеры проектирования топологий 
СВЧ-фильтра, дискретного фазовращателя и линейного транзисторного усилителя на полевом транзисторе. 
Предназначено для закрепления знаний по соответствующим дисциплинам и получения практических навыков проектирования микроволновых функциональных узлов с использованием современных 
профессиональных программных продуктов для студентов радиотехнических специальностей. 
 
 
 
УДК 621.372.542.2(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3942-5 
© Девятков Г.Н., 2019 
 
© Новосибирский государственный  
 
технический университет, 2019 

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФИЛЬТРА НИЖНИХ ЧАСТОТ 
НА РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ 
 
Задание. Спроектировать и промоделировать топологию фильтра 
нижних частот в геометрическом (сосредоточенно-геометрическом) 
элементном базисе. 
Топология – это вид физического представления схемы, в которой 
каждый компонент схемы имеет свои геометрические размеры. 
Исходные данные. Исходные данные, необходимые для решения 
задачи, выбираются по табл. 1. 

Т а б л и ц а  1 

Исходные данные для вариантов практического занятия 

Наименование  
исходных  
данных 

Номер варианта 

1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 

сf , ГГц 
1.5 
1.7 
1.9 
2.1 
2.3 
2.5 
2.7 
2.9 
3.1 

стU
K
 
1.45 
1.45 
1.45 
1.45 
1..5 
1.5 
1.5 
1.5 
1.5 

a
L , дБ 
0.2 
0.2 
0.2 
0.2 
0.25 
0.25 
0.25 
0.25 
0.25 

d
L , дБ 
23 
24 
25 
25 
23 
24 
25 
25 
23 

Г
R , 
н
R , Ом 
50 
50 
50 
50 
50 
50 
50 
50 
50 

 
В табл. 1 приняты следующие обозначения: 

сf  – частота среза фильтра; 

стU
K
 – коэффициент стоячей волны напряжения на входных зажимах фильтра; 

a
L  – уровень пульсаций в рабочей полосе фильтра; 

d
L  – уровень подавления второй гармоники; 

Г
R , 
н
R  – внутреннее сопротивление генератора и  сопротивление 
нагрузки. 
Методические указания. Прежде чем приступить к выполнению задания, изучите по источникам: [5, с. 78–95] – проектирование 
фильтров-прототипов нижних частот, нагруженных с двух сторон, [1, 
с. 16–23, 58–77] – неорганические диэлектрики, проводниковые материалы, несимметричная полосковая линия; [2, с. 109–133, 243–246] – 
конструирование полосковых плат; [3] – проектирование микросборок 
СВЧ диапазона; [4] – назначение, возможности, создание схем и графиков, настройка и оптимизация схем в Microwave Office. 
Проектирование фильтра нижних частот на распределенных элементах в интегральном исполнении включает в себя следующие этапы: 
– синтез и моделирование низкочастотного фильтра в сосредоточенном электрическом элементном базисе; 
– преобразование низкочастотного фильтра-прототипа в распределенный электрический элементный базис с учетом возможности планарной реализации, моделирование; 
– проектирование топологии низкочастотного фильтра в распределенном геометрическом элементном базисе. 
Выполненная работа должна содержать следующие разделы: исходные данные; синтез и моделирование низкочастотного фильтрапрототипа в сосредоточенном электрическом элементном базисе; переход в сосредоточенно-распределенный электрический и геометрический элементный базис; моделирование, разработка и моделирование 
топологии низкочастотного фильтра; заключение; список использованных литературных источников; приложение (чертеж топологии и 
таблица координат). 

1.1. Синтез низкочастотного фильтра в сосредоточенном 
электрическом элементном базисе 

Синтез низкочастотного фильтра в сосредоточенном электрическом элементном базисе включает в себя следующие подэтапы [5]: 
– определение числа элементов и их значений низкочастотного 
фильтра-прототипа; 
– моделирование. 
 

Определение числа элементов и их значений  
низкочастотного фильтра-прототипа 

При выборе числа элементов фильтра необходимо исходить из того, что исходный низкочастотный фильтр-прототип должен обеспечивать коэффициент стоячей волны на входных зажимах фильтра 
стU
K
, 
иметь уровень затухания 
a
L  в заданной полосе пропускания и необходимый уровень фильтрации (затухания) 
d
L  на заданной частоте с некоторым запасом. С учетом того, что при проектировании фильтра в 
геометрическом элементном базисе в 
a
L  войдут потери мощности на 
отражение на входных зажимах фильтра и потери в самом фильтре, 
определяющим параметром при нахождении предельного уровня 
пульсаций в полосе пропускания фильтра будет являться 
стU
K
. Уровень 
a
L , соответствующий заданному 
стU
K
, можно определить по 
следующей формуле: 

 



2
10lg
1
a
L 


, 
(1) 

где 
ст

ст

1
1
U

U

K
K

 

. 

На рис. 1 приведена характеристика затухания фильтра нижних частот, где 
  и 
c
1

   нормированные соответственно текущая частота 
и частота среза характеристики. 
 

 
Рис. 1. Характеристика затухания  
фильтра нижних частот 

Тогда число элементов  n  соответствующего фильтра-прототипа 
нижних частот может быть определено по графикам для нужного 
уровня затухания 
a
L  в заданной полосе пропускания и заданного 
уровня подавления 
d
L  на частоте 
d
  (рис. 2–4).  
 

 
Рис. 2. Чебышёвские характеристики затухания с пульсациями 0.01 дБ 

 

 
Рис. 3. Чебышёвские характеристики затухания с пульсациями 0.1 дБ 

Рис. 4. Чебышёвские характеристики затухания с пульсациями 0.2 дБ 

Например, рассмотрим, как определить необходимое число элементов фильтра нижних частот для получения необходимого уровня 
затухания ненужных гармонических составляющих при следующих 
требованиях к характеристикам: уровень пульсаций чебышёвской характеристики 
a
L  = 0.25 дБ в полосе рабочих частот 
н
в
...
0...1
f
f 
 ГГц, 
уровень затухания на частоте 5 ГГц не хуже 15 дБ, 
стU
K
 по входу 
фильтра не хуже 1.5. 
Вначале находим модуль коэффициента отражения по входу  
фильтра: 

ст

ст

1
1.5 1
0.2
1
1.5 1
U

U

K
K



 




 

и по формуле (1) вычисляем 
a
L : 






2
2
10lg
1
10lg 0.2
1
0.18
a
L 





 ДБ. 

Исходя из полученного результата остановимся на фильтрепрототипе с уровнем пульсаций 0.1 дБ, обеспечивающим запас по заданному уровню 
стU
K
.  

С помощью графика (рис. 3), на котором приведены чебышёвские 
характеристики затухания фильтров с уровнем пульсаций в рабочей 

полосе пропускания 0.1 дБ, находим, что для значения 

ср
5
 

  

при числе реактивных элементов 
2
n 
 фильтр-прототип нижних  
частот будет иметь затухание 17 дБ. Таким образом, для фильтра нижних частот с уровнем пульсаций 0.1 дБ в полосе рабочих частот 

н
в
...
0...1
f
f 
 ГГц необходимо 
2
n 
 резонатора, чтобы обеспечить 
требуемый уровень затухания на частоте 5 ГГц. 
Нормированные по сопротивлению генератора и частоте среза значения элементов фильтра-прототипа нижних частот (рис. 5) определяются по табл. 2 для нужного уровня затухания в заданной полосе пропускания и найденного числа элементов [5].  
 

 
а 

 
б 

Рис. 5. Определение нормированных значений элементов фильтров- 
прототипов 

 

Т а б л и ц а  2 

Нормированные значения элементов фильтров-прототипов нижних  
частот с чебышёвскими характеристиками 

a
L  
n  
1
q  
2
q  
3
q  
4
q  
5
q  
6
q  
7
q  

0.01 дБ 
2 
0.449 
0.408 
1.101 
 
 
 
 

 
3 
0.629 
0.97 
0.629 
1 
 
 
 

О к о н ч а н и е  т а б л . 2 

a
L  
n  
1
q  
2
q  
3
q  
4
q  
5
q  
6
q  
7
q  

 
4 
0.713 
1.2 
1.321 
0.648 
1.101 
 
 

 
5 
0.756 
1.305 
1.577 
1.305 
0.756 
1 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

0.1 дБ 
2 
0.843 
0.622 
1.355 
 
 
 
 

 
3 
1.032 
1.147 
1.032 
1 
 
 
 

 
4 
1.109 
1.306 
1.77 
0.818 
1.355 
 
 

 
5 
1.147 
1.371 
1.975 
1.371 
1.147 
1 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

0.2 дБ 
2 
1.038 
0.675 
1.539 
 
 
 
 

 
3 
1.228 
1.153 
1.228 
1 
 
 
 

 
4 
1.303 
1.284 
1.976 
0.847 
1.539 
 
 

 
5 
1.339 
1.337 
2.166 
1.337 
1.339 
1 
 

 
После нахождения нормированных параметров элементов выбранного фильтра-прототипа нижних частот могут быть определены значения элементов схемы, соответствующие конкретному случаю применения:  

 
Г 0
R
R R


,   
0

c
2

k
k
q R
L

f





,   

c 0
2

k
k
q
C

f R


, 
(2) 

где 
0
R , 
cf  – заданные соответственно сопротивление генератора и 
частота среза фильтра. 
Для рассмотренного выше примера фильтра-прототипа нижних частот с числом реактивных элементов 
2
n 
 и уровнем пульсаций в рабочей полосе пропускания 0.1 дБ, выбрав структуру фильтра (рис. 5, 
а), из табл. 2 определяем нормированные значения реактивных элементов 1
0.843
q 
, 
2
0.622
q 
 и нагрузки 3
1.355
q 
 (рис. 6). Частотная 
характеристика коэффициента стоячей волны 
стU
K
 на входных зажимах фильтра приведена на рис. 7. 
 

Рис. 6. Нормированная по частоте  
и сопротивлению схема фильтра  
                  нижних частот 

Рис. 7. 
стU
K
 на входных зажимах 
фильтра 

Тогда для заданных активного сопротивления генератора 
0
50
R 
 
Ом и частоты среза 
c
1
f   ГГц находим значения элементов фильтра 
приведенного на рис. 6: 

Г
Г 0
R
R R


 = 50 Ом;    
1
1
c 0
2

q
C

f R


 = 
9
0.843

6.28 1 10
50
 

 = 2.69 пФ; 

2 0
2
c
2

q R
L

f



 = 
9
0.622 50

6.28 1 10



 
 = 4.95 нГн;    
0
н
3

R
R
q

 = 50
1.355  = 36.9 Ом. 

1.2. Преобразование низкочастотного фильтра  
прототипа в распределенный электрический  
элементный базис с учетом возможности  
планарной реализации 

При реализации схем в диапазоне СВЧ очень часто возникает 
необходимость использования сосредоточенно-распределенных и распределенных структур. При этом предпочтение в большинстве случаев 
отдается схемам, выполненным печатным способом при использовании симметричных и несимметричных полосковых (микрополосковых) 
линий. Это приводит, в свою очередь, к необходимости учета дополнительных ограничений, накладываемых соответствующей технологией изготовления.