Фильтры СВЧ в телекоммуникационных системах

 
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное образовательное 
учреждение высшего образования 
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»  
Инженерно-технологическая академия 
 
А. Н. ЗИКИЙ 
А. В. ПОМАЗАНОВ 
А. В. АНДРИАНОВ 
А. С. КОЧУБЕЙ 
 
ФИЛЬТРЫ СВЧ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ 
СИСТЕМАХ  
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
Ростов-на-Дону – Таганрог 
Издательство Южного федерального университета 
2024 
 

 
УДК 621.396.62 
ББК 32.842 
         З-601 
Печатается по решению кафедры информационной безопасности  
телекоммуникационных систем Института компьютерных технологий  
и информационной безопасности Южного федерального университета 
(протокол № 28 от 19 июня 2024 г.) 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор Южного федерального  
университета К. Е. Румянцев 
кандидат технических наук, старший научный сотрудник,  
начальник лаборатории АО «ТНИИС» С. В. Крикотин 
 
Зикий, А. Н. 
З-601      Фильтры СВЧ в телекоммуникационных системах : учебное пособие / А. Н. Зикий, А. В. Помазанов, А. В. Андрианов, А. С. Кочубей ; 
Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог :  
Издательство Южного федерального университета, 2024. – 150 с. 
ISBN 978-5-9275-4778-4 
Изложены принципы построения и основы проектирования селективных 
устройств СВЧ, применяемых в телекоммуникационных системах. Рассматриваются вопросы схемотехники и конструкции селективных устройств. Приводятся 
многочисленные результаты разработки и экспериментальных исследований 
фильтров и диплексеров различных диапазонов длин волн. Учебное пособие 
написано на основе оригинальных работ авторов, опубликованных в научных 
журналах.  
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 10.05.02 – Информационная безопасность телекоммуникационных систем 
и изучающих дисциплину «Устройства телекоммуникационных систем», может 
быть полезно при курсовом и дипломном проектировании. 
УДК 621.396.62 
ББК 32.842 
ISBN 978-5-9275-4778-4 
© Южный федеральный университет, 2024 
© Зикий А. Н., Помазанов А. В.,  
    Андрианов А. В., Кочубей А. С., 2024 
© Оформление. Макет. Издательство  
    Южного федерального университета, 2024
 

 
СОДЕРЖАНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 5 
1. ФИЛЬТРЫ НА ВСТРЕЧНЫХ СТЕРЖНЯХ 
................................................. 6 
1.1. Фильтр на встречных стержнях на частоту 522 МГц ........................... 6 
1.2. Микрополосковый фильтр на встречных стержнях ........................... 11 
1.3. Моделирование и экспериментальное исследование  
узкополосного фильтра на встречных стержнях 
........................................ 16 
1.4. Полосовой фильтр L-диапазона ............................................................ 22 
1.5. Экспериментальное исследование фильтра дециметрового  
диапазона 
........................................................................................................ 27 
1.6. Диплексер дециметрового диапазона волн 
.......................................... 30 
1.7. Расчет и экспериментальное исследование фильтра  
на встречных стержнях ................................................................................. 38 
1.8. Фильтр на встречных стержнях дециметрового диапазона волн 
...... 41 
1.9. Моделирование и экспериментальное исследование канального 
фильтра дециметрового диапазона 
.............................................................. 47 
1.10. Моделирование и экспериментальное исследование трактового 
фильтра на встречных стержнях .................................................................. 52 
1.11. Широкополосный фильтр сантиметрового диапазона волн  
на встречных стержнях ................................................................................. 59 
1.12. Моделирование и экспериментальное исследование трактового 
фильтра сантиметрового диапазона ............................................................ 65 
2. ГРЕБЕНЧАТЫЕ ФИЛЬТРЫ ........................................................................ 69 
2.1. Экспериментальное исследование гребенчатого фильтра  
метрового диапазона ..................................................................................... 69 
2.2. Экспериментальное исследование двух фильтров  
дециметрового диапазона ............................................................................ .72 
2.3. Моделирование и экспериментальное исследование  
гребенчатого фильтра дециметрового диапазона ...................................... 79 
2.4. Полосовой гребенчатый фильтр на частоту 2050 МГц ...................... 79 
3. ШЛЕЙФОВЫЕ ФИЛЬТРЫ .......................................................................... 89 
3.1. Моделирование и экспериментальное исследование  
шлейфового фильтра ..................................................................................... 89 
3 

Содержание 
3.2. Моделирование и экспериментальное исследование  
шлейфового фильтра на ступенчатых резонаторах ................................... 
92 
3.3. Шлейфовый фильтр промежуточной частоты 
..................................... 
98 
3.4. Шлейфовый фильтр метрового диапазона 
......................................... 
104 
4. ФИЛЬТРЫ НА ПОЛУВОЛНОВЫХ РЕЗОНАТОРАХ ............................ 
112 
4.1. Моделирование и экспериментальное исследование  
микрополоскового фильтра на полуволновых резонаторах.................... 
112 
4.2. Фильтр на полуволновых резонаторах с четвертьволновыми  
связями .......................................................................................................... 
115 
4.3. Микрополосковый фильтр на полуволновых резонаторах .............. 
121 
4.4. Моделирование двух микрополосковых фильтров  
сантиметрового диапазона 
.......................................................................... 
126 
4.5. Моделирование и экспериментальное исследование  
микрополоскового фильтра ........................................................................ 
132 
4.6. Исследование микрополоскового фильтра на полуволновых  
резонаторах 
................................................................................................... 
134 
4.7. Моделирование микрополоскового фильтра миллиметрового  
диапазона волн ............................................................................................. 
137 
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 
......................................................................... 
140 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
................................................................................................ 
142 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................... 
143 
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ............................................................................. 
149 
 
4 

 
ВВЕДЕНИЕ 
В настоящем учебном пособии изложены принципы построения и основы проектирования фильтров СВЧ, применяемых в телекоммуникационных системах. Рассматриваются вопросы схемотехники и конструкции 
фильтров СВЧ. Приводятся многочисленные результаты разработки и экспериментальных исследований фильтров СВЧ для различных диапазонов 
длин волн. 
Учебное пособие состоит из четырёх разделов. В первом разделе приводятся результаты исследования десятка встречностержневых фильтров и 
диплексеров. Во втором разделе исследуются гребенчатые фильтры. В третьем разделе учебного пособия приводятся результаты моделирования и 
экспериментальных исследований шлейфовых фильтров. В четвёртом разделе рассматриваются фильтры на полуволновых резонаторах.  
Хотя во всех разделах есть доля труда каждого из авторов, можно отметить разделы, к которым тот или иной автор приложил наибольшие усилия: 
А. В. Андрианов – раздел 3, А. Н. Зикий – раздел 1, А. С. Кочубей – раздел 4, А. В. Помазанов – раздел 2. 
Учебное пособие написано на основе оригинальных работ авторов, 
опубликованных в научных журналах. Приводится обширный список литературных источников.  
Учебное пособие предназначено для студентов специалитета, обучающихся по специальности 10.05.02 – Информационная безопасность телекоммуникационных систем и изучающих дисциплину «Устройства телекоммуникационных систем», может быть полезно при курсовом и дипломном проектировании. 
 
 
5 

 
1. ФИЛЬТРЫ НА ВСТРЕЧНЫХ СТЕРЖНЯХ 
1.1. Фильтр на встречных стержнях на частоту 522 МГц [33] 
Фильтры на встречных стержнях широко применяются в избирательных цепях телекоммуникационных устройств дециметрового и СВЧдиапазонов длин волн. Целью данного подраздела является описание моделирования фильтра на частоту 522 МГц. Применение такого фильтра в разрабатываемом телекоммуникационном устройстве можно выполнить несколькими путями: 
 приобрести готовый фильтр, например, от фирмы «Бутис-М»; 
 разработать микрополосковый фильтр, однако технология его изготовления недоступна для большинства инженеров и радиолюбителей; 
 создать фильтр из доступных материалов и комплектующих, и  
применить технологию, доступную многим радиолюбителям для повторения. 
Последний вариант из перечисленных представляется нам наиболее 
предпочтительным. 
К фильтру предъявляются следующие требования: 
 резонансная частота 512 МГц; 
 полоса пропускания около 10 МГц; 
 потери в полосе пропускания не более 3 дБ; 
 КСВ в полосе пропускания не более 1,2. 
Проектированию полосковых фильтров дециметрового диапазона посвящено большое число работ, в том числе монографии, учебные пособия, 
статьи, однако наиболее доступной книгой для проектирования является 
справочник [1]. 
Задаёмся следующими исходными данными для фильтра: 
 относительная полоса пропускания ∆f/f0 = 2%; 
 расстояние между крышками в = 20 мм; 
 форма резонаторов – прямоугольник; 
 число резонаторов n = 3; 
 волновое сопротивление – 75 Ом. 
6 

1.1. Фильтр на встречных стержнях на частоту 522 МГц 
Схема и конструкция фильтра 
На рис. 1.1 можно видеть схему исследуемого фильтра. Фильтр содержит три четвертьволновых резонатора, образующих встречно-стержневую 
структуру. На каждом незаземлённом конце резонатора имеется подстроечный конденсатор. Геометрические размеры фильтра можно рассчитать по 
методике из книги [1]. Основные геометрические и электрические параметры фильтра приведены в табл. 1.1. Конструкцию фильтра со снятой крышкой можно представить с помощью рис. 1.2. Рисунок заимствован из форума радиолюбителей. 
Таблица 1.1  
Основные геометрические и электрические параметры фильтра 
Позиционное 
Ширина, 
Длина,  
Толщина, 
обозначение 
мм 
мм 
мм 
Наименование 
W1=W3=W5 
10 
130 
5 
Резонатор 
W2=W4=W6 
10 
13 
5 
Резонатор 
S1=S2 
20 
Зазор, мм 
b 
20 
Расстояние между  
крышками, мм 
Ɛ 
1 
Относительная диэлектрическая проницаемость 
Ёмкость подстроечного 
конденсатора, пФ 
C1 
C2 
C3 
0–2 
0–2 
0–2 
Z вх. 
75 
Волновые сопротивление, 
Ом 
Z вых. 
75 
 
Корпус фильтра изготовлен из пластин фольгированного стеклотекстолита. Он имеет внутренние размеры 145х90х20 мм. Резонаторы изготовлены из медной трубки диаметром 9,5 мм и длиной, указанной в табл. 1.1. 
Для повышения добротности фильтра внутренние поверхности корпуса и 
наружные поверхности резонаторов отшлифованы. Винты, выполняющие 
роль одной из обкладок подстрочного конденсатора, после регулировки 
фильтра должны быть надёжно закреплены, например, с помощью контргайки. 
7 

1. Фильтры на встречных стержнях 
 
Рис. 1.1. Принципиальная схема фильтра 
 
Рис. 1.2. Фото гребенчатого фильтра со снятой крышкой 
Для устранения микрофонного эффекта между резонаторами и крышками рекомендуется установить пенопластовые пластины. 
Моделирование фильтра 
Моделирование фильтра проведено в среде Microwave Office (MWO). 
На рис. 1.3 можно видеть модель фильтра из MWO. Позиционные обозначения на рис. 1.3 соответствует позиционным обозначениям в табл. 1.1. 
Все геометрические размеры для модели взяты из табл. 1.1. Ёмкости конденсаторов С1–С3 подобраны в процессе моделирования, и на рис. 1.3 показан финальный вариант.  
На рис. 1.4 показана АЧХ фильтра в ближней зоне, а на рис. 1.5 – 
в дальней. 
8 

1.1. Фильтр на встречных стержнях на частоту 522 МГц 
 
Рис. 1.3. Модель встречно-стержневого фильтра на частоте 522 МГц 
 
Рис. 1.4. АЧХ фильтра в ближней зоне (из MWO) 
9 

1. Фильтры на встречных стержнях 
 
Рис. 1.5. АЧХ фильтра в дальней зоне (из MWO) 
Эксперимент 
Эксперимент по исследованию АЧХ фильтра проводился на векторном 
анализаторе цепей. На рис. 1.6 показана АЧХ фильтра в полосе от 447 до 
597 МГц. Из этого рисунка видно, что центральная частота полосы пропускания составляет 522 МГц, ширина полосы пропускания не менее 10 МГц, 
потери в полосе пропускания не более 3 дБ, потери на частоте 35 канала 
(582 МГц) не менее 60 дБ. 
 
 
Рис. 1.6. Экспериментальная АЧХ фильтра 
10