Коэффициент связи резонаторов — безразмерная величина, характеризующая взаимодействие двух резонаторов. Коэффициенты связи используются в теории резонаторных фильтров. Резонаторы могут быть как электромагнитными, так и акустическими. Коэффициенты связи совместно с резонансными частотами и внешними добротностями резонаторов являются обобщенными параметрами фильтров. Для настройки частотной характеристики фильтра достаточно оптимизировать только эти обобщенные параметры.
Этот термин был впервые введен в теорию фильтров М. Дишалом. [1] [ необходим непервичный источник ] В некоторой степени это аналог коэффициента связи связанных индукторов. Значение этого термина многократно улучшалось с прогрессом в теории связанных резонаторов и фильтров . Более поздние определения коэффициента связи являются обобщениями или уточнениями предыдущих определений.
Более ранние известные определения коэффициента связи резонаторов даны в монографии Г. Маттеи и др . [2] Отметим, что эти определения являются приблизительными, поскольку сформулированы в предположении, что связь между резонаторами достаточно мала. Коэффициент связи для случая двух одинаковых резонаторов определяется формулой
(1)
где - частоты четных и нечетных связанных колебаний ненагруженной пары резонаторов, а Очевидно, что коэффициент связи, определяемый формулой (2), является положительной константой, характеризующей взаимодействие резонаторов на резонансной частоте
В случае, когда соответствующая эквивалентная схема, имеющая инвертор импеданса или проводимости, нагруженный на обоих портах резонансными однополюсниками, может быть согласована с парой связанных резонаторов с равными резонансными частотами, коэффициент связи определяется по формуле
(2)
для резонаторов последовательного типа и по формуле
(3)
для резонаторов параллельного типа. Здесь - параметры инвертора импеданса и инвертора проводимости, - параметры наклона реактивного сопротивления первой и второй резонансных цепей последовательного типа на резонансной частоте , - параметры наклона реактивной проводимости первой и второй резонансных цепей параллельного типа.
В случае, когда резонаторы представляют собой резонансные LC-контуры, коэффициент связи в соответствии с (2) и (3) принимает значение
(4)
для цепей с индуктивной связью и значение
(5)
для цепей с емкостной связью . Здесь - индуктивность и емкость первой цепи, - индуктивность и емкость второй цепи, - взаимная индуктивность и взаимная емкость. Формулы (4) и (5) давно известны в теории электрических цепей . Они представляют собой значения коэффициентов индуктивной и емкостной связи связанных резонансных LC-контуров.
Уточнение приближенной формулы (1) выполнено в [3] . Точная формула имеет вид
(6)
При выводе этого выражения использовались формулы (4) и (5). В настоящее время общепризнанной является формула (6). Она приведена в высокоцитируемой монографии JS. Hong. [4] Видно, что коэффициент связи имеет отрицательное значение, если
В соответствии с новым определением (6) значение коэффициента индуктивной связи резонансных LC-контуров по-прежнему выражается формулой (4). Он имеет положительное значение при и отрицательное значение при
Тогда как значение коэффициента емкостной связи резонансных LC-контуров всегда отрицательно. В соответствии с (6) формула (5) для коэффициента емкостной связи резонансных контуров принимает иной вид
(7)
Связь между электромагнитными резонаторами может осуществляться как магнитным, так и электрическим полем. Связь по магнитному полю характеризуется коэффициентом индуктивной связи , а связь по электрическому полю — коэффициентом емкостной связи. Обычно абсолютные значения и монотонно затухают при увеличении расстояния между резонаторами. Скорости их затухания могут быть разными. Однако абсолютная величина их суммы может как затухать во всем диапазоне расстояний, так и расти в некотором диапазоне расстояний. [5]
Суммирование коэффициентов индуктивной и емкостной связи производится по формуле [3]
(8)
Эта формула выведена из определения (6) и формул (4) и (7).
Обратите внимание, что знак самого коэффициента связи не имеет значения. Частотная характеристика фильтра не изменится, если знаки всех коэффициентов связи будут одновременно чередоваться. Однако знак важен при сопоставлении двух коэффициентов связи и особенно при суммировании коэффициентов индуктивной и емкостной связи.
Два связанных резонатора могут взаимодействовать не только на резонансных частотах. Это подтверждается способностью передавать энергию вынужденных колебаний от одного резонатора к другому. Поэтому точнее было бы характеризовать взаимодействие резонаторов непрерывной функцией частоты вынужденных колебаний, а не набором констант , где - порядковый номер резонанса.
Очевидно, что функция должна удовлетворять условию
(9)
Кроме того, функция должна обращаться в нуль на тех частотах , где отсутствует передача высокочастотной мощности от одного резонатора к другому, т.е. должна удовлетворять второму условию
(10)
Ноль передачи возникает, в частности, в резонансных контурах со смешанной индуктивно-емкостной связью, когда его частота выражается формулой [6]
. (11)
Определение функции , обобщающей формулу (6) и удовлетворяющей условиям (9) и (10), на основе энергетического подхода было дано в [6] . Эта функция выражается формулой (8) через частотно-зависимые коэффициенты индуктивной и емкостной связи и определяется формулами
(12)
(13)
Здесь обозначает энергию высокочастотного электромагнитного поля, запасенную обоими резонаторами. Черта сверху обозначает статическую составляющую высокочастотной энергии, а точка обозначает амплитуду осциллирующей составляющей высокочастотной энергии. Нижний индекс обозначает магнитную часть высокочастотной энергии, а нижний индекс обозначает электрическую часть высокочастотной энергии. Нижние индексы 11, 12 и 22 обозначают части запасенной энергии, которые пропорциональны и , где - комплексная амплитуда высокочастотного напряжения на первом порту резонатора, а - комплексная амплитуда напряжения на втором порту резонатора.
Явные функции частотно-зависимых индуктивных и емкостных связей для пары связанных резонансных контуров, полученные из (12) и (13), имеют вид [6] (14)
(15)
где - резонансные частоты первого и второго контура, возмущенные связями. Видно, что значения этих функций при совпадают с константами и определяются формулами (14) и (15). Кроме того, функция, вычисляемая по формулам (8), (14) и (15), обращается в нуль при определяемом формулой (11).
Теория узкополосных полосовых фильтров СВЧ, имеющих частотную характеристику Чебышева, изложена в монографии [2] . В этих фильтрах резонансные частоты всех резонаторов настроены на центральную частоту полосы пропускания. Каждый резонатор связан максимум с двумя соседними резонаторами. Каждый из двух краевых резонаторов связан с одним соседним резонатором и одним из двух портов фильтра. Такая топология связей резонаторов называется inline. В фильтрах с топологией inline существует только один путь передачи микроволновой мощности от входного порта к выходному порту.
Вывод приближенных формул для значений коэффициентов связи соседних резонаторов в фильтрах с топологией inline-связи, удовлетворяющих заданной частотной характеристике фильтра, приведен в [2] . Здесь и — порядковые номера связанных резонаторов в фильтре. Формулы выведены с использованием прототипов фильтров нижних частот , а также формул (2) и (3). Частотная характеристика прототипов фильтров нижних частот характеризуется функцией Чебышева первого рода. Впервые формулы были опубликованы в [7] . Они имеют вид
(16)
где — нормированные значения элементов прототипа, — порядок функции Чебышева, равный числу резонаторов, — граничные частоты.
Значения элементов прототипа для заданной полосы пропускания фильтра вычисляются по формулам
(17)
если четное,
если нечетное.
Здесь были использованы следующие обозначения
(18)
где — требуемая неравномерность полосы пропускания в дБ.
Формулы (16) являются приближенными не только потому, что использовались приближенные определения (2) и (3) для коэффициентов связи. Точные выражения для коэффициентов связи в прототипном фильтре были получены в [8] . Однако обе прежние и уточненные формулы остаются приближенными при проектировании практических фильтров. Точность зависит как от структуры фильтра, так и от структуры резонатора. Точность улучшается, когда дробная полоса пропускания сужается.
Неточность формул (16) и их уточненных вариантов обусловлена частотной дисперсией коэффициентов связи, которая может существенно различаться для различных конструкций резонаторов и фильтров. [9] Другими словами, оптимальные значения коэффициентов связи на частоте зависят как от характеристик требуемой полосы пропускания, так и от значений производных Это означает, что точные значения коэффициентов, обеспечивающие требуемую полосу пропускания, заранее знать невозможно. Их можно установить только после оптимизации фильтра. Поэтому формулы (16) можно использовать для определения начальных значений коэффициентов связи перед оптимизацией фильтра.
Приближенные формулы (16) позволяют также установить ряд универсальных закономерностей, касающихся фильтров с топологией inline-связи. Например, расширение полосы пропускания текущего фильтра требует приблизительно пропорционального увеличения всех коэффициентов связи. Коэффициенты симметричны относительно центрального резонатора или центральной пары резонаторов даже в фильтрах с неравными волновыми сопротивлениями линий передачи во входном и выходном портах. Значение коэффициента монотонно уменьшается при движении от внешних пар резонаторов к центральной паре.
Реальные микроволновые фильтры с топологией линейной связи в отличие от их прототипов могут иметь нули передачи в полосах заграждения. [10] Нули передачи значительно улучшают селективность фильтра. Одной из причин возникновения нулей является частотная дисперсия коэффициентов связи для одной или нескольких пар резонаторов, выражающаяся в их исчезновении на частотах нулей передачи. [11]
Для того чтобы генерировать нули передачи в полосах задерживания с целью улучшения селективности фильтра, в фильтрах часто делают ряд дополнительных связей, помимо ближайших связей. Они называются перекрестными связями. Эти связи приводят к основанию нескольких волновых путей от входного порта до выходного порта. Амплитуды волн, переданных по разным путям, могут компенсировать себя на некоторых отдельных частотах, суммируясь на выходном порту. Такая компенсация приводит к нулям передачи.
В фильтрах с перекрестными связями удобно характеризовать все связи фильтра в целом с помощью матрицы связей размерности ,. [4] [12] Она симметрична. Каждый ее недиагональный элемент является коэффициентом связи i -го и j -го резонаторов . Каждый диагональный элемент является нормированной реактивной проводимостью i- го резонатора. Все диагональные элементы в настроенном фильтре равны нулю, поскольку реактивная проводимость обращается в нуль на резонансной частоте.
Важным достоинством матрицы является тот факт, что она позволяет напрямую вычислять частотную характеристику эквивалентной сети, имеющей индуктивно связанные резонансные контуры. [4] [12] Поэтому ее удобно использовать при проектировании перекрестно-связанных фильтров. Матрицы связи , в частности, используются в качестве грубых моделей фильтров. [13] Использование грубой модели позволяет многократно ускорить оптимизацию фильтра, поскольку расчет частотной характеристики для грубой модели не потребляет процессорного времени по сравнению с расчетом для реального фильтра.
Поскольку коэффициент связи является функцией как взаимной индуктивности, так и емкости, его также можно выразить через векторные поля и . Хонг предположил, что коэффициент связи является суммой нормализованных интегралов перекрытия [14] [15]
(19)
где
(20)
и
(21)
Напротив, на основе формализма связанных мод Авай и Чжан вывели выражения, для которых есть преимущество в использовании отрицательного знака, т.е. [16] [17]
(22)
Формулы (19) и (22) являются приближенными. Они соответствуют точной формуле (8) только в случае слабой связи. Формулы (20) и (21) в отличие от формул (12) и (13) также являются приближенными, поскольку не описывают частотную дисперсию, которая часто может проявляться в виде нулей пропускания в частотной характеристике многорезонаторного полосового фильтра.
Используя уравнение движения Лагранжа, было показано, что взаимодействие между двумя разделенными кольцевыми резонаторами, которые образуют метадимер, зависит от разницы между двумя членами. В этом случае связанная энергия была выражена через поверхностный заряд и плотность тока. [18] [19] [20]
Недавно на основе теории энергетически связанных мод (ECMT) [21] формализма связанных мод в форме задачи на собственные значения было показано, что коэффициент связи действительно представляет собой разницу между магнитной и электрической составляющими и . [22] Используя теорему Пойнтинга в ее микроскопической форме, было показано, что может быть выражено через энергию взаимодействия между модами резонаторов.
{{cite journal}}
: CS1 maint: DOI inactive as of December 2024 (link)