ПОЛОСКОВЫЙ РЕЗОНАТОР

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для формирования задающих цепей генераторов, устройств частотной селекции и др.

Известен полосковый полосно-пропускающий фильтр [Патент РФ №2390889, МПК7 Н01Р 1/203, опубл. 27.05.2010. Бюл. №15], который содержит подвешенную между экранами диэлектрическую пластину, на обе поверхности которой нанесены короткозамкнутые с одного конца полосковые проводники, при этом проводники короткозамкнуты на экран на одном краю подложки. Недостатками фильтра являются относительно большие габариты и недостаточно высокое подавление в высокочастотной полосе заграждения, протяженность которой не превышает двух октав.

Также известен полосковый резонатор и полосно-пропускающий фильтр на его основе [Патент РФ №2470418, МПК7 Н01Р 1/203, опубл. 20.12.2012. Бюл. №35 (прототип)]. Резонатор в таком фильтре образован подвешенной между экранами диэлектрической подложкой, на одну поверхность которой нанесен короткозамкнутый с одного конца полосковый металлический проводник, над которым расположены идентичные ему по форме и размерам металлические полосковые проводники, разделенные тонкими диэлектрическими слоями. При этом полосковые проводники с нечетными номерами одним концом короткозамкнуты с одной стороны подложки, а с четными номерами - с противоположной стороны подложки. Фильтр на основе резонаторов такой конструкции имеет значительно меньшие размеры по сравнению с первым аналогом, однако, протяженность его полосы заграждения и уровень подавления в ней также являются недостаточными.

Техническим результатом изобретения является увеличение отношения первых двух резонансных частот заявляемого резонатора, позволяющее расширить протяженность полосы заграждения полосно-пропускающих фильтров на его основе.

Указанный технический результат достигается тем, что в полосковом резонаторе, содержащем подвешенную между экранами диэлектрическую подложку, на одну поверхность которой нанесены полосковые металлические проводники, идентичные по форме и разделенные тонкими диэлектрическими слоями, причем проводники с нечетными номерами одним концом короткозамкнуты с одной стороны подложки, а с четными номерами - с противоположной стороны подложки, новым является то, что разомкнутые концы проводников с четными номерами гальванически соединены друг с другом через диэлектрические слои посредством металлических перемычек с одного края подложки, а разомкнутые концы проводников с нечетными номерами - с противоположного края подложки.

Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что разомкнутые концы проводников с четными номерами гальванически соединены друг с другом через диэлектрические слои посредством металлических перемычек с одного края подложки, а с нечетными номерами - с противоположного края подложки. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежами:

На Фиг. 1 представлены конструкция конкретной реализации предлагаемого полоскового резонатора на подвешенной диэлектрической подложке (а) и конструкция резонатора-прототипа (б). На Фиг. 2 даны измеренные зависимости коэффициента передачи от частоты заявляемого резонатора (а) и резонатора-прототипа (б), включенных на проход со слабой связью с линиями передачи. На Фиг. 3 представлены расчетная АЧХ полосно-пропускающего фильтра четвертого порядка на основе заявляемого резонатора (а) и на основе резонатора-прототипа (б).

Заявляемый резонатор (Фиг. 1,а) содержит диэлектрическую подложку 1, подвешенную между двумя экранами в металлическом корпусе 2, на одну поверхность которой нанесены полосковые металлические проводники 3, электромагнитно связанные между собой и разделенные тонкими диэлектрическими слоями. Проводники с нечетными номерами замкнуты на экран с одного края подложки, а с четными номерами - с противоположного края подложки. При этом разомкнутые концы полосковых проводников с четными номерами гальванически соединены друг с другом посредством металлических проводников 5 через диэлектрические слои с одного края подложки, а разомкнутые концы проводников с нечетными номерами - с противоположного края подложки. Полосковые проводники могут иметь, например, форму прямоугольника. Совокупность всех металлических полосковых проводников, разделенных диэлектрическими слоями и соединенных перемычками через один, вместе с корпусом образует заявляемый резонатор.

Следует отметить, что форма проводников, из которых образованы полосковые резонаторы (в рассмотренном случае прямоугольная), может быть и другой, например параллелепипед, трапеция и т.п.

Заявляемая конструкция резонатора позволяет существенно увеличить отношение частот двух нижайших резонансов в нем по сравнению с резонатором-прототипом, при сохранении таких преимуществ последнего, как миниатюрность и высокая добротность.

Заявляемый резонатор работает следующим образом. На нижайшей резонансной частоте конструкции, когда на длине каждого полоскового проводника укладывается четверть длины волны электромагнитного колебания, все проводники в резонаторе имеют одинаковое распределение и направление высокочастотных токов, т.е. ток в резонаторе поровну делится на все проводники. Так как разомкнутые концы проводников в заявляемом резонаторе гальванически соединены друг с другом через один посредством металлических перемычек, то резонансные частоты, которым соответствуют моды колебаний резонатора со встречным направлением токов в проводниках, возбуждаться не будут. Это приводит к существенному разряжению спектра резонансных частот в заявляемом резонаторе, по сравнению со спектром в резонаторе-прототипе.

Сказанное выше подтверждается Фиг. 2, где представлены измеренные частотные зависимости коэффициента передачи четырехпроводникового резонатора заявляемой конструкции (а) и резонатора-прототипа (б), включенных со слабой связью в измерительный тракт. Конструктивные параметры обоих резонаторов при этом были одинаковыми: диэлектрические слои выполнены на основе подложки RO4003C™, имеющей диэлектрическую проницаемость ε_r=3.38 и толщину 0.2 мм; полная длина резонатора 15 мм; длина и ширина всех проводников резонатора 13.5 мм и 3 мм соответственно; высота экранов над проводниками 2.5 мм.

Из измеренных зависимостей видно, что оба резонатора имеют одинаковые нижайшие резонансные частоты, в то время как вторая резонансная частота у заявляемого резонатора отстоит от первой существенно дальше, чем у резонатора-прототипа. Отношение двух первых частот для резонатора-прототипа составило f₂/f₁≈3.6, а у заявляемого резонатора f₂/f₁≈8.

Как известно, фильтры на основе полосковых и микрополосковых резонаторов по совокупности таких характеристик, как миниатюрность, технологичность и стоимость, являются одними из лучших. В то же время одним из существенных недостатков таких фильтров является сравнительно неширокая полоса заграждения, которая в лучшем случае может составлять до двух октав. Однако для современной беспроводной связи зачастую требуется более протяженная полоса заграждения при большом уровне затухания в ней.

Заявляемая конструкция резонатора позволяет реализовать на ее основе полосно-пропускающие фильтры с увеличенной шириной полосы заграждения (более трех октав) и значительным уровнем затухания в ней (более 100 дБ) всего лишь на четырех резонаторах. На Фиг. 3 приведены расчетные АЧХ четырехрезонаторного фильтра на основе заявляемой конструкции резонатора (а) и АЧХ четырехрезонаторного фильтра на основе резонатора-прототипа (б). Оба фильтра имеют центральную частоту полосы пропускания f₀=1 ГГц и относительную ширину полосы пропускания по уровню -3 дБ Δf/f₀=10%. При этом конструктивные параметры для обоих фильтров были одинаковыми: число полосковых проводников в каждом резонаторе N=7, толщина диэлектрических слоев 0.127 мм при их диэлектрической проницаемости ε_r=2.2 (соответствует материалу RT/Duroid 5880). Каждый из резонаторов представляет собой систему из семи проводников. Высота экранов над проводниками резонаторов 4 мм, длина резонаторов 6.5 мм; ширина всех полосковых проводников резонаторов 2 мм, а их длина - около 6 мм (проводники средних резонаторов имели укорочение по сравнению с проводниками крайних резонаторов, что необходимо для оптимальной настройки коэффициента отражения в полосе пропускания). Расстояние между внутренними резонаторами в фильтрах составило 6.25 мм, между наружными резонаторами 5.5 мм.

Фильтр на основе заявляемого резонатора работает следующим образом. Входная и выходная линии передачи подключаются к наружным проводникам внешних резонаторов (Фиг. 1,а). Расстояние от заземленных концов проводников до точек подключения внешних линий передачи определяется заданным уровнем отражений в полосе пропускания фильтра. Сигналы, частоты которых попадают в полосу пропускания, проходят на выход фильтра с минимальными потерями, в то время как на частотах вне полосы пропускания происходит отражение сигналов от входа устройства.

Из приведенных зависимостей видно, что у фильтра на основе предлагаемой конструкции резонатора полоса заграждения простирается до частоты ~11f₀ при уровне затухания в ней не менее 140 дБ, что обеспечивает существенно лучшие селективные свойства по сравнению с другими известными конструкциями полосковых и микрополосковых фильтров при прочих равных условиях.

Таким образом, заявляемая конструкция полоскового резонатора позволяет реализовывать миниатюрные полосно-пропускающие фильтры со значительно более протяженной высокочастотной полосой заграждения и большим уровнем затухания в ней, по сравнению с известными аналогами.