МНОГОСЛОЙНЫЙ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР

Изобретение относится к микроволновой и оптической технике и может быть использовано в устройствах связи, преобразователях частоты и спектрометрах в диапазоне от миллиметровых до субмикронных длин волн.

Известен оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр [Патент РФ №2316029, МПК G02B 5/28, опубл. 27.01.2008 г.]. Фильтр содержит чередующиеся диэлектрические слои из материалов с высоким и низким показателями преломления. В нем все диэлектрические слои с высоким показателем преломления выполнены из одного материала, а все слои с низким показателем преломления выполнены из второго материала. Три диэлектрических слоя фильтра имеют оптическую толщину λ/2, где λ - средняя длина волны в полосе пропускания. Они являются резонаторами фильтра. Остальные диэлектрические слои имеют оптическую толщину λ/4. Они образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие резонаторы друг от друга и от внешнего пространства. Количество слоев в наружных и внутренних зеркалах определяется предложенными математическими формулами, зависящими только от двух величин - от отношения показателей преломления двух используемых материалов и от относительной ширины полосы пропускания фильтра.

Недостатком известного многослойного полосно-пропускающего фильтра является необходимость использования в нем многослойных диэлектрических зеркал с большим числом слоев, когда требуется сформировать узкую полосу пропускания. Большое число слоев в зеркалах приводит к расширению паразитных полос пропускания фильтра, а значит, к сужению полос заграждения, расположенных по обе стороны полосы пропускания, то есть ухудшает селективные свойства фильтра. Расширение паразитных полос пропускания фильтра при увеличении числа слоев в многослойном зеркале является проявлением нежелательных резонансных свойств многослойных зеркал на частотах паразитных полос пропускания.

Наиболее близким аналогом является многослойный полосно-пропускающий фильтр [Прототип: P. Baumeister. Application of microwave technology to design an optical multilayer bandpass filter // Applied Optics. 2003. Vol. 42, №13, p. 2407-2414, Fig. 7], содержащий чередующиеся диэлектрические слои из материалов с высоким (n_H) и низким (n_L) показателями преломления, нанесенные на одну сторону стеклянной подложки. В нем все слои с высоким показателем преломления n_H выполнены из одного материала, а все слои с низким показателем преломления n_L выполнены из второго материала. Часть слоев с низким показателем n_L преломления имеют электрическую (т.е. фазовую) толщину π на центральной частоте полосы пропускания. Они являются резонаторами фильтра. Остальные слои образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие каждый резонатор от соседнего резонатора, стеклянной подложки или внешнего пространства. Обычно все диэлектрические слои в многослойных диэлектрических зеркалах фильтров имеют электрическую толщину π/2, но в описываемом аналоге для уменьшения неравномерности в полосе пропускания центральный слой каждого зеркала заменен симметричной структурой, состоящей из трех слоев определенной толщины. Эта трехслойная структура эквивалентна на центральной частоте полосы пропускания четвертьволновому слою с некоторым эффективным показателем преломления, отличным от n_L и n_H.

В наиболее близком аналоге при узкой полосе пропускания, получающейся только при большом числе слоев в многослойных диэлектрических зеркалах фильтра, также нельзя получить широкие полосы заграждения.

Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение селективных свойств фильтра, выражающееся в расширении полос заграждения выше и ниже полосы пропускания за счет значительного сужения нижней паразитной полосы и ближайшей верхней паразитной полосы пропускания, центральная частота которой остается неизменной.

Технический результат достигается тем, что в многослойном полосно-пропускающем фильтре, содержащем параллельные слои диэлектрика резонансной толщины, каждый из которых отделен один от другого и от окружающего пространства прилегающими зеркалами, новым является то, что каждое зеркало выполнено в виде плоской решетки полосковых проводников.

Отличается заявляемый фильтр от наиболее близкого аналога тем, что в нем вместо многослойных диэлектрических зеркал, разделяющих однослойные резонаторы один от другого и от окружающего пространства, используются плоские решетки полосковых проводников с соответствующей отражательной способностью, которую можно плавно изменять, варьируя геометрические параметры решетки.

Достоинством зеркал, выполненных в виде плоских решеток полосковых проводников, является то, что они, в отличие от многослойных зеркал, не проявляют резонансных свойств вплоть до высоких частот, при которых длина волны приближается к удвоенному периоду решетки, и потому не расширяют паразитные полосы пропускания, а значит, не сужают полосы заграждения.

Это отличие позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признак, отличающий заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлен в других технических решениях при изучении данной и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивает заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение многослойного полосно-пропускающего фильтра третьего порядка. Здесь 1 - слой диэлектрика, 2 - полосковые проводники зеркал (их поперечные сечения); векторы k, Е и Н указывают направление распространения падающей волны и направления ее электрического и магнитного поля соответственно.

На фиг. 2 представлена расчетная частотная зависимость коэффициента прохождения мощности электромагнитной волны для многослойного полосно-пропускающего фильтра третьего порядка.

На фиг. 3 приведено сравнение расчетных зависимостей коэффициента прохождения от нормированной частоты f/f₀ для заявляемого фильтра и его ближайшего аналога. Здесь 3 - характеристика заявляемого фильтра, 4 - характеристика ближайшего аналога.

Пример осуществления изобретения показан на фиг. 1. Фильтр имеет три слоя диэлектрика 1, выполненных из фольгированного листового материала ФЛАН-2.8. Этот материал имеет относительную диэлектрическую проницаемость ε_r=2.8. Два наружных слоя имеют толщину h₁=3.789 мм, а внутренний слой - h₂=4.000 мм. В сплошной металлизации листового материала ФЛАН-2.8 вытравлены с помощью фотолитографии полосковые проводники 2, образующие плоскую одномерную периодическую решетку, которая выполняет функцию зеркала с требуемой отражательной способностью. Полосковые проводники 2 всех решеток параллельны и направлены вдоль направления электрического поля Е падающей электромагнитной волны. Все решетки имеют период Т-1 мм. Полосковые проводники в двух наружных решетках имеют зазор S₁=720 мкм, а в двух внутренних решетках - S₂=200 мкм.

Частотная характеристика для приведенного примера фильтра показана на фиг. 2. Рабочая полоса пропускания имеет центральную частоту f₀=22.25 ГГц и относительную ширину Δf/f₀=1.00% по уровню - 3 дБ. На частотах ниже частоты f₀ паразитные полосы пропускания отсутствуют. Ближайшая паразитная полоса пропускания имеет центральную частоту f₁=2f₀ при ее относительной ширине всего 0.78%.

Сравнение частотной характеристики 3 заявляемого фильтра с характеристикой 4 ближайшего аналога для случая, когда порядок фильтров равен трем, а относительная ширина полосы пропускания Δf/f₀=2.00%, показано на фиг. 3.

Многослойный фильтр работает следующим образом. Он представляет собой систему из трех связанных резонаторов. Резонатором является каждый слой диэлектрика в фильтре. Внешними линиями передачи фильтра является свободное пространство по обе стороны конструкции, в котором могут распространяться падающие и отраженные плоские электромагнитные волны. Цепями связи в фильтре являются решетки полосковых проводников.

Две наружные решетки полосковых проводников обеспечивают оптимальную связь двух наружных резонаторов с внешними линиями передачи. Величину такой связи обычно характеризуют внешней добротностью Q_e. Эта связь тем больше, чем меньше Q_e. Две внутренние решетки полосковых проводников обеспечивают оптимальную связь внутреннего резонатора с соседними резонаторами. Связь между резонаторами характеризуют коэффициентом связи k. Оптимальные значения Q_e и k зависят от требуемой относительной ширины полосы пропускания. Они могут быть рассчитаны по известным формулам. Из них, в частности, следует, что все связи в фильтре пропорциональны относительной ширине полосы пропускания. Оптимальные величины связей в фильтре обеспечиваются выбором величины зазора между полосковыми проводниками решетки. Чем больше величина зазора, тем сильнее связь.

Резонансные частоты всех резонаторов должны совпадать с центральной частотой f₀ требуемой полосы пропускания. В отсутствие связей резонаторов это условие выполняется, если толщина h каждого слоя диэлектрика равна λ_g/2, где λ_g - длина поперечной волны в диэлектрике на частоте f₀. Однако решетки полосковых проводников возмущают резонансные частоты резонаторов, причем тем больше, чем шире зазор S между полосковыми проводниками. Поэтому оптимальная толщина слоев получается чуть меньше половины длины волны. В приведенном примере слои имеют толщины h₁=0.471λ_g, h₂=0.497λ_g.

Таким образом, преимуществом заявляемого многослойного фильтра является большая ширина нижней и верхней полос заграждения. Он может быть изготовлен из материалов с произвольной диэлектрической проницаемостью, имеет меньшее число диэлектрических слоев.