Результат интеллектуальной деятельности: ПОЛОСКОВЫЙ ФИЛЬТР ГАРМОНИК

Изобретение относится к технике высоких и сверхвысоких частот и может использоваться в селективных трактах радиоаппаратуры различного назначения.

Известен микрополосковый полосно-пропускающий фильтр с широкой полосой заграждения [Патент РФ №2222076, МПК⁷ Н01Р/203, опубл. 20.01.2004], содержащий диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую сторону - короткозамкнутые полосковые проводники, являющиеся четвертьволновыми микрополосковыми резонаторами, которые разделены между собой экранирующими металлическими пластинами, а кондуктивно-индуктивная связь между резонаторами выполнена в виде сосредоточенных индуктивностей, каждая из которых припаяна своими концами к двум связуемым резонаторам.

Фильтры на основе такой конструкции подавляют высшие гармоники сигналов вплоть до 7-й, однако они нетехнологичны и сложны в настройке.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является полосно-пропускающий фильтр [Патент РФ №2237320, МПК⁷ Н01Р/203, опубл. 27.09.2004, Бюл. №27], содержащий диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесены полосковые проводники, закороченные с одного конца, и на вторую сторону также нанесены полосковые проводники, закороченные с одного конца, причем проводники, образующие каждый из резонаторов фильтра, расположены на разных поверхностях подложки и закорочены противоположными концами.

Фильтры такой конструкции более технологичны и просты в настройке по сравнению с первым аналогом, но способны подавлять высшие гармоники сигнала только до 5-й.

Техническим результатом изобретения является расширение высокочастотной полосы заграждения при сохранении высокой технологичности конструкции.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в полосно-пропускающем фильтре, содержащем диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесены полосковые проводники, закороченные с одного конца, и на вторую сторону также нанесены полосковые проводники, закороченные с одного конца, причем проводники, образующие каждый из резонаторов фильтра, расположены на разных поверхностях подложки и закорочены противоположными концами, новым является то, что ширина полосковых проводников, образующих резонаторы, хотя бы у одного из них отличается не менее чем в 1.1 раза от ширины полосковых проводников других резонаторов. Это может быть любой из резонаторов - крайний или в середине, либо часть из них, однако очевидно, что предпочтение следует отдать такой конфигурации, когда структура остается зеркально-симметричной относительно центральной плоскости, параллельной полосковым проводникам резонаторов. В противном случае возникнут трудности с настройкой фильтра.

Отличие заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключается в том, что ширина полосковых проводников хотя бы одного из резонаторов отличается не менее чем в 1.1 раза от ширины полосковых проводников других резонаторов. 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 смежной областей техники и, следовательно, обеспечивает заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображена конструкция заявляемого фильтра на примере четырехрезонаторного устройства (Фиг. 1), частотные зависимости коэффициента передачи в области второй (паразитной) полосы пропускания, построенные по результатам моделирования (Фиг. 2), и амплитудно-частотная характеристика конкретной реализации заявляемой конструкции фильтра (Фиг. 3).

Заявляемый фильтр состоит из диэлектрической подложки 1 (Фиг. 1), на обе поверхности которой нанесены полосковые проводники резонаторов 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Причем проводники, образующие каждый из резонаторов, т.е. пары 2-6, 3-7, 4-8, 5-9, короткозамкнуты на противоположных краях подложки. При этом полосковые проводники, образующие (в данном случае) два средних резонатора, имеют большую ширину, чем полосковые проводники крайних резонаторов. Монтаж подложки фильтра в металлический корпус аналогичен ее монтажу в фильтре-прототипе.

Как известно [Лексиков А.А., Сухин Ф.Г. «Полосковый резонатор на подвешенной подложке» // Материалы VIII международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Т. 4. Новосибирск. 2006. С. 143-145.], отношение частоты второй моды собственных колебаний полоскового резонатора на подвешенной подложке к частоте первой моды растет с увеличением ширины полосковых проводников, образующих резонатор. Поэтому, если в фильтре на подвешенной подложке разные резонаторы выполнены полосковыми проводниками разной ширины, то при настройке резонансов первых мод на одну частоту при формировании полосы пропускания, частоты вторых мод в таких резонаторах будут сильно различаться, при этом также упадет взаимодействие резонаторов на этих частотах. Это приведет к тому, что они не сформируют единой полосы пропускания, и уровень прохождения на этих частотах понизится до -30 дБ и менее, и полоса заграждения расширится до частот, соответствующих третьей моде собственных колебаний резонаторов. Исследования показали, что таким способом можно расширить высокочастотную полосу заграждения фильтров такой конструкции как минимум до 11×f₀ при уровне подавления гармоник не менее чем на 50 дБ.

На Фиг. 2 приведены частотные зависимости коэффициента передачи трехрезонаторных фильтров в области частот, соответствующей второй моде колебаний, построенные по результатам моделирования для нескольких значений ширины полосковых проводников, образующих средний резонатор. Моделирование выполнялось на одномерных моделях с использованием квазистатического приближения. Центральная частота ширины полосы пропускания всех фильтров f₀=1 ГГц, а ее ширина по уровню -3 дБ Δf=100 МГц. Штрихованная линия соответствует фильтру, у которого все резонаторы имели одинаковую ширину образующих их полосковых проводников - 4 мм; сплошная тонкая линия соответствует фильтру, у которого средний резонатор выполнен полосковыми проводниками шириной 4.4 мм, а сплошная жирная линия - фильтру с шириной полосковых проводников среднего резонатора 5.8 мм. Видно, что у фильтра с одинаковой шириной полосковых проводников всех резонаторов вторые моды образуют паразитную полосу пропускания (штрихованная линия), в которой прохождение СВЧ-мощности достигает уровня почти -15 дБ и которая ограничивает ширину полосы заграждения до частоты, ненамного превышающей 5×f₀. При увеличении ширины полосковых проводников среднего резонатора до 4.4 мм (в 1.1 раза) уровень прохождения на частотах вторых мод падает - максимум коэффициента передачи в этой полосе ненамного превышает -30 дБ (сплошная тонкая линия). Дальнейшее увеличение ширины полосковых проводников этого резонатора еще более увеличивает этот эффект - жирная линия.

Тот же эффект можно получить, если проводники среднего резонатора не уширить, а сузить. То же самое достигается, если изменить ширину не среднего резонатора, а крайнего. Однако это не очень удобно, т.к. в этом случае усложняется настройка фильтра.

В четырехрезонаторном фильтре наилучшего результата можно добиться, если увеличить ширину полосковых проводников, образующих пару средних резонаторов.

Исследования показали, что чем больше число резонаторов в фильтре, тем большего подавления паразитной полосы пропускания можно достичь при использовании такого способа.

Используемая в моделировании подложка имела диэлектрическую проницаемость ε=5.8 и толщину 0.25 мм.

Фильтр работает следующим образом.

Входная и выходная линии передачи подключаются к проводникам внешних резонаторов, например, кондуктивно в точках, определяемых заданным уровнем отражений в полосе пропускания. Сигналы на частотах, попадающих в полосу пропускания, с минимальными потерями проходят с входа фильтра на выход, а на частотах вне полосы пропускания - отражаются от входа фильтра.

На Фиг. 3 приведена АЧХ четырехзвенного фильтра, изготовленного на подвешенной подложке толщиной 0.25 мм из материала с ε=5.8 и tgδ=0.0015. Подложка фильтра смонтирована в латунном корпусе с внутренними размерами 33.4×8.4×6.25 мм³, ширина полосковых проводников крайних резонаторов 4 мм, средних 5.8 мм, при их длине 7.8 мм и 7.16 мм соответственно. Расстояние между средними резонаторами 3 мм, а между средними и крайними - 2.8 мм. Расстояния между подложкой фильтра и крышками корпуса 3 мм. Подключение внешних линий кондуктивное к полосковым проводникам крайних резонаторам в точках, отстоящих на расстоянии 3.7 мм от заземленных концов. Этот фильтр, настроенный на центральную частоту f₀=1.42 ГГц с шириной полосы пропускания по уровню -3 дБ Δf=143 МГц, имел минимальный уровень потерь в полосе пропускания 1.2 дБ. Наблюдаемые в диапазоне частот 8…10 ГГц два экстремума прохождения СВЧ-мощности сформированы вторыми модами собственных колебаний резонаторов, а их уровень не превышает -75 дБ. Это привело к более чем двукратному расширению полосы заграждения по сравнению с фильтром-прототипом.