Микрополосковый широкополосный фильтр

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано в селективных трактах приемных и передающих систем.

Известен полосно-пропускающий фильтр (Патент РФ №2480867, Н01Р 1/203), содержащий диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое металлизированное основание, а на вторую сторону нанесен полосковый проводник, частично расщепленный продольной щелью с одного конца. Относительная длина нерасщепленного участка двухмодового резонатора составляет от 16% до 65% его длины. Полосно-пропускающий фильтр, состоящий из одного двухмодового шпилькового микрополоскового резонатора, работает следующим образом. Он имеет две низкочастотные моды колебаний, одна из которых четная, а другая - нечетная. Для четной моды колебаний токи на расщепленном участке проводника по обе стороны щели текут в одном направлении и продолжают течь на нерасщепленном участке. Для нечетной моды токи на расщепленном участке текут в противоположных направлениях и отсутствуют на нерасщепленном участке.

Недостатком описанного полосно-пропускающего фильтра является использование малого числа (двух) мод колебаний резонатора, являющегося частично расщепленным полосковым проводником на диэлектрической подложке, что ограничивает возможности на улучшение его частотно-селективных свойств, а также их ухудшение при реализации широкой относительной полосы пропускания.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является микрополосковый широкополосный полосно-пропускающий фильтр (Патент РФ №2504870, Н01Р 1/203), содержащий диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземленное основание, а на вторую сторону параллельно друг другу нанесены прямолинейные полосковые проводники резонаторов, и дополнительные полосковые проводники, боковые стороны которых соединены с соседствующими резонаторами, причем проводники наружных резонаторов одним концом короткозамкнуты, а дополнительные полосковые проводники разомкнуты. Фильтр работает следующим образом. Входная и выходная линии передачи подключаются к проводникам, причем 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.

К недостаткам прототипа относятся не слишком широкая рабочая полоса пропускания и невысокие частотно-селективные свойства фильтра, обусловленные слабой крутизной низкочастотного склона полосы пропускания и сравнительно узкой высокочастотной полосой заграждения.

Задачей изобретения является расширение рабочей полосы пропускания и улучшение частотно-селективных свойств микрополоскового широкополосного полосно-пропускающего фильтра.

Указанная задача решается благодаря тому, что в микрополосковом широкополосном фильтре, содержащем диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую - нанесены полосковые проводники, электромагнитно связанные между собой, согласно изобретению узкие и широкие прямоугольные полосковые проводники соединены друг с другом в форме нерегулярного меандра, его крайние узкие проводники со стороны свободных концов заземлены на основание, входной и выходной порты фильтра подключаются кондуктивно к крайним широким проводникам меандра через отрезки микрополосковых линий со скачком волнового сопротивления.

Техническим результатом изобретения является расширение полосы рабочих частот и улучшение частотно-селективных свойств фильтра за счет заявляемого расположения полосковых проводников на диэлектрической подложке.

Изобретение поясняется чертежами: Фиг. 1 - устройство заявляемого микрополоскового широкополосного фильтра; Фиг. 2 - измеренные амплитудно-частотные характеристики (S₂₁, S₁₁) изготовленного фильтра.

Заявляемый микрополосковый широкополосный фильтр (Фиг. 1) содержит диэлектрическую подложку 7, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую - нанесены обладающие осевой симметрией полосковые проводники 2-12, соединенные друг с другом, а также связанные между собой электромагнитно. Полосковые проводники представляют собой отрезки микрополосковых линий. Прямоугольные узкие 2, 4, 6, 8 и широкие 3, 5, 7 полосковые проводники имеют форму «нерегулярного меандра», его крайние узкие проводники 2 со стороны свободных концов заземлены на основание. Входной и выходной порты фильтра подключены кондуктивно к крайним широким проводникам 3 меандра через четыре последовательно соединенных прямоугольных проводника 9-12, причем проводники 9, 11, 12 - узкие, а проводники 10 - широкие, благодаря этому возникает скачок волнового сопротивления отрезков микрополосковых линий.

Принцип действия микрополоскового широкополосного фильтра заключается в следующем. Нерегулярный меандр представляет собой соединенные чередующиеся узкие и широкие полосковые проводники различной длины и ширины, расположенные на диэлектрической подложке, что позволяет реализовать большой скачок волновых сопротивлений отрезков линий передачи. Так как крайние узкие проводники 2 меандра заземлены на основание, он является четвертьволновым резонатором, который, благодаря сворачиванию проводника и его топологии, имеет пять нижайших мод колебаний, резонансные частоты которых участвуют в формировании рабочей полосы пропускания. При этом значительное расширение полосы пропускания достигается благодаря «расталкиванию» резонансов этих мод колебаний за счет сильного взаимодействия. Если необходимо, количество таких резонансов несложно как увеличить, так и уменьшить, наращивая или понижая число периодов меандра соответственно. Например, при использовании меандра, состоящего из полосковых проводников 2-5, от него на частоты полосы пропускания попадают частоты только трех резонансов.

Дополнительно полосу пропускания устройства формируют два резонанса от прямоугольных проводников 9-12, которые также облегчают согласование широкополосного фильтра, кондуктивно подключаемого к 50 Ω входному и выходному портам. При реализации фильтра на подложках с низкой диэлектрической проницаемостью крайний широкий проводник 3 меандра кондуктивно подключается к портам.

В результате конструктивных особенностей используемых полосковых проводников существенно расширяется рабочая полоса пропускания фильтра, которая формируется семью резонансами (Фиг. 2), также на амплитудно-частотной характеристике наблюдается рост крутизны низкочастотного склона полосы пропускания и расширение высокочастотной полосы заграждения.

Значительному усилению подавления мощности на частотах высокочастотной полосы заграждения способствуют расположенные рядом по частотам на амплитудно-частотной характеристике (Фиг. 2) несколько полюсов затухания СВЧ-мощности, пара из которых возникает благодаря сильной связи между отрезками линий 10 и 7. Происхождение полюсов затухания мощности связано с тем, что на этих частотах емкостная и индуктивная связи отрезков линий взаимно компенсируют друг друга. Расширение высокочастотной полосы заграждения обусловлено большим скачком волновых сопротивлений отрезков линий передачи.

Пример выполнения

Фильтр был изготовлен на подложке из традиционного материала СВЧ-техники (керамика «ТБНС») толщиной 1 мм с диэлектрической проницаемостью ε=80. Длина и ширина полосковых проводников фильтра в мм: (2) - 5.8×0.6; (3) - 15.7×2.6; (4) - 1.9×0.1; (5) - 8.8×3.8; (6) - 14.1×0.1; (7) - 2.5×2.0; (8) - 2.5×0.1; (9) - 6.8×0.1; (10)- 4.3×1.6; (11) - 9.5×0.2; (12) - 5.6×0.1. Зазор между 3 и 11 проводниками 1.2 мм. Площадь подложки, с учетом отступа 1 мм от трех ее краев до проводников, составила 31.3×23.9 мм².

Амплитудно-частотные характеристики прямых и обратных потерь (потерь на прохождение S₂₁ и на отражение S₁₁) заявляемого микрополоскового широкополосного фильтра, снятые в широкой полосе частот, показаны на Фиг. 2. Фильтр имеет относительную ширину полосы пропускания Δƒ/ƒ₀≈95%, измеренную по уровню -3 дБ от уровня минимальных потерь, которые составляли величину L_min≈0.8 дБ на центральной частоте полосы пропускания ƒ₀≈0.45 ГГц. Преимуществами такого широкополосного фильтра являются наблюдаемые на амплитудно-частотной характеристике четыре полюса затухания мощности, один из которых расположен рядом с высокочастотным склоном рабочей полосы пропускания и способствует росту крутизны этого склона. Кроме того, все полюса затухания значительно усиливают подавление СВЧ-мощности на частотах высокочастотной полосы заграждения фильтра, и тем самым улучшают его частотно-селективные свойства.

Таким образом, заявляемое устройство с улучшенными частотно-селективными свойствами имеет более широкую рабочую полосу пропускания с крутым низкочастотным склоном, а также расширенную высокочастотную полосу заграждения.