МИНИАТЮРНЫЙ ПОЛОСКОВЫЙ ФИЛЬТР

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и предназначено для применения в приемопередающих системах связи, радиолокации и радионавигации, различной измерительной и специальной радиоаппаратуре.

Известна конструкция полосно-пропускающего фильтра [а.с. №886106, МПК Н01Р 1/205, опубл. 30.11.81, бюл. №44,], который содержит диэлектрическую подложку, металлизированную с одной стороны, на другой стороне которой размещены полосковые проводники, закороченные с одного конца на экран. Благодаря тому что в такой конструкции полосковые проводники, образующие резонаторы фильтра, закорочены на экран смежными концами коэффициенты индуктивного и емкостного взаимодействия резонаторов вычитаются друг из друга, причем они близки по величине. Поэтому полный коэффициент связи, которому пропорциональна ширина полосы пропускания, может быть мал даже при небольших расстояниях между резонаторами. Реализация узкополосных фильтров на основе такой конструкции не требует существенного увеличения расстояний между резонаторами, а следовательно, увеличения площади подложки. Существенным недостатком такой конструкции является то, что ее применение на частотах метрового диапазона длин волн затруднено вследствие того, что топология проводников фильтра не помещается на подложки стандартных размеров. Кроме того, на таких частотах собственная добротность микрополосковых резонаторов, как правило, не превышает 100, что не позволяет создавать на их основе узкополосные фильтры с приемлемой величиной затухания СВЧ мощности в полосе пропускания.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является полосно-пропускающий фильтр [патент РФ №2237320, МПК 7 Н01Р 1/203, опубл. 27.09.2004, бюл. №27 (прототип)]. Фильтр содержит подвешенную диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесены короткозамкнутые на экран с одного края подложки полосковые проводники, а на вторую сторону подложки вместо заземляемого основания также нанесены короткозамкнутые на экран с другого края подложки полосковые проводники. Фильтр такой конструкции имеет значительно меньшую длину полосковых проводников по сравнению с первым аналогом, а значит, и меньшие размеры подложки. Это позволяет конструировать полосковые фильтры на более низкие частоты. Кроме того, собственная добротность таких полосковых резонаторов существенно больше, чем микрополосковых. Несмотря на то что в описанной конструкции коэффициенты индуктивного и емкостного взаимодействия также вычитаются друг из друга, коэффициент полной связи резонаторов определяется практически только их индуктивным взаимодействием, так как коэффициент емкостной связи резонаторов пренебрежимо мал [Беляев Б.А., Сержантов A.M., Лексиков А.А. // Радиотехника и электроника. - 2010. - Т. 55. - №12. - Стр. 1426]. Поэтому при реализации устройства с узкой полосой пропускания приходится значительно увеличивать расстояния между резонаторами, а тем самым и размеры фильтра, особенно в многозвенных конструкциях. Кроме того, в узкополосном фильтре такой конструкции полюса затухания либо отсутствуют, либо находятся относительно далеко от полосы пропускания, поэтому крутизна склонов полосы пропускания, определяющая селективность устройства, сравнительно невелика.

Техническим результатом изобретения является уменьшение размеров и улучшение частотно-селективных свойств фильтра.

Указанный технический результат достигается тем, в полосковом фильтре, содержащем подвешенную между экранами диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесены короткозамкнутые на экран с одного края подложки полосковые проводники резонаторов, а на вторую сторону подложки также нанесены короткозамкнутые на экран с другого края подложки полосковые проводники, новым является то, что между проводниками резонаторов с обеих сторон подложки напротив друг друга размещены дополнительные полосковые проводники, гальванически связанные со свободными концами проводников резонаторов.

Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что между проводниками резонаторов с обеих сторон подложки напротив друг друга размещены дополнительные полосковые проводники, соединенные со свободными концами проводников резонаторов. Это отличие позволяет 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: Фиг. 1 - конструкция конкретной реализации заявляемого полоскового фильтра второго порядка на подвешенной диэлектрической подложке; Фиг. 2 - расчетные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) заявляемого фильтра (сплошная линия) и фильтра-прототипа (штриховая линия); Фиг. 3 - топология проводников варианта реализации заявляемого полоскового фильтра четвертого порядка, имеющего улучшенные селективные свойства; Фиг. 4 - измеренная АЧХ полосно-пропускающего фильтра четвертого порядка заявляемой конструкции.

Заявляемое устройство (Фиг. 1) содержит диэлектрическую подложку 1, подвешенную между двумя экранами металлического корпуса 2, на обе поверхности которой нанесены полосковые металлические проводники 3, короткозамкнутые на экран и электромагнитно связанные между собой. Пара полосковых проводников, располагающихся на разных поверхностях подложки, образует полосковый резонатор, при этом проводники резонатора могут быть, например, прямоугольными, идентичными по форме и располагаться друг над другом, причем проводники, образующие резонатор, соединяются с экраном на противоположных краях подложки. Между проводниками резонаторов с обеих сторон подложки выполнены дополнительные проводники 4, соединенные с соответствующими свободными концами проводников резонаторов. Дополнительные проводники также могут быть прямоугольными идентичными по форме и располагаться друг над другом.

Как известно, относительная ширина полосы пропускания фильтра пропорциональна полному коэффициенту связи их резонаторов, который в данном случае равен разности коэффициентов индуктивного и емкостного взаимодействия двухпроводниковых резонаторов на подвешенной подложке [Беляев Б.А., Сержантов A.M., Лексиков А.А. // Радиотехника и электроника. - 2010. - Т. 55. - №12. - Стр. 1426]. В предлагаемой конструкции полоскового фильтра величина коэффициента связи резонаторов на резонансных частотах оказывается существенно меньшей по сравнению с прототипом при прочих равных условиях. Этот факт доказывается сравнением АЧХ (Фиг. 2) фильтра заявляемой конструкции (сплошная линия) и АЧХ фильтра-прототипа (штриховая линия), которые были получены в программе электродинамического анализа 3D моделей. Оба фильтра имели одинаковые конструктивные параметры за исключением наличия у заявляемого фильтра дополнительных полосковых проводников: диэлектрическая проницаемость подложки ε=9.8, ее толщина 0.5 мм, площадь полосковой структуры 13.25×6.4 мм², расстояние от поверхности подложки до экрана 3.5 мм, расстояние между резонаторами S=2.4 мм, ширина полосковых проводников 2 мм. Фильтры настроены на центральную частоту полосы пропускания ƒ₀=1 ГГц. Видно, что относительная ширина полосы пропускания Δƒ/ƒ₀, измеренная по уровню -3 дБ, у рассматриваемых фильтров существенно различается. Так, для фильтра-прототипа она составляет 22%, а для фильтра заявляемой конструкции - всего 3%. Для получения такой же узкой полосы пропускания в фильтре-прототипе необходимо увеличить расстояние S между резонаторами до 5 мм. В этом случае площадь полосковой структуры фильтра-прототипа составит уже 13.25×9.4 мм², что на 30% больше, чем у заявляемого фильтра. В случае когда относительная ширина полосы пропускания фильтров будет меньше, указанное преимущество проявится еще значительней.

Таким образом, из представленных на Фиг. 2 АЧХ видно, что в фильтре заявляемой конструкции взаимодействие между резонаторами почти на порядок меньше по сравнению с фильтром-прототипом при одних и тех же расстояниях между проводниками резонаторов. Малая величина коэффициента связи резонаторов заявляемого фильтра объясняется тем, что взаимодействие резонаторов значительно ослабляется за счет вычитания из индуктивного взаимодействия резонаторов близкого по величине емкостного взаимодействия, величина которого определяется емкостью, образованной дополнительными проводниками 4, расположенными напротив друга на разных сторонах подложки.

Еще одним достоинством заявляемой конструкции помимо уменьшения размеров является то, что в таких фильтрах вблизи полосы пропускания формируются нули коэффициента передачи (полюса затухания), которые существенно улучшают частотно-селективные свойства устройств.

Заявляемый фильтр работает следующим образом. Входная и выходная линии передачи подключаются к проводникам крайних резонаторов конструкции. Расстояние от заземленных концов полосковых проводников резонаторов до точек подключения внешних линий передачи определяется заданным уровнем отражений СВЧ-мощности 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.

Как известно, одним из наиболее эффективных способов улучшения селективных свойств фильтров является увеличение числа резонаторов в них. На Фиг. 3 представлена топология четырехрезонаторного фильтра заявляемой конструкции, а на Фиг. 4 - его измеренные АЧХ. Конструктивные параметры фильтра были следующие: диэлектрическая проницаемость подложки ε=9.8, ее толщина 0.5 мм, площадь полосковой структуры 16.4×12.5 мм², расстояние от поверхности подложки до экранов 3.5 мм, расстояние между резонаторами S=2.8 мм, ширина полосковых проводников резонаторов 2.4 мм. Фильтр имеет центральную частоту полосы пропускания ƒ₀≈1 ГГц. Относительная ширина полосы пропускания Δƒ/ƒ₀, измеренная по уровню - 3 дБ, составляет 5%. Для сравнения, фильтр-прототип при прочих равных условиях должен иметь площадь полосковой структуры, на 30% большую. Причем с уменьшением относительной ширины полосы пропускания выигрыш в уменьшении габаритов будет возрастать. Кроме того, из представленных АЧХ видно, что фильтр заявляемой конструкции имеет существенно более высокие селективные свойства по сравнению с фильтром-прототипом за счет формирования нулей коэффициента передачи вблизи полосы пропускания.

Таким образом, введение между резонаторами фильтра дополнительных полосковых проводников, соединенных с разомкнутыми концами проводников резонаторов на противоположных сторонах подложки, приводит к существенному увеличению емкостного взаимодействия резонаторов, что позволяет не только значительно уменьшить размеры узкополосных фильтров на подвешенной подложке, но и сформировать на АЧХ нули коэффициента передачи вблизи полосы пропускания. Эти полюса затухания обеспечивают более высокую крутизну склонов АЧХ по сравнению с традиционными конструкциями полосковых и микрополосковых фильтров.