Результат интеллектуальной деятельности: СВЧ-фильтр нижних частот

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться для подавления СВЧ-мощности на частотах выше рабочего диапазона частот.

Известен фильтр нижних частот (ФНЧ) на сосредоточенных элементах (см. Микроэлектронные устройства СВЧ. Под ред. Г.И. Веселова. - М.: Высш. шк., 1988, стр 88-91), содержащий каскадно соединенные последовательные индуктивности и параллельные конденсаторы. Избирательность АЧХ определяется количеством элементов.

Широко используются покупные ФНЧ в виде микросхем серии LFCN фирмы Mini-Circuits (см. интернет ресурс www.minicirciuts.com), содержащих 7 звеньев. Фильтры обеспечивают увеличение ослабления на 30 дБ при отстройке от граничной частоты f₀ на 0.9 f₀, что недостаточно для большинства применений.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является выбранный в качестве прототипа фильтр низких частот (ФНЧ) на элементах с распределенными параметрами - отрезках линий (см. Микроэлектронные устройства СВЧ. Под ред. Г.И. Веселова. - М.: Высш. шк., 1988, стр 91-92). Фильтр содержит отрезки линии передачи, соединяющие вход и выход, в местах их соединения между собой и с входом и выходом подключены разомкнутые шлейфы. Волновое сопротивление отрезков соединительных линий больше сопротивления входа и выхода, длина отрезков линий и шлейфов примерно равна 0.1 длины волны, что соответствует электрической длине 36 градусов. Для получения высокой избирательности фильтр должен иметь большое количество звеньев, из-за чего будет иметь большие габариты.

Цель изобретения - повышение избирательности фильтра при уменьшении габаритов.

Для достижения указанной цели в СВЧ-фильтр нижних частот, содержащий отрезки линии передачи, соединенные последовательно, в середине которых подключены разомкнутые шлейфы, при этом к началу первого отрезка подключен вход фильтра, а к концу последнего отрезка подключен выход фильтра, согласно изобретению дополнительно введены конденсаторы, соединяющие начало и конец каждого отрезка, при этом емкость конденсаторов находится в пределах от 1/ ω₀Z₀ до 1.5/ ω₀Z₀, где ω₀ - круговая граничная частота, Z₀ - сопротивление входа и выхода и волновое сопротивление отрезков линий.

При этом проводники отрезков линии передачи и проводники разомкнутых шлейфов расположены параллельно друг другу, причем проводники разомкнутых шлейфов расположены между проводниками отрезков линий, а конденсаторы подключены как перемычки между входом и выходом над разомкнутым шлейфом.

Дополнительное введение конденсаторов определенной емкости обеспечивает согласование фильтра ниже граничной частоты и одновременно полюса запирания выше граничной частоты, что позволяет увеличить избирательность фильтра при малом количестве звеньев фильтра и соответственно малых габаритах.

Расположение проводников разомкнутых шлейфов параллельно проводникам отрезков линий, причем между ними значительно уменьшает габариты фильтра.

Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого устройства из литературы неизвестны, поэтому оно соответствует критериям новизны.

На фиг. 1 приведена схема (а) предлагаемого двухшлейфного СВЧ-фильтра нижних частот и его АЧХ (б), на фиг. 2 - топология компактного микрополоскового фильтра.

СВЧ-фильтр нижних частот (см. фиг. 1а) содержит отрезки линии передачи 1, 2, соединенные последовательно. К началу первого отрезка 1 подключен вход фильтра, к концу последнего отрезка 2 подключен выход фильтра. В середине каждого отрезка 1, 2 к ним подключены разомкнутые шлейфы 3, 4 соответственно. Начало и конец каждого отрезка 1, 2 соединены дополнительно через конденсаторы 5, 6 соответственно.

Волновое сопротивление отрезков линии передачи 1, 2 равно сопротивлению входа и выхода - Z₀. Волновое сопротивление разомкнутых шлейфов 3, 4 выбирается из конструктивных соображений.

Емкость C конденсаторов 5, 6 и электрические длины отрезков линий 1, 2 и шлейфов 3, 4 выбираются из условия получения в каждом звене фильтра нулей затухания на частоте меньше ω₀ и полюсов затухания на частотах больше ω₀.

При этом емкость конденсаторов 5, 6 находится в пределах от 1/ ω₀Z₀ до 1.5/ ω₀Z₀, где ω₀ - круговая граничная частота АЧХ фильтра. При выбранных величинах емкостях конденсаторов электрическая длина отрезков линий 1, 2 составляет примерно 20-40 градусов, электрическая длина шлейфов 3, 4 составляет примерно 10-20 градусов.

Для уменьшения габаритов, так как длины шлейфов и отрезков линий соизмеримы, в фильтре (см. фиг. 2) проводники разомкнутых шлейфов 3 и 4 располагаются параллельно проводникам отрезков линий 1 и 2 между ними, а конденсаторы 5, 6 выполняют роль перемычек.

СВЧ-фильтр нижних частот (см. фиг. 1) работает следующим образом. СВЧ-сигнал поступает на вход и проходит на выход последовательно через два звена, каждое из которых представляет собой отрезок линии 1, 2, в середине каждого из которых подключен разомкнутый шлейф 3, 4. Концы каждого отрезка 1, 2 дополнительно соединены через конденсаторы 5, 6. СВЧ-сигнал проходит через каждое звено двумя путями - по отрезку линии 1 с разомкнутым шлейфом 3 и через конденсатор 5. При выбранной величине емкости конденсатора 5 имеет место согласование звена фильтра ниже граничной частоты и два полюса затухания выше граничной частоты.

Условие согласования звена фильтра на частоте ω₀ выражается формулой

Условие наличия полюса затухания на частоте Fω₀ выражается формулой

где Q₁, Q₂ - электрические длины на частоте ω₀ отрезка линии 1 и разомкнутого шлейфа 3, соответственно;

Y_с - реактивная проводимость конденсатора, Y_с=ω₀CZ₀.

Формулы (1) (2) получены на основе анализа схемы фильтра методом синфазно-противофазного возбуждения при условии, что волновое сопротивление разомкнутого шлейфа равно Z₀/2. При проектировании фильтра оно может быть изменено за счет изменения электрической длины шлейфа при условии эквивалентности шлейфов по входному сопротивлению. В этом случае электрическая длина шлейфа при выбранном волновом сопротивлении Z_x-Q_2x определяется по формуле

Из формулы (1) видно, что согласование разомкнутого шлейфа малой длины Q₂ может быть обеспечено емкостью конденсатора при расчетной длине отрезка Q₁. Например, разомкнутый шлейф длиной Q₂=15 градусов, при Y_c=1, согласован при длине отрезка линии Q₁=30 градусов.

В формуле (2) правая часть зависит от F так, что имеет минимум при FQ₁=40-60 градусов, величина которого находится в пределах 3.4-3.6. Поэтому полюс запирания будет иметь место при 2FY_c больше 3.4, т.е. при отстройке F=1.7 проводимость Y_c примерно равна 1.

Выбором электрических длин и емкостей конденсаторов для разных звеньев фильтра разными можно обеспечить согласование звеньев на одной частоте, а полюса затухания на разных частотах (см. фиг. 1б), за счет чего значительно увеличивается избирательность и ослабление в полосе запирания уже при двух звеньях. Так, при отстройке от частоты среза АЧХ на 25% ослабление двухшлейфного фильтра увеличивается на 30 дБ.

Таким образом, предлагаемый СВЧ-фильтр нижних частот обеспечивает высокую избирательность и большое ослабление в полосе заграждения за счет наличия полюсов запирания, положение которых можно рассчитать. При этом предлагаемый СВЧ-фильтр нижних частот имеет малые габариты за счет использования отрезков малой электрической длины (15 градусов вместо 36 градусов у прототипа) за счет малого количества звеньев, достаточных для получения высокой избирательности.

Технико-экономический эффект предлагаемого СВЧ-фильтра нижних частот состоит в следующем. Включение конденсатора, реактивная проводимость которого примерно равна единице, при электрической длине отрезков шлейфов примерно 15 градусов позволило получить высокую избирательность фильтра при малом количестве звеньев фильтра, т.е. при малых габаритах.

На предприятии был изготовлен макет предлагаемого двухзвенного СВЧ-фильтра нижних частот в микрополосковом исполнении в L диапазоне частот. При экспериментальной проверке были получены результаты, подтверждающие достижение поставленной цели. Макет обеспечивал ослабление в диапазоне частот от нуля до граничной частоты не более 0.5 дБ и ослабление более 30 дБ при отстройке от граничной частоты на 25%. Прототип с количеством звеньев, равном семи, по расчетам обеспечивает худшую избирательность, при этом его габариты в 6 раз больше.