Результат интеллектуальной деятельности: Полосковый полосно-пропускающий фильтр гармоник

Изобретение относится к технике высоких и сверхвысоких частот и предназначено для создания частотно-селективных устройств, например, полосовых фильтров.

Известна конструкция полоскового резонатора и фильтра на его основе [Патент на полезную модель РФ №99248, МПK⁷ H01P7, опубл. 10.11.2010, Бюл. №31]. Резонатор содержит две диэлектрические подложки, подвешенные внутри экрана. На обе поверхности подложек нанесены полосковые металлические проводники прямоугольной формы, электромагнитно связанные между собой. Полосно-пропускающий фильтр на основе такого резонатора имеет меньшие размеры по сравнению с традиционными конструкциями микрополосковых и полосковых фильтров. Недостатком фильтра является близкое расположение резонанса второй, паразитной моды колебаний к полосе пропускания фильтра, что не позволяет конструировать на его основе фильтры с широкой полосой заграждения.

Также известна конструкция фильтра гармоник [Патент РФ №2590313,
МПK H01P, опубл. 10.07.2016, Бюл. №19]. Фильтр содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесены полосковые проводники, замкнутые с одного конца, и на вторую сторону также нанесены полосковые проводники, замкнутые с одного конца. Проводники, образующие каждый из резонаторов фильтра, расположены на разных поверхностях подложки и замкнуты противоположными концами. 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. Фильтр такой конструкции хотя и имеет значительно более широкую полосу заграждения, по сравнению с первым аналогом, но зачастую в СВЧ-технике требуются устройства с более протяженными и глубокими полосами заграждения.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является полосковый полосно-пропускающий фильтр на основе полосковых резонаторов [Патент РФ №2640968, МПК⁷ Н01Р/203, опубл. 12.01.2018, Бюл. №2 (прототип)]. Фильтр содержит диэлектрические подложки, подвешенные внутри экрана, на обе поверхности которых нанесены полосковые металлические проводники, электромагнитно связанные между собой. Между подложками расположена тонкая металлическая пленка, замкнутая на экран со всех сторон по периметру. Толщина пленки меньше глубины скин-слоя в металле на рабочей частоте резонатора. Фильтры на подобных резонаторах имеют намного более широкую и глубокую полосу заграждения (неограниченную с практической точки зрения), по сравнению с аналогами. Недостатками указанной конструкции являются большие размеры и сложность изготовления многорезонаторных конструкций таких фильтров, так как требуется применение большого количества диэлектрических подложек.

Техническим результатом изобретения является уменьшение размеров полоскового полосно-пропускающего фильтра гармоник и упрощение его конструкции.

Указанный технический результат достигается тем, что в полосковом полосно-пропускающем фильтре гармоник, содержащем диэлектрические подложки, подвешенные внутри экрана, на поверхности которых нанесены полосковые металлические проводники, электромагнитно связанные между собой, и расположенную между подложками сплошную металлическую пленку, толщина которой на рабочей частоте резонатора меньше толщины скин-слоя в металле пленки, отличающийся тем, что количество подложек равно двум при любом числе полосковых проводников, которые расположены только на одной поверхности каждой диэлектрической подложки, причем один конец каждого полоскового проводника замкнут на экран непосредственно, а второй конец соединен с экраном через сосредоточенную емкость.

Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что полосковые проводники расположены только на одной поверхности диэлектрических подложек, а количество подложек для любого числа резонаторов равно всего двум. При этом концы полосковых проводников соединены с экраном с одной стороны непосредственно, а с другой стороны через сосредоточенные емкости. Эти отличия позволяют 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 заявляемого полоскового полосно-пропускающего фильтра гармоник третьего порядка; Фиг. 2 – амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) полоскового полосно-пропускающего фильтра заявляемой конструкции.

Заявляемое устройство (Фиг. 1а), содержит экран 1, являющийся корпусом устройства, внутри которого подвешены (Фиг. 1б) две диэлектрические подложки 2, на одну поверхность которых нанесены полосковые металлические проводники 3 резонаторов, электромагнитно связанные между собой и имеющие форму, например, прямоугольника. Каждый резонатор в фильтре образован парой полосковых проводников 3, расположенных друг напротив друга на поверхности первой и второй подложек 2. Полосковые проводники 3 расположены только на одной поверхности каждой диэлектрической подложки 2, причем один конец каждого полоскового проводника 3 замкнут на экран 1 непосредственно, а второй конец соединен с экраном 1 через сосредоточенную емкость 4. Между подложками 2 расположена тонкая металлическая пленка 5, замкнутая со всех сторон по периметру на экран 1. Толщина пленки 5 меньше величины скин-слоя в металле пленки 5 на рабочей частоте резонатора.

Заявляемый полосковый фильтр гармоник работает следующим образом. Известно, что высокочастотный ток проникает в металл на определенную глубину, характеризуемую толщиной скин-слоя. Величина толщины скин-слоя зависит от электрофизических параметров материала и частоты: , где σ – удельная проводимость металла, μ – относительная магнитная проницаемость и ω – частота. Этот факт лежит в основе работы заявляемого фильтра гармоник. Толщина пленки между подложками в заявляемой конструкции выбрана такой, чтобы на нижайшей – рабочей резонансной частоте конструкции она была меньше глубины скин-слоя. Поэтому магнитное поле на рабочей частоте будет проникать через пленку на расстояние достаточное для обеспечения взаимодействия проводников резонаторов. В то же время на частотах высших мод колебаний (гармоник) толщина пленки становится сравнимой и большей, чем глубина скин-слоя в металле. Поэтому взаимодействие резонаторов на частотах высших мод колебаний значительно уменьшается.

Принципиальным отличием фильтра заявляемой конструкции от фильтра-прототипа является то, что при любом числе резонаторов (это число определяет порядок фильтра) все образующие их полосковые проводники располагаются всего на двух диэлектрических подложках при использовании одной сплошной металлической пленки между ними. В то же время в фильтре-прототипе необходимо использовать количество сплошных металлических пленок равное количеству резонаторов, а число диэлектрических подложек равняется удвоенному числу резонаторов. Таким образом, предложенное техническое решение позволяет уменьшить габариты фильтра и значительно упростить его конструкцию.

На основе заявляемой конструкции был спроектирован полосно-пропускающий фильтр третьего порядка (конструкция фильтра показана на Фиг. 1). На Фиг. 2 в широкой полосе частот изображены амплитудно-частотные характеристики такого фильтра, рассчитанные в программе электродинамического анализа на основе 3D-модели. Конструктивные параметры резонаторов в фильтре: диэлектрическая проницаемость подложек ε = 9.8 при их толщине 0.25 мм; длина полосковых проводников резонаторов 27 мм; ширина наружных проводников 7 мм; ширина средних проводников 8 мм; расстояние между подложками в резонаторе 1.8 мм; расстояние от верхнего и нижнего экрана корпуса до поверхности подложек 5 мм. Величина сосредоточенных емкостей (4 на Фиг. 1б), подключенных к проводникам наружных резонаторов, составляет С₁ = С₃ = 500 пФ, подключенных к проводникам среднего резонатора С₂ = 550 пФ. Между подложками расположена металлическая пленка, замкнутая по периметру на стенки корпуса. Пленка выполнена из материала с удельной проводимостью в 300 раз меньшей чем у меди, толщина пленки t = 100 мкм. Такая толщина и проводимость материала пленки выбраны исходя из условия реализации максимальной собственной добротности полосковых резонаторов, что обеспечивает наименьшее затухания в полосе пропускания фильтра при прочих равных условиях. Центральная частота полосы пропускания фильтра при расстоянии между резонаторами S = 3 мм составила f₀ ≈ 0.13 ГГц (Фиг. 2а), относительная ширина полосы пропускания фильтра по уровню минус 3 дБ составила Δf/f₀ ≈ 2%. На Фиг. 2б видно, что в заявляемом фильтре полоса заграждения по уровню минус 40 дБ (первая гармоника) простирается до частоты не менее 150f₀ (ограничено в теории временем численного расчета) и на практике, как в фильтре-прототипе, будет значительно протяженнее. Габариты фильтра составляют 40×27×16 мм³, в то время как габариты фильтра-прототипа при прочих равных условиях будут составлять 44×27×16 мм³.

Таким образом, по сравнению с фильтром-прототипом заявляемый фильтр значительно проще по конструкции и при прочих равных условиях позволяет создавать многорезонаторные устройства меньшего размера, что подтверждает заявляемый технический результат.