Результат интеллектуальной деятельности: Микрополосковый полосно-пропускающий фильтр

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для частотной селекции сигналов.

Известен полосно-пропускающий фильтр [Патент RU № 2480867, МКИ7 H01P 1/203, бюл. № 12 от 27.04.2013]. Фильтр состоит из двухмодовых резонаторов, каждый из которых содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое металлизированное основание, а на вторую сторону нанесён прямолинейный полосковый проводник, частично расщеплённый с одного конца продольной щелью. Длина нерасщеплённого участка полоскового проводника находится в пределах от 16 % до 65 %. Техническим результатом при осуществлении изобретения является упрощение конструкции резонатора и фильтра на его основе за счёт исключения замыкания полоскового проводника резонатора на заземляемое металлизированное основание при сохранении двухмодового режима работы резонатора. Недостатком является сравнительно невысокая избирательность фильтра на основе таких резонаторов, связанная с тем, что в них рабочими являются только две моды колебаний.

Наиболее близким аналогом является высокоселективный микрополосковый полосно-пропускающий фильтр [Патент RU № 2775868, МПК H01P 1/203, бюл. № 20 от 11.07.2022 (прототип)]. Фильтр состоит из трехмодового микрополоскового резонатора, который содержит диэлектрическую подложку, одна сторона которой металлизирована и выполняет функцию заземляемого основания, а на вторую нанесён прямолинейный полосковый проводник, частично расщеплённый с одного конца продольной щелью. Относительная длина нерасщеплённого участка составляет от 16 % до 65 %, а его абсолютная длина больше ширины. Внутри расщеплённого участка резонатора расположен дополнительный полосковый проводник, соединенный одним концом с нерасщепленным участком. В формировании полосы пропускания фильтра участвуют три нижайшие моды колебаний микрополоскового резонатора, что улучшает его частотно-селективные свойства по сравнению с первым аналогом. Недостатками фильтра являются неширокая высокочастотная полоса заграждения и сравнительно низкая избирательность, обусловленная малым числом резонансов, формирующих полосу пропускания.

Техническим результатом изобретения является повышение избирательности и расширение полосы заграждения микрополоскового полосно-пропускающего фильтра.

Технический результат достигается тем, что в микрополосковом полосно-пропускающем фильтре, содержащем диэлектрическую подложку, одна сторона которой металлизирована и выполняет функцию заземляемого основания, а на вторую нанесен прямолинейный полосковый проводник резонатора, частично расщеплённый с одного конца продольной щелью, причем относительная длина нерасщеплённого участка составляет от 16 % до 65 % и внутри расщепленного участка располагается дополнительный полосковый проводник соединенный одним концом с нерасщепленным участком резонатора, новым является то, что дополнительный полосковый проводник также расщеплен продольной щелью, а нерасщепленный участок резонатора имеет вырез в виде прямоугольного окна свободного от металлизации.

Отличие заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключается в том, что дополнительный полосковый проводник, соединенный одним концом с нерасщепленным участком, расщеплен продольной щелью, а нерасщепленный участок резонатора имеет вырез в виде прямоугольного окна свободного от металлизации. Такое техническое решение позволяет использовать для формирования полосы пропускания не три, а четыре моды колебаний резонатора, что повышает избирательность и увеличивает протяженность полосы заграждения фильтра.

Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется с помощью графических материалов:

На Фиг. 1 изображён четырехмодовый микрополосковый резонатор.

На Фиг. 2 изображён пример конкретной реализации заявляемого фильтра.

На Фиг. 3 изображены амплитудно-частотные характеристики конкретной реализации фильтра заявляемой конструкции и фильтра-прототипа.

Заявляемый фильтр состоит из микрополоскового резонатора (Фиг. 1), который содержит диэлектрическую подложку (1), одна сторона которой металлизирована и выполняет функцию заземляемого основания, а на вторую нанесён прямолинейный полосковый проводник, частично расщеплённый с одного конца продольной щелью (2). Относительная длина нерасщеплённого участка (3) составляет от 16 % до 65 %, а его абсолютная длина l₁ больше ширины W. Внутри расщеплённого участка резонатора расположен дополнительный полосковый проводник (4) длиной l₃, соединенный одним концом с нерасщепленным участком (3). Дополнительный проводник (4) также расщеплен продольной щелью (5) шириной S₁ и длиной l₄. Нерасщепленный участок (3) резонатора имеет вырез в виде прямоугольного окна (6) свободного от металлизации.

Варьирование длин l₁, l_2, l₃ и l₄ позволяет сближать резонансные частоты четырех мод колебаний резонатора в заявляемом фильтре, таким образом, чтобы обеспечить требуемую ширину полосы пропускания фильтра. Площадь прямоугольного окна (6) на нерасщепленном участке (3) резонатора определяет величину относительной ширины полосы пропускания фильтра. Кроме того, наличие такого окна позволяет расширить высокочастотную полосу заграждения за счет подавления нежелательных высших мод колебаний, возникающих в нерасщепленном участке резонатора.

На Фиг. 2 показан пример выполнения конкретной реализации однорезонаторного фильтра заявляемой конструкции. Фильтр работает следующим образом: входная и выходная линии передачи подключаются к расщепленному участку резонатора посредством емкостной связи, образованной полосковыми проводниками (7) и расщепленным участком резонатора, как показано на фиг. 2. Величина зазора S между проводниками (7) и расщепленным участком резонатора 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.

Как известно, селективность фильтра определяется в первую очередь крутизной склонов амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) полосы пропускания. Для повышения крутизны наиболее эффективным является как увеличение числа резонансов, формирующих полосу пропускания, так и генерация вблизи полосы пропускания нулей коэффициентов передачи (полюсов затухания). Главным недостатком известных подходов является то, что изменение положения полюсов затухания на АЧХ фильтра требует существенной корректировки связей его резонаторов, которые определяют требуемую ширину полосы пропускания. Поэтому размещение полюсов затухания на заданных частотах при заданных параметрах полосы пропускания представляет достаточно сложную техническую задачу, в некоторых случаях практически неразрешимую. Кроме того, наряду с высокой крутизной склонов часто требуется обеспечить их симметричность относительно центра полосы пропускания.

В фильтре заявляемой конструкции в результате интерференции сигнала, распространяющегося через проводник резонатора (т.е. по основному каналу), и сигнала, распространяющегося через дополнительные каналы, на определенных частотах возникает их противофазное сложение, приводящее к образованию нулей коэффициентов передачи (полюсов затухания), которые располагаются на АЧХ фильтра практически симметрично относительно центра полосы пропускания. Наличие указанных нулей коэффициента передачи при большем числе резонансов, формирующих полосу пропускания, обеспечивают заявляемому фильтру более высокую избирательность по сравнению с фильтром-прототипом при прочих равных условиях.

На фиг. 3 изображены частотные зависимости (8) коэффициента передачи S₂₁ (сплошная линия) и коэффициента отражения S₁₁ (штриховая линия) заявляемого фильтра, который имел следующие конструктивные параметры. Диэлектрическая проницаемость подложки ε_r = 80, ее толщина h = 1 мм, ширина нерасщепленного участка резонатора W = 6 мм, ширина проводников на расщепленном участке w_e = 0.8 мм, w_i = 1.3 мм. Длина нерасщепленного участка составляла l₁=8.8 мм, расщепленного участка l₂=7.9 мм, при длине дополнительного проводника l₃=8.5 мм, длина внутренней щели l₄=8.6 мм при ее ширине S₁=0.4 мм. Величина зазора S между проводниками (7) и расщепленным участком резонатора S=0.05 мм. Размеры окна (6) составляют 3.6×4.4 мм² и оно расположено на расстоянии 4 мм от разомкнутого конца нерасщепленного участка резонатора. Указанные длины выбиралась таким образом, чтобы центральная частота полосы пропускания фильтра равнялась f₀ = 1.1 ГГц, а относительная ширина полосы пропускания Δf/f₀= 25%. Из Фиг. 3 видно, что полоса пропускания заявляемого фильтра формируется четырьмя резонансами, в отличие от фильтра-прототипа, где в формировании полосы пропускания участвует только три резонанса. Это приводит к лучшим частотно-селективным свойствам фильтра заявляемой конструкции. В доказательство этого Фиг. 3 также изображена амплитудно-частотная характеристика (9) коэффициента передачи S₂₁ (точки) фильтра-прототипа, имеющего аналогичные основные конструктивные параметры, как и заявляемый фильтр. Видно, что у фильтра заявляемой конструкции крутизна склонов (избирательность) на частотах вблизи полосы пропускания выше, а протяженность высокочастотной полосы заграждения больше, чем у фильтра-прототипа при прочих равных условиях, что подтверждает заявляемый технический результат.