МИКРОПОЛОСКОВЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР
BROADBAND MICROSTRIP BANDPASS FILTER

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для частотной селекции сигналов.
7
Известен микрополосковый полосно-пропускающий фильтр [Патент RU №2182738, МКИ Н01Р 1/203, 1/205, бюл. №14 от 20.05.2002], содержащий диэлектрическую подложку, одна сторона которой металлизирована и выполняет функцию заземляемого основания, а на вторую нанесены прямолинейные полосковые проводники. В таком фильтре полосковые проводники вместе с диэлектрической подложкой и заземляемым экраном образуют регулярные четвертьволновые микрополосковые резонаторы, электромагнитно связанные между собой.
Недостатком такой конструкции фильтра является то, что он имеет полосу заграждения не более октавы, а возможности расширения его полосы пропускания ограничиваются тем обстоятельством, что емкостное и индуктивное взаимодействие резонаторов вычитаются друг из друга. Это не позволяет достичь достаточно большой величины полного коэффициента связи, необходимого для реализации широкой полосы пропускания фильтра.
7
Наиболее близким аналогом является гребенчатый полосно-пропускающий микрополосковый фильтр [Патент RU №2148286, МКИ Н01Р 1/205, 1/203, бюл. №12 от 27.04.2000 (прототип)], содержащий диэлектрическую подложку, одна сторона которой металлизирована и выполняет функцию заземляемого основания, а на вторую нанесены короткозамкнутые полосковые проводники, связанные между собой электромагнитно и кондуктивно. Проводники резонаторов выполнены прямолинейными, кроме того, между полосковыми проводниками, являющимися резонаторами, нанесены дополнительные короткозамкнутые полосковые проводники, боковые стороны которых соединены с соседствующими резонаторами. Длина дополнительных полосковых проводников выполнена изменяемой.
Недостатками гребенчатого полосно-пропускающего микрополоскового фильтра являются узкая высокочастотная полоса заграждения и сравнительно большие размеры.
Техническим результатом изобретения является расширение высокочастотной полосы заграждения широкополосного полосно-пропускающего микрополоскового фильтра и уменьшение его размеров.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом фильтре, содержащем диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземленное основание, а на вторую сторону параллельно друг другу нанесены прямолинейные полосковые проводники резонаторов, связанные электромагнитно и кондуктивно, и дополнительные полосковые проводники, боковые стороны которых соединены с соседствующими резонаторами, новым является то, что только проводники наружных резонаторов одним концом короткозамкнуты, а дополнительные полосковые проводники не короткозамкнуты. Иначе говоря, проводники внутренних резонаторов одним концом соединены между собой и короткозамкнутыми проводниками внешних резонаторов с помощью дополнительных проводников.
Отличие заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключается в том, что только проводники наружных резонаторов одним концом короткозамкнуты, а дополнительные полосковые проводники, боковые стороны которых соединены с соседствующими резонаторами, не короткозамкнуты.
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.1а изображена топология проводников пятирезонаторного фильтра прототипа, а на фиг.1б - топология проводников заявляемого микрополоскового фильтра пятого порядка.
На фиг.2 изображены рассчитанные амплитудно-частотные характеристики заявляемого фильтра (сплошная линия) и фильтра прототипа (штриховая линия).
На фиг.3 изображены амплитудно-частотные характеристики фильтра пятого порядка, измеренные на экспериментальном макете.
Заявляемый микрополосковый широкополосный полосно-пропускающий фильтр (фиг.1б) содержит диэлектрическую подложку 1, одна сторона которой полностью металлизирована и выполняет функцию заземляемого основания, а на вторую сторону нанесены параллельные прямолинейные полосковые проводники 2 и 3, причем внешние проводники 3 короткозамкнуты с одной стороны на экран, а внутренние 2 кондуктивно соединены с одного конца между собой и соединены с внешними короткозамкнутыми проводниками с помощью дополнительных проводников 4. Внешние проводники 3 также кондуктивно подключены к входной и выходной линиям передачи.
Фильтр работает следующим образом. Входная и выходная линии передачи подключаются к проводникам, как показано на фиг.1б, 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.
1
1
Благодаря наличию дополнительного проводника все параллельные проводники, образующие резонаторы, связаны между собой не только электромагнитно, но и кондуктивно. Величину коэффициента связи можно изменять, варьируя как величины зазоров между резонаторами S, так и расстояние от дополнительного проводника до экрана l. Как известно, ширина полосы пропускания фильтра определяется, при прочих равных условиях, величиной коэффициента связи между резонаторами. Меняя расстояние l от дополнительного проводника до экрана, можно в широких пределах менять величину коэффициента связи между резонаторами, не меняя при этом расстояния между ними. Благодаря этому можно получить относительную ширину полосы пропускания до 120% и более, с величинами зазоров достаточными, чтобы обеспечить электрическую прочность фильтра, требуемую для работы с уровнями мощности в десятки ватт. Ширина дополнительного проводника может быть выбрана достаточно малой, что приводит к увеличению его погонной индуктивности. Это существенно уменьшает длину полосковых проводников резонаторов заявляемого фильтра по сравнению с прототипом при одинаковой центральной частоте полосы пропускания, а также расширяет его высокочастотную полосу заграждения.
0
0
d
1
1
2
2
На фиг.2 приведены расчетные частотные зависимости вносимых потерь для заявляемого фильтра (сплошная линия) и фильтра прототипа (пунктирная линия). Оба фильтра имеют центральную частоту f=2 ГГц и относительную ширину полосы пропускания Δf/f=70% по уровню - 3 дБ, КСВ в полосе пропускания фильтра не хуже 1,5. Расстояние между полосковыми проводниками внешних резонаторов было одинаковым для обоих фильтров, а ширина полосковых проводников всех резонаторов была одинаковой и равна 1 мм. В качестве материала подложек был выбран поликор с относительной диэлектрической проницаемостью ε=9.8; толщина подложек h=1 мм. В расчетной модели заявляемого фильтра расстояние от дополнительного проводника до экрана l=3.5 мм, а зазоры между проводниками резонаторов: S=0.5 мм, S=2.5 мм. При этом размеры микрополосковой структуры в заявляемом фильтре составили 11×16 мм, в то время как размеры фильтра прототипа составили 11×21 мм, т.е. заявленный фильтр имеет существенно меньшие размеры при прочих равных условиях, что подтверждает заявленный технический результат.
p
Из графиков видно, что в области полосы пропускания амплитудно-частотные характеристики почти идентичны, однако первый паразитный высокочастотный резонанс у фильтра прототипа располагается на частоте 3.66 ГГц, а у заявляемого фильтра - на частоте 5 ГГц, т.е. практически в 1.4 раза дальше. Это отношение можно еще больше увеличить, уменьшая ширину дополнительного проводника w.
d
r
1
1
2
1
2
1
2
3
p
0
0
2
На фиг.3 приведены измеренные зависимости прямых потерь (точки) и потерь на отражение (штриховая линия) макета полосно-пропускающего фильтра пятого порядка на основе заявляемой конструкции. Его конструктивные параметры были следующими. Подложка выполнена из керамики ТБНС (ε=80) толщиной h=1 мм. При этом остальные параметры конструкции в миллиметрах были следующими: l=13.5, l=3.5, δ=1.2, δ=2.5, S=0.6, S=3.3, w=w=w=0.4, w=0.1, т.е. размеры микрополосковой структуры фильтра составили всего 13.5×9.3 мм. Фильтр имеет относительную ширину полосы пропускания, измеренную по уровню - 1дБ от уровня минимальных потерь, Δf/f=62%, и центральную частоту полосы пропускания f=945 МГц.
Таким образом, заявляемая конструкция позволяет реализовывать на ее основе миниатюрные широкополосные полосно-пропускающие фильтры с увеличенной высокочастотной полосой заграждения.