КОМПАКТНЫЙ ПОЛОСНОПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР СВЧ

Полезная модель относится к области радиотехники СВЧ и может быть использована в приемных системах метрового и дециметрового диапазона длин волн для выделения полезного сигнала с высокой избирательностью и с широкой полосой заграждения.
Известен микрополосковый полосно-пропускающий фильтр с широкой полосой заграждения (пат. РФ №2222076, МПК Н01Р 1/203, опубл. 20.01.10.2004). Фильтр содержит короткозамкнутые с одной стороны четвертьволновые полосковые проводники, являющиеся резонаторами, разделенные между собой экранирующими металлическими пластинами, а кондуктивно-индуктивная связь между резонаторами выполнена в виде сосредоточенных индуктивностей, каждая из которых припаяна своими концами к двум соседним резонаторам. Индуктивная связь между резонаторами уменьшается с ростом частоты, что обеспечивает широкую полосу заграждения. Так как длина резонатора равна четверти длины волны, фильтр имеет большие размеры при использовании его в метровом и дециметровом диапазоне длин волн.
Известны компактные фильтры на четвертьволновых связанных резонаторах, свернутых в виде шпильки, один конец которой разомкнут, а другой короткозамкнут. Проводники входной и выходной линии подключены к проводникам крайних резонаторов к плечу шпильки, короткозамкнутом на конце (см. АС СССР №1309125, МКИ Н01Ρ 1/205, опубл. 1987 г., Бюл. №17, АС СССР №1683099, МКИ Н01Ρ 1/205, опубл. 1991 г., Бюл. №37). Длина полоскового резонатора примерно равна одной восьмой длины волны, при этом ширина его больше двух ширин проводника. Кроме того, резонаторы фильтра не имеют оси симметрии, поэтому фильтры реализуются только с четным количеством резонаторов.
Известен микрополосковый широкополосный полоснопропускающий фильтр, в котором используется любое количество резонаторов (см. пат. РФ №2401490, МПК Н01Р 1/203, опубл. 10.10.2010 г., Бюл.№28). В известном фильтре центральные резонаторы представляют собой полуволновый отрезок линии, закороченный на концах и свернутый два раза. Длина резонатора фильтра при этом примерно равна одной шестой длины волны, при этом ширина его больше трех ширин проводника.
Наиболее близким к заявляемому является, выбранный в качестве прототипа, полоснопропускающий фильтр на встречных стержнях (см. Микроэлектронные устройства СВЧ. Под ред. Г.И. Веселова. - М.: Высш.шк., 1988, стр. 96, рис. 3.57). Прототип содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой размещено металлическое основание, а на другой стороне параллельно друг другу расположены через зазоры электромагнитно связанные проводники резонаторов, один конец каждого из которых разомкнут, другой соединен с металлическим основанием, при этом разомкнутые концы проводников соседних резонаторов расположены с противоположной стороны. Вход и выход подключены к крайним резонаторам непосредственно.
Известный фильтр имеет большие габариты, так как длина резонатора равна четверти длины волны. Кроме того, он имеет невысокую крутизну скатов АЧХ, так как не имеет дополнительных полюсов затухания. Прототип также имеет недостаточно широкую полосу заграждения, т.к. имеет паразитные полосы пропускания на нечетных гармониках.
Целью полезной модели является уменьшение габаритов при увеличении крутизны скатов АЧХ и расширении полосы частот заграждения.
Для достижения указанной цели, в предлагаемый компактный полоснопропускающий фильтр СВЧ, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой размещено металлическое основание, а на другой стороне параллельно друг другу расположены через зазоры электромагнитно связанные проводники резонаторов, один конец каждого из которых разомкнут, при этом разомкнутые концы проводников соседних резонаторов расположены с противоположной стороны, согласно полезной модели, введены витые катушки индуктивности, соединяющие вторые концы средних резонаторов с металлическим основанием, а вторые концы крайних резонаторов - с входом и выходом, при этом длина проводников резонаторов меньше одной десятой длины волны, разомкнутый конец одного крайнего резонатора расположен рядом с разомкнутым концом рядом расположенного среднего резонатора, к разомкнутым концам крайних резонаторов дополнительно подключены проводники длиной меньше длины проводников средних резонаторов, при этом к входу и выходу подключены дополнительные проводники, вторыми концами соединенные с металлическим основанием, а в средних резонаторах соседние катушки индуктивности четных резонаторов, и соседние катушки индуктивности нечетных резонаторов связаны магнитной связью, при этом соседние катушки имеют противоположную намотку.
Введение проволочных катушек индуктивности позволяет уменьшить длину резонаторов и расширить полосу заграждения фильтра. Противоположная ориентация крайних резонаторов, относительно соседних, подключение дополнительных отрезков к их разомкнутым концам и наличие дополнительной магнитной связи между катушками индуктивностей не соседних резонаторов, позволяет получить дополнительные полюса затухания вблизи полосы пропускания, за счет чего увеличить избирательность фильтра без увеличения количества резонаторов и, следовательно, увеличения ослабления в полосе пропускания фильтра.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого фильтра из литературы неизвестны, поэтому оно соответствует критериям новизны.
На фиг. 1 приведена топология предлагаемого компактного полоснопропускающего фильтра СВЧ с восемью резонаторами, на фиг. 2 - расчетные АЧХ фильтров (сплошная линия - АХЧ предлагаемого фильтра, пунктирная линия - АХЧ фильтра аналога).
Предлагаемый компактный полоснопропускающий фильтр СВЧ (фиг. 1) содержит диэлектрическую подложку 1, на одной стороне которой размещено металлическое основание, а на другой стороне параллельно друг другу расположены через зазоры проводники 2, 3, 4, 5. 6. 7, 8, 9 восьми резонаторов фильтра. Один конец каждого резонатора разомкнут, при этом разомкнутые концы проводников 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 соседних резонаторов расположены на противоположных сторонах, т.е. разомкнутые концы четных резонаторов расположены на одной стороне основания, нечетных резонаторов - на противоположной стороне. Вторые концы проводников средних резонаторов 3, 5, 7 соединены через катушки индуктивностей 10, 12, 14 с металлическим основанием через проводник 16 и металлизированный торец платы. Находящиеся на противоположной стороне вторые концы проводников средних резонаторов 4, 6, 8 соединены через катушки индуктивностей 11, 13, 15 с металлическим основанием через проводник 17 и металлизированный торец платы. Вторые концы проводников 2, 9 крайних резонаторов подключены через проволочные катушки индуктивности 18, 19 к входу и выходу. К входу и выходу также подключены проводники 20, 21, концы которых через металлический проводник 16 соединены с металлическим основанием. Разомкнутый конец проводника 9 крайнего резонатора расположен рядом с разомкнутым концом проводника 8 предыдущего резонатора. К разомкнутым концам проводников крайних резонаторов 2, 9 дополнительно подключены разомкнутые проводники 22, 23, длиной меньше длины проводников средних резонаторов.
Длина проводников резонаторов 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 для уменьшения габаритов фильтра выбирается меньше одной десятой длины волны, а величины зазоров между этими проводниками выбираются из условия получения электромагнитной связи между соседними резонаторами, обеспечивающие заданную ширину полосы пропускания фильтра.
Величина индуктивностей проволочных катушек 10, 11, 12, 13, 14, 15 средних резонаторов выбирается из условия получения резонансной частоты этих резонаторов примерно равной средней частоте полосы пропускания фильтра. При этом чем больше длина и ширина проводников 3, 4, 5, 6, 7, 8, тем меньше величина индуктивностей катушек. Катушки, для получения максимальной добротности, выполняются из медного провода без каркаса, диаметр намотки примерно равен одной-двум ширинам проводников 3-8 средних резонаторов. Для обеспечения дополнительной магнитной связи между не соседними резонаторами катушки располагаются на определенном расстоянии друг от друга, направление намотки в соседних катушках противоположное. Фильтр может иметь общий металлический экран над катушками, уменьшающий магнитную связь до необходимых величин.
В крайних резонаторах длина и ширина короткозамкнутых проводников 20, 21 выбираются исходя из ширины полосы пропускания фильтра, так как определяют нагруженную добротность входного резонатора. Так как длина этих проводников примерно равна длине проводников резонаторов 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, они могут располагаться параллельно им. Величина индуктивностей проволочных катушек 18, 19 и длины дополнительных проводников 22, 23 выбираются из условия получения резонансной частоты крайних резонаторов примерно равной средней частоте полосы пропускания фильтра. При этом длины дополнительных проводников 22, 23 выбираются для формирования дополнительных полюсов АЧХ, при этом они меньше длины проводников 3, 4, 5, 6, 7, 8 средних резонаторов.
Предлагаемый компактный полоснопропускающий фильтр СВЧ работает следующим образом. В полосе пропускания фильтра СВЧ-сигнал, поступающий на вход, проходит по входному проводнику на входной резонатор, состоящий из проводников 2, 20, 22 и катушки индуктивности 18. Далее через средние резонаторы, состоящие из проводников 3, 4, 5, 6, 7, 8 и катушек 10, 11, 12, 13, 14, 15, СВЧ-сигнал проходит на выходной резонатор, состоящий из проводников 9, 21, 23 и катушки индуктивности 19 и далее на выход. Так как резонансные частоты всех резонаторов одинаковы, а необходимые связи между резонаторами реализуются величинами зазоров между проводниками, потери фильтра в полосе пропускания минимальные.
На частотах вне полосы пропускания СВЧ-сигнал отражается от резонаторов и не проходит на выход. Следующая резонансная частота средних резонаторов фильтра будет иметь место при длине проводников 3-8 резонаторов примерно равной половине длины волны, то есть выше пятой гармоники. Однако так как на этих частотах крайние резонаторы не пропускают сигнал, ввиду того что их частота паразитного резонанса не совпадает с частотой паразитного резонанса средних резонаторов, сигнал в значительной степени подавляется и на частотах резонанса средних резонаторов.
Кроме того, так как длина проводников резонаторов меньше одной десятой длины волны, габариты фильтра малы.
Так как входной и выходной резонаторы по-разному ориентированы относительно соседних резонаторов, на АЧХ фильтра имеют место дополнительные полюса запирания с обеих сторон от полосы пропускания. Подключение дополнительных проводников 22, 23 к крайним резонаторам позволяет приблизить полюса запирания к полосе пропускания. Из АЧХ представленных на фиг. 2 видно, что в отличие от фильтра аналога, в котором входной и выходной резонаторы ориентированы относительно соседних резонаторов одинаково и отсутствуют дополнительные проводники, предлагаемый фильтр имеет большую крутизну скатов АЧХ.
Дополнительные полюса затухания обеспечиваются за счет дополнительной магнитной связи между не соседними резонаторами фильтра.
Технико-экономический эффект предлагаемого компактного полоснопропускающего фильтра СВЧ состоит в следующем. Введение в состав резонаторов проволочных катушек позволяет уменьшить габариты фильтра и расширить полосу заграждения. Использование при этом противоположной ориентации входных резонаторов и дополнительных проводников в их составе, а также дополнительной магнитной связи между катушками не соседних резонаторов позволяет увеличить крутизну АЧХ фильтра без увеличения количества резонаторов.
На предприятии был изготовлен макет предлагаемого полоснопропускающего фильтра СВЧ с восемью резонаторами, с шириной полосы пропускания равной 17%. Фильтр выполнен на плате ФЛАН-10-1.0. Ширины полосковых линий средних резонаторов - 1.5 мм. Проволочные катушки из медного провода диаметром 0.5 мм, с диаметром намотки 2.0 мм. Ширина платы фильтра примерно равна 1/12 длины волны, что в 3 раза меньше, чем у прототипа.
Потери фильтра в полосе пропускания не более 3.0 дБ. Фильтр обеспечивал коэффициент прямоугольности по уровню 40 дБ равный 2.0, с подавлением не менее 40 дБ до частоты шестой гармоники.