Микрополосковый СВЧ диплексор
MICROSTRIP MICROWAVE DIPLEXER

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к СВЧ-устройствам, и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах систем связи, в том числе в аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем Glonass, GPS для разделения сигналов поддиапазонов L1, L2, L3, в пассивных когерентных локационных системах для разделения сигналов ТВ и ФМ вещания.
Известно большое количество диплексоров для разделение сигналов на два поддиапазона. Эти устройства имеют один вход, например от общей антенны, и два выхода, на которых выделяются сигналы каждого из двух рабочих поддиапазонов. Эти диплексоры могут быть реализованы в разном исполнении. Близкими по исполнению к предлагаемому изобретению является ряд диплексоров. Первый из них выполнен на двух двухрезонаторных микрополосковых фильтрах на однослойной диэлектрической подложке. Такие устройства описаны в патентах США - US 6597258, опубликованном 22.07.2003, и US 6771222 В1, опубликованном 03.08.2004. В этих устройствах фильтры выполнены на двух отрезках связанных короткозамкнутых линий передачи, нагруженных планарными встречно-штыревыми конденсаторами. Подключение фильтров к общему входу осуществляется с помощью двух отрезков линий с 50-омным волновым сопротивлением, каждый из которых имеет электрическую длину λ/4 на частоте пропускания второго фильтра. Недостатками такого решения являются большие габариты платы диплексора, дополнительные потери за счет наличия короткозамыкателей типа VIA через слой диэлектрика в месте максимальных токов у резонирующих линий и встречно-штыревых конденсаторов. Подобное же решение с λ/4 линиями используется и в заявке Pub. N US 2003/0054775 А1 от 20.03.2003 и естественно, что заявляемый в ней диплексор будет иметь те же недостатки. В заявке Pub. N US 2012/0313727 А1 от 13.12.2012 предлагается балансный диплексор, реализованный на отрезках пяти связанных λ/4 линий передачи с соединением у двух портов пар линий с помощью воздушных мостиков по типу ответвителей Ланге или коротких микрополосковых проводников. Это устройство также имеет большие габариты и заметные потери за счет невозможности реализовать в широкой полосе частот 3-дБ связь. Ряд вариантов микрополосковых СВЧ диплексоров выполнены на однослойной печатной плате с реализацией двух полосовых фильтров на связанных полуволновых отрезках линий передачи, образующих фильтры на параллельно связанных резонаторах. Основополагающим из таких устройств является диплексор, описанный в патенте США US 4168479, опубликованном 18.09.1979. Поскольку в фильтрах на λ/2 линиях отсутствуют короткозамыкатели, то потери в таких диплексорах будут меньше. Однако габариты фильтров на параллельно связанных λ/2 линиях весьма велики, поэтому велики и габариты диплексора. В некоторых микрополосковых диплексорах используются полосовые фильтры с двухмодовыми резонаторами, как, например, в патенте РФ №2488200. Однако и в этом случае полосовые фильтры расположены на подложке рядом, что не позволяет уменьшить габариты диплексора, например, за счет использования технологий керамики с низкой температурой обжига (LTCC).
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому устройству является устройство, описанное в патенте РФ №2533691.
Известный частотный диплексор содержит входной и два выходных порта, многослойную диэлектрическую подложку с верхним и нижним экранами, а также первый и второй полосно-пропускающие фильтры, выполненные на пересекающихся в средних точках полуволновых резонаторах первого и второго фильтров, причем разомкнутые концы соседних резонаторов каждого фильтра расположены на различных сторонах среднего слоя подложки, а отрезки согласующих линий, связывающих крайние резонаторы с входным и выходными портами, расположены на различных сторонах среднего слоя подложки с крайними резонаторами фильтра.
Принцип работы устройства-прототипа можно пояснить следующим образом. Поступающий на входной порт радиосигнал, содержащий сигналы обоих диапазонов F1 и F2, через первый и второй отрезки согласующих линий поступает на входные резонаторы обоих фильтров. В первом полосно-пропускающем фильтре, состоящем из параллельно связанных электромагнитной связью полуволновых резонаторов, поочередно расположенных на различных сторонах среднего слоя подложки, будет выделяться сигнал частоты F1, который далее поступит в первый выходной порт, связанный с последним резонатором первого фильтра с помощью третьего согласующего отрезка линии. Во втором полосно-пропускающим фильтре, также состоящем из связанных полуволновых резонаторов, расположенных на различных сторонах среднего слоя подложки, будет выделяться сигнал частоты F2, который далее поступит во второй выходной порт, связанный с крайним резонатором второго фильтра с помощью четвертого согласующего отрезка. Таким образом в устройстве происходит частотное разделение сигналов. Проводники полуволновых резонаторов первого и второго фильтров, расположенные на одном слое подложки, попарно пересекаются в средних для каждого из резонаторов точках, в которых СВЧ напряжение на каждой из двух рабочих частот равно нулю и, следовательно, резонаторы первого и второго фильтров будут электрически развязаны друг с другом, что позволяет выполнять раздельно синтез и настройку каналов диплексора. Соединение средних точек полуволновых резонаторов с верхним и нижним экранами подложки улучшает развязку резонаторов и позволяет подавить паразитные полосы пропускания фильтров на параллельно связанных полуволновых резонаторах.
Ключевым недостатком описанного устройства являются большие габариты диплексора, поскольку полуволновые резонаторы полосно-пропускающих фильтров связаны за счет электромагнитной связи в области разомкнутых концов линий соседних резонаторов, в результате чего отрезки полуволновых линий, образующих первый и второй полосовые фильтры, располагаются каскадно друг за другом и диплексер получается вытянутым в длину. Казалось бы, размеры платы можно было бы уменьшить за счет использования подложек с высокой диэлектрической проницаемостью (ε=40 и более), но при этом уменьшается ширина проводников λ/2 резонаторов и, как следствие, возрастают потери в них. При выполнении полуволновых резонаторов S-образной формы в основном сокращаются поперечные размеры платы диплексера, а его длина сокращается мало. Минимизация размеров за счет использования керамики с низкой температурой обжига (LTCC технологии) также невозможна, т.к. у такой керамики ε≈7-8.
Технической задачей, решаемой в предлагаемом устройстве, является уменьшение габаритов при сохранении малого уровня потерь за счет сохранения достаточной ширины проводников λ/2 резонаторов.
Это достигается за счет того, что заявляемый диплексор, так же как и описанный выше прототип, содержит многослойную диэлектрическую подложку с нижним и верхним экранирующими металлическими слоями, входной и два выходных порта, а также два полосно-пропускающих фильтра, выполненных из расположенных на различных слоях подложки связанных полуволновых резонаторов, причем пары полуволновых резонаторов первого и второго фильтров, расположенные на одном слое подложки, выполнены пересекающимися в средних точках, которые соединены с нижним и верхним экранирующими слоями с помощью металлизированных отверстий связи через слои диэлектрической подложки, при этом крайние резонаторы первого из упомянутых фильтров с помощью отрезков согласующих линий электрически связаны с входным и первым выходным портом, а крайние резонаторы второго фильтра с помощью отрезков согласующих линий электрически связаны с входным и вторым выходным портом. Но в отличие от известного устройства, в заявляемом диплексоре диэлектрическая подложка содержит не менее четырех слоев, каждая пара пересекающихся полуволновых резонаторов первого и второго фильтров расположена на отдельном слое подложки, связь между полуволновыми резонаторами в каждом фильтре выполнена с помощью металлизированных отверстий связи через слой подложки, на сторонах которого они расположены, при этом полуволновые резонаторы каждого фильтра в соседних слоях расположены ортогонально.
Технический результат - уменьшение габаритов диплексера достигается за счет того, что в заявляемом диплексоре, в отличие от известного устройства, резонаторы фильтров расположены друг над другом на различных слоях многослойной подложки и этим уменьшается площадь, занимаемая фильтрами, а значит, и габариты диплексора, при этом ширина проводников резонаторов может быть выбрана из условия минимума потерь в диплексоре.
На фиг. 1 схематически показана топология проводников микрополоскового диплексора, расположенных на различных слоях многослойной подложки, на фиг. 2 схематически показан поперечный разрез диплексора при выполнении его с использованием слоистой керамики с низкой температурой обжига (LTCC технологии). Для упрощения понимания структуры диплексера на фиг. 1 заштрихованными линиями обозначены λ/2 (полуволновые) проводники первого и второго фильтров, расположенные на первом (нижнем) слое подложки и согласующие отрезки линий, соединенные с входным портом; залитыми черным линиями обозначены λ/2 проводники первого и второго фильтров, расположенные на втором слое подложки; не заштрихованными контурами обозначены λ/2 проводники первого и второго фильтров, расположенные на третьем слое подложки и согласующие отрезки линий с выходными портами; кружочками обозначены металлизированные отверстия связи, проходящие через один слой подложки и связывающие пары соседних резонаторов одного полосового фильтра, кружочками с крестиками обозначены металлизированные отверстия связи, проходящие через средние точки пересечения λ/2 проводников первого и второго фильтров, соединяющиеся с верхним и нижним экранами диэлектрической подложки. Для облегчения понимания на фиг. 2 различные слои керамики заштрихованы различной штриховкой.
Заявляемое устройство содержит входной порт 1, соединенные со входным портом первый и второй отрезки согласующих микрополосковых линий передачи 2 и 3, которые расположены на первом (нижнем) слое подложки; первый полосно-пропускающий фильтр, настроенный на центральную частоту F1, состоящий из λ/2 микрополосковых резонаторов 4, 5, 6, при этом резонатор 4 расположен на первом слое подложки, резонатор 5 расположен ортогонально резонатору 4 на втором слое подложки, а λ/2 резонатор 6 расположен на третьем слое подложки ортогонально резонатору 5; второй полосно-пропускающий фильтр, настроенный на центральную частоту F2, состоящий из λ/2 микрополосковых резонаторов 7, 8, 9, при этом резонатор 7 расположен на первом слое подложки ортогонально резонатору 4 первого фильтра и пересекается с ним в средней точке, резонатор 8 расположен на втором слое подложки ортогонально резонатору первого фильтра 5 и пересекается с ним в средней точке, резонатор 9 расположен на третьем слое подложки ортогонально λ/2 резонатору первого фильтра 6 и тоже пересекается с ним в средней точке, третий согласующий отрезок микрополосковой линии 10, расположенный на третьем слое подложки, подключенный к крайнему резонатору первого фильтра 6 и соединенный с первым выходным портом 11; четвертый согласующий отрезок микрополосковой линии 12, также расположенный на третьем слое подложки, подключенный к крайнему резонатору второго фильтра 9 и соединенный со вторым выходным портом 13; металлизированное отверстие связи 14 через второй слой подложки, связывающее λ/2 резонатор первого фильтра 4 со вторым резонатором этого же фильтра 5; металлизированное отверстие связи 15 через второй слой подложки, связывающее первый резонатор второго фильтра 7 со вторым резонатором этого фильтра 8; металлизированное отверстие связи 16 через третий слой подложки, связывающее второй резонатор первого фильтра 5 с третьим резонатором этого фильтра 6; металлизированное отверстие связи 17 через третий слой подложки, связывающее второй резонатор второго фильтра 8 с третьим резонатором этого же фильтра 9; металлизированные отверстия связи точек пересечения λ/2 микрополосковых резонаторов первого и второго фильтров с верхним и нижним экранами 18.
На фиг. 2 линия сечения условно проходит через осевые линии отверстий 15 и 16 и показаны металлизированные отверстия связи резонаторов первого и второго фильтров, проходящие через второй слой подложки 14, 15 и через третий слой подложки 16 и 17, металлизированные отверстия, соединяющие средние точки пересечения резонаторов первого и второго фильтров с нижним и верхними экранами 18; первый (нижний) слой многослойной диэлектрической подложки 19, на верхней стороне которого расположены λ/2 микрополосковые резонаторы 4 и 7 первого и второго фильтров; второй слой многослойной диэлектрической подложки 20, на верхней стороне которого расположены λ/2 микрополосковые резонаторы 5 и 8 первого и второго фильтров; третий слой подложки 21, на верхней стороне которого расположены λ/2 микрополосковые резонаторы 6 и 9 первого и второго фильтров; нижний экранирующий металлический слой 23, верхний металлический экран 24, с которыми соединены первый и второй порты соответственно. При виде сбоку резонаторы и отверстия связи одного фильтра перекрывают резонаторы и отверстия связи другого, в связи с этим на фиг. 2 изображается двойная нумерация частей диплексора.
Диплексор может быть выполнен и с любым другим числом резонаторов и соответственно слоев подложки, возможен и другой порядок расположения резонаторов на средних слоях подложки, резонаторы могут быть выполнены не только прямыми, но и изогнутой, например S-образной, формы, обеспечивающей пересечение микрополосковых λ/2 проводников взаимно ортогонально. Возможна и другая конфигурация согласующих линий для связи с портами, например здесь могут использоваться связанные линии. Диплексор может быть выполнен не только по технологии керамики с низкой температурой обжига, но и с использованием многослойной микрополосковой линии с двумя экранами. Если вторая пара крайних резонаторов фильтров 6 и 9 будет соединена с одним выходным портом подобно резонаторам 4 и 7, то получится двухполосовой фильтр с центральными частотами полос пропускания F1 и F2. Эти варианты выполнения будут ясны специалисту после прочтения описания.
Двухчастотный диплексор содержит три порта, входной 1, на который поступают сигналы обоих поддиапазонов F1 и F2, и два выходных, из которых в первом выходном порту 11 выделяется сигнал частоты F1, а во втором, соответственно, сигнал частоты F2. Первый и второй полосно-пропускающие фильтры, входящие в состав диплексора, состоят из связанных с помощью металлизированных отверстий полуволновых резонаторов, настроенных на центральную частоту F1 для первого фильтра 4, 5, 6 и резонаторов второго фильтра 7, 8, 9, настроенных частоту F2, и имеют передаточные характеристики с высокой избирательностью. Так на фиг. 1 каждый фильтр состоит из трех резонаторов, первый из которых расположен на первом слое диэлектрической подложки, второй на втором слое подложки, а третий - на третьем. Крайние резонаторы первого и второго фильтров электрически связаны со входным портом 1 с помощью первого и второго согласующих отрезков линий передачи 2 и 3 соответственно. Электрическая связь между ними обеспечивается за счет отрезков линий передачи 2 и 3, подключенных к крайним резонаторам фильтров 4 и 7 соответственно. Таким образом входной сигнал, содержащий сигналы обоих диапазонов, поступает на входные резонаторы обоих фильтров. В первом полосно-пропускающем фильтре, состоящем из полуволновых резонаторов 4, 5, 6, будет выделяться сигнал частоты F1, который далее поступит в первый выходной порт 11, связанный с крайним резонатором первого фильтра 6, с помощью третьего согласующего отрезка линии 10, расположенного на третьем слое подложки 21. Во втором полосно-пропускающим фильтре, состоящем из полуволновых резонаторов 7, 8, 9, будет выделяться сигнал частоты F2, который далее поступит во второй выходной порт 13, связанный с крайним резонатором второго фильтра 9, помощью четвертого согласующего отрезка 12, причем резонатор 9 и отрезок согласующей линии 12 также расположены на третьем слое подложки 21.
Таким образом радиосигнал, поступающий на входной порт 1, возбуждает сразу оба резонатора 4 и 7 и по пути электрической связи проходит через все остальные резонаторы первого и второго фильтров, электрически связанные с помощью металлизированных отверстий связи 14 и 16 для первого фильтра и 15 и 17 для второго фильтра, при этом сигнал частоты F1, пройдя первый полосно-пропускающий фильтр, поступает на первый выходной порт 11, а сигнал частоты F2, пройдя второй полосно-пропускающий фильтр, поступает на второй выходной порт 13. т.е. происходит частотное разделение сигналов. Длины и ширины первого и второго согласующих отрезков линий передачи 2 и 3 выбираются из условий, чтобы на частоте F1 входное сопротивление отрезка линии 2 совместно с резонаторами второго полосно-пропускающего фильтра 7, 8, 9 было близким к бесконечному, а входное сопротивление отрезка линии передачи 3 в месте подключения к входному порту 1 совместно с резонаторами первого полосно-пропускающего фильтра 4, 5, 6 было близким к бесконечному на частоте F2, тем самым обеспечивается частотная развязка выходных портов.
Проводники λ/2 микрополосковых резонаторов первого и второго фильтров 4 и 7, 5 и 8, 6 и 9 попарно пересекаются в центральных точках для каждого из резонаторов, в которых СВЧ напряжение на каждой из двух рабочих частот равно нулю и, следовательно, резонаторы первого и второго фильтров будут электрически развязаны друг с другом. Для улучшения электрической развязки пар резонаторов необходимо, чтобы их пересечение происходило под прямым углом (взаимно ортогонально), а электрические неоднородности по длине резонаторов были минимальными. Кроме того, для улучшения развязки и подавления паразитных полос пропускания у полосно-пропускающих фильтров, выполненных на связанных λ/2 резонаторах точки пересечения λ/2 резонаторов первого и второго фильтров, в которых СВЧ напряжение для обеих частот равно нулю, соединены с экранами с помощью металлизированных отверстий связи 18, проходящих через слои диэлектрической подложки 19, 20, 21, 22. Взаимно ортогональное пересечение λ/2 резонаторов первого фильтра 4, 5 и 6, расположенных на различных слоях подложки, уменьшает их электромагнитную связь до минимума, так что основная связь между резонаторами достигается за счет металлизированных отверстий 14 и 16, проходящих только через слои подложки, на сторонах которых эти резонаторы расположены. Аналогично первому фильтру взаимно ортогональное пересечение λ/2 резонаторов второго фильтра 7, 8 и 9, расположенных на различных слоях подложки, уменьшает их электромагнитную связь до минимума, так что основная связь между резонаторами достигается за счет металлизированных отверстий 15 и 17, проходящих только через слои подложки, на сторонах которых эти резонаторы расположены.
Выполнение λ/2 резонаторов первого и второго фильтров на различных слоях подложки, пересечение их в средней точке, где СВЧ напряжение для обеих частот равно нулю, и связь резонаторов в каждом фильтре с помощью металлизированных отверстий, проходящих через соответствующие слои подложки, позволило расположить резонаторы фильтров друг над другом и вплотную друг к другу и тем самым уменьшить габариты диплексора. Пересечения проводников резонаторов каждого из фильтров, расположенных на различных слоях подложки, взаимно ортогонально позволило уменьшить дополнительные связи между резонаторами, выполнив основную связь между резонаторами только за счет металлизированных отверстий через второй и третий слои подложки, что дополнительно развязывает резонаторы фильтров и упрощает их настройку. Соединение с экранами точек пересечения λ/2 резонаторов первого и второго фильтров в точках нулевого потенциала позволило подавить паразитные полосы пропускания у полосно-пропускающих фильтров, выполненных на параллельно связанных λ/2 резонаторах, т.к. теперь резонаторы могут возбуждаться лишь на частотах, на которых их длина кратна нечетному числу полуволн. Уменьшение габаритов диплексора позволяет выполнять с использованием технологии керамики с низкой температурой обжига (LTCC) с ориентацией на поверхностный монтаж (SMD технологии), являющимися в настоящее время одними из самых передовых.