МИКРОПОЛОСКОВЫЙ ФИЛЬТР ВЕРХНИХ ЧАСТОТ

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот и предназначена для использования в селективных трактах приемных и передающих систем.
Известна конструкция фильтра верхних частот (ФВЧ) на основе микрополоскового резонатора на квазисосредоточенных элементах, содержащего диэлектрическую подложку, одна поверхность которой полностью металлизирована и заземлена, а на вторую поверхность подложки нанесен полосковый металлический проводник, один конец которого соединен с заземленным основанием фильтра, а второй конец соединен с встречно-штыревыми полосковыми структурами, представляющими собой квазисосредоточенные емкости, к которым подключены входная и выходная линии передачи [Hong J.-S., Lancaster M.J. Microstrip filters for RF/microwave applications // John Wiley & Sons, Inc. - 2001. - P. 163-165]. К недостаткам данной конструкции ФВЧ можно отнести невысокую крутизну спада частотной характеристики, а также недостаточно протяженную полосу пропускания, что связано с паразитными резонансами встречно штыревой структуры.
Также известна конструкция микрополоскового резонатора и управляемого фазовращателя на его основе [Патент РФ №2431221, МПК Н01Р 1/19, опубл. 10.10.2011, Бюл. №28], состоящего из подложки, выполненной из магнитного диэлектрика, либо из слоев диэлектриков, на одну поверхность которой нанесено металлическое заземляемое основание, а на другую поверхность нанесен металлический полосковый проводник, соединенный одним своим концом с заземляемым основанием. Однако описанный резонатор реализован на основе магнитоуправляемой подложки и представляет собой устройство, которое предназначено исключительно для управления фазой СВЧ-сигналов в различной радиотехнической аппаратуре и не обладает характеристиками фильтра нижних частот.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и выполняемой функции аналогом является микрополосковый фильтр верхних частот [Hong J.-S., Lancaster M.J. Microstrip filters for RF/microwave applications // John Wiley & Sons, Inc. - 2001. - P. 168-169 (Прототип)]. Фильтр образован диэлектрической подложкой, одна поверхность которой полностью металлизирована и заземлена, а на вторую нанесен прямоугольный полосковый проводник, подключенный к внешним линиям передачи. К этому проводнику одним концом кондуктивно подключены расположенные ортогонально ему полосковые проводники, второй конец которых соединен с заземленным основанием фильтра. Такой фильтр имеет лучшую крутизну спада частотной характеристики и более широкую полосу пропускания по сравнению с первым аналогом.
Общим недостатком как первого, так и второго аналога является сложность конструкции. Кроме того, они характеризуются сравнительно невысоким уровнем предельной рабочей мощности из-за наличия узких проводников в местах расположения пучностей высокочастотного тока.
Техническим результатом полезной модели является увеличение предельной передаваемой мощности фильтра верхних частот и упрощение его конструкции.
Полезная модель поясняется чертежами: Фиг. 1 - конструкция заявляемого ФВЧ; Фиг. 2 - топология полосковых проводников заявляемого ФВЧ и его прототипа, Фиг. 3 - АЧХ заявляемого ФВЧ и его прототипа, Фиг. 4 - измеренная АЧХ прямых (точки) и обратных (штрихи) потерь заявляемого фильтра верхних частот.
Заявляемое устройство (Фиг. 1) содержит диэлектрическую подложку (1), одна поверхность которой полностью металлизирована (2) и является заземляемым основанием, а на другой поверхности расположен прямоугольный полосковый проводник (3), замкнутый одним своим широким краем с заземляемым основанием. К одному из его узких краев подключен вход, а к другому - выход.
Фильтр работает следующим образом. Вход и выход подключаются к проводнику в точках, расстояние от которых до заземленного края проводника 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. По существу, конструкция фильтра представляет собой прямоугольный металлический волновод с диэлектрическим заполнением в полосковом исполнении, одна из боковых стенок которого отсутствует. На низких частотах, где волновод является запредельным, т.е. на частотах ниже частоты отсечки, происходит практически полное отражение сигнала от входа устройства. На частотах выше частоты отсечки волновода возбуждаются бегущие волны как основного типа, так и высших мод колебаний, а сигнал практически без потерь проходит на выход.
На Фиг. 2а, б представлены топологии и конструктивные параметры заявляемого фильтра и фильтра прототипа соответственно. Для сравнения их частотных характеристик был произведен расчет обеих структур на одинаковых по занимаемой площади подложках с диэлектрической проницаемостью ε=80 и толщиной 1 мм. В обоих случаях подложки были помещены в металлический корпус-экран, где высота верхней стенки экрана над поверхностью подложки 5 мм.
На Фиг. 3 представлены рассчитанные АЧХ заявляемого фильтра (сплошная линия) и фильтра-прототипа (точки) для конструктивных параметров, указанных на Фиг. 2. Из приведенных рисунков видно, что заявляемая конструкция существенно проще, а кроме того селективные свойства фильтра на ее основе (крутизна спада частотной характеристики) выше при одинаковых габаритах.
Как известно, предельное значение уровня мощности, с которой могут работать полосковые устройства, определяется, в том числе, шириной полосковых проводников, на которые приходятся пучности высокочастотного тока. Заявляемая конструкция фильтра верхних частот фактически представляет собой отрезок волновода, работающего в режиме бегущей волны, и поэтому может работать при уровнях мощности сигнала значительно больших, чем фильтр прототип.
c
3
На Фиг. 4 приведены измеренные АЧХ заявляемого фильтра. Фильтр был выполнен на подложке с диэлектрической проницаемостью ε=80 и толщиной 1 мм; подложка размещалась в металлическом корпусе-экране, при этом высота верхней стенки экрана над поверхностью подложки составляла 5 мм; длина и ширина полоскового проводника резонатора L=21 мм и W=3 мм соответственно. Настройка фильтра по уровню КСВ в полосе пропускания осуществлялась выбором точек кондуктивного подключения внешних линий передачи L=2.5 мм. Внутренние размеры корпуса - 27×5×6 мм.
Таким образом, заявляемый фильтр верхних частот не только значительно проще по конструкции в сравнении с аналогами, но и имеет более высокую крутизну спада частотной характеристики, а также способен работать с сигналами более высокой мощности.