Микрополосковый широкополосный фильтр
MICROSTRIP BROADBAND FILTER

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано в селективных трактах приемных и передающих систем.
Известен полосно-пропускающий фильтр (Патент РФ №2480867, Н01Р 1/203), содержащий диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое металлизированное основание, а на вторую сторону нанесен полосковый проводник, частично расщепленный продольной щелью с одного конца. Относительная длина нерасщепленного участка двухмодового резонатора составляет от 16% до 65% его длины. Полосно-пропускающий фильтр, состоящий из одного двухмодового шпилькового микрополоскового резонатора, работает следующим образом. Он имеет две низкочастотные моды колебаний, одна из которых четная, а другая - нечетная. Для четной моды колебаний токи на расщепленном участке проводника по обе стороны щели текут в одном направлении и продолжают течь на нерасщепленном участке. Для нечетной моды токи на расщепленном участке текут в противоположных направлениях и отсутствуют на нерасщепленном участке.
Недостатком описанного полосно-пропускающего фильтра является использование малого числа (двух) мод колебаний резонатора, являющегося частично расщепленным полосковым проводником на диэлектрической подложке, что ограничивает возможности на улучшение его частотно-селективных свойств, а также их ухудшение при реализации широкой относительной полосы пропускания.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является микрополосковый широкополосный полосно-пропускающий фильтр (Патент РФ №2504870, Н01Р 1/203), содержащий диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземленное основание, а на вторую сторону параллельно друг другу нанесены прямолинейные полосковые проводники резонаторов, и дополнительные полосковые проводники, боковые стороны которых соединены с соседствующими резонаторами, причем проводники наружных резонаторов одним концом короткозамкнуты, а дополнительные полосковые проводники разомкнуты. Фильтр работает следующим образом. Входная и выходная линии передачи подключаются к проводникам, 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.
К недостаткам прототипа относятся не слишком широкая рабочая полоса пропускания и невысокие частотно-селективные свойства фильтра, обусловленные слабой крутизной низкочастотного склона полосы пропускания и сравнительно узкой высокочастотной полосой заграждения.
Задачей изобретения является расширение рабочей полосы пропускания и улучшение частотно-селективных свойств микрополоскового широкополосного полосно-пропускающего фильтра.
Указанная задача решается благодаря тому, что в микрополосковом широкополосном фильтре, содержащем диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую - нанесены полосковые проводники, электромагнитно связанные между собой, согласно изобретению узкие и широкие прямоугольные полосковые проводники соединены друг с другом в форме нерегулярного меандра, его крайние узкие проводники со стороны свободных концов заземлены на основание, входной и выходной порты фильтра подключаются кондуктивно к крайним широким проводникам меандра через отрезки микрополосковых линий со скачком волнового сопротивления.
Техническим результатом изобретения является расширение полосы рабочих частот и улучшение частотно-селективных свойств фильтра за счет заявляемого расположения полосковых проводников на диэлектрической подложке.
21
11
Изобретение поясняется чертежами: Фиг. 1 - устройство заявляемого микрополоскового широкополосного фильтра; Фиг. 2 - измеренные амплитудно-частотные характеристики (S, S) изготовленного фильтра.
Заявляемый микрополосковый широкополосный фильтр (Фиг. 1) содержит диэлектрическую подложку 7, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую - нанесены обладающие осевой симметрией полосковые проводники 2-12, соединенные друг с другом, а также связанные между собой электромагнитно. Полосковые проводники представляют собой отрезки микрополосковых линий. Прямоугольные узкие 2, 4, 6, 8 и широкие 3, 5, 7 полосковые проводники имеют форму «нерегулярного меандра», его крайние узкие проводники 2 со стороны свободных концов заземлены на основание. Входной и выходной порты фильтра подключены кондуктивно к крайним широким проводникам 3 меандра через четыре последовательно соединенных прямоугольных проводника 9-12, причем проводники 9, 11, 12 - узкие, а проводники 10 - широкие, благодаря этому возникает скачок волнового сопротивления отрезков микрополосковых линий.
Принцип действия микрополоскового широкополосного фильтра заключается в следующем. Нерегулярный меандр представляет собой соединенные чередующиеся узкие и широкие полосковые проводники различной длины и ширины, расположенные на диэлектрической подложке, что позволяет реализовать большой скачок волновых сопротивлений отрезков линий передачи. Так как крайние узкие проводники 2 меандра заземлены на основание, он является четвертьволновым резонатором, который, благодаря сворачиванию проводника и его топологии, имеет пять нижайших мод колебаний, резонансные частоты которых участвуют в формировании рабочей полосы пропускания. При этом значительное расширение полосы пропускания достигается благодаря «расталкиванию» резонансов этих мод колебаний за счет сильного взаимодействия. Если необходимо, количество таких резонансов несложно как увеличить, так и уменьшить, наращивая или понижая число периодов меандра соответственно. Например, при использовании меандра, состоящего из полосковых проводников 2-5, от него на частоты полосы пропускания попадают частоты только трех резонансов.
Дополнительно полосу пропускания устройства формируют два резонанса от прямоугольных проводников 9-12, которые также облегчают согласование широкополосного фильтра, кондуктивно подключаемого к 50 Ω входному и выходному портам. При реализации фильтра на подложках с низкой диэлектрической проницаемостью крайний широкий проводник 3 меандра кондуктивно подключается к портам.
В результате конструктивных особенностей используемых полосковых проводников существенно расширяется рабочая полоса пропускания фильтра, которая формируется семью резонансами (Фиг. 2), также на амплитудно-частотной характеристике наблюдается рост крутизны низкочастотного склона полосы пропускания и расширение высокочастотной полосы заграждения.
Значительному усилению подавления мощности на частотах высокочастотной полосы заграждения способствуют расположенные рядом по частотам на амплитудно-частотной характеристике (Фиг. 2) несколько полюсов затухания СВЧ-мощности, пара из которых возникает благодаря сильной связи между отрезками линий 10 и 7. Происхождение полюсов затухания мощности связано с тем, что на этих частотах емкостная и индуктивная связи отрезков линий взаимно компенсируют друг друга. Расширение высокочастотной полосы заграждения обусловлено большим скачком волновых сопротивлений отрезков линий передачи.
Пример выполнения
2
Фильтр был изготовлен на подложке из традиционного материала СВЧ-техники (керамика «ТБНС») толщиной 1 мм с диэлектрической проницаемостью ε=80. Длина и ширина полосковых проводников фильтра в мм: (2) - 5.8×0.6; (3) - 15.7×2.6; (4) - 1.9×0.1; (5) - 8.8×3.8; (6) - 14.1×0.1; (7) - 2.5×2.0; (8) - 2.5×0.1; (9) - 6.8×0.1; (10)- 4.3×1.6; (11) - 9.5×0.2; (12) - 5.6×0.1. Зазор между 3 и 11 проводниками 1.2 мм. Площадь подложки, с учетом отступа 1 мм от трех ее краев до проводников, составила 31.3×23.9 мм.
21
11
0
min
0
Амплитудно-частотные характеристики прямых и обратных потерь (потерь на прохождение S и на отражение S) заявляемого микрополоскового широкополосного фильтра, снятые в широкой полосе частот, показаны на Фиг. 2. Фильтр имеет относительную ширину полосы пропускания Δƒ/ƒ≈95%, измеренную по уровню -3 дБ от уровня минимальных потерь, которые составляли величину L≈0.8 дБ на центральной частоте полосы пропускания ƒ≈0.45 ГГц. Преимуществами такого широкополосного фильтра являются наблюдаемые на амплитудно-частотной характеристике четыре полюса затухания мощности, один из которых расположен рядом с высокочастотным склоном рабочей полосы пропускания и способствует росту крутизны этого склона. Кроме того, все полюса затухания значительно усиливают подавление СВЧ-мощности на частотах высокочастотной полосы заграждения фильтра, и тем самым улучшают его частотно-селективные свойства.
Таким образом, заявляемое устройство с улучшенными частотно-селективными свойствами имеет более широкую рабочую полосу пропускания с крутым низкочастотным склоном, а также расширенную высокочастотную полосу заграждения.