ПОЛОСКОВЫЙ ФИЛЬТР
STRIP-LINE FILTER

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для частотной селекции сигналов, например, в приемо-передающих системах.
Известна конструкция полосно-пропускающего фильтра [А.А.Александровский, Б.А.Беляев, А.А.Лексиков // Радиотехника и электроника. Том 48, №4, 2003 г. Стр.398-405]. Фильтр содержит микрополосковые резонаторы, имеющие форму шпильки. Для увеличения крутизны склонов амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в резонаторы добавлены нерегулярные шлейфы, благодаря которым можно сформировать полюса затухания на заданных частотах.
Недостатком фильтра является большая площадь подложки, особенно при реализации узкополосных фильтров. В этом случае необходимо обеспечить малую величину связи между резонаторами и, следовательно, требуется существенное увеличение расстояния между ними. Кроме того, такой фильтр достаточно сложен в настройке.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является полосно-пропускающий фильтр [Патент РФ №2237320, МПК 7 Н01Р 1/203, опубл. 27.09.2004, Бюл. №27 (Прототип)]. Фильтр содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесены закороченные с одного конца полосковые проводники, а на вторую сторону подложки вместо заземляемого основания также нанесены закороченные с одного конца полосковые проводники, причем проводники, образующие каждый из резонаторов фильтра, расположены на разных поверхностях подложки и закорочены противоположными концами. Фильтр такой конструкции имеет меньшую длину проводников по сравнению с первым аналогом, а значит и размеры.
Однако в случае узкополосных устройств, приходится значительно увеличивать расстояния между резонаторами, а тем самым и размеры фильтра, вследствие чего утрачивается вышеуказанное преимущество. Кроме того, в узкополосном фильтре такой конструкции полюса затухания находятся относительно далеко от полосы пропускания, поэтому крутизна склонов полосы пропускания устройства (селективность) сравнительно невелика.
Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритных размеров и улучшение частотно-селективных свойств фильтра.
Указанный технический результат достигается тем, что в полосковом фильтре, содержащем подвешенную между экранами диэлектрическую подложку, на обе поверхности которой нанесены короткозамкнутые с одного конца полосковые проводники, новым является то, что проводники короткозамкнуты на экран смежными концами.
Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что проводники, образующие резонатор, короткозамкнуты на экран смежными концами, т.е. на одном краю подложки. Это отличие позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами: Фиг.1 и Фиг.2 - конструкция конкретной реализации предлагаемого полоскового фильтра на подвешенной диэлектрической подложке. Фиг.3 - зависимость коэффициента связи пары резонаторов от расстояния между их полосковыми проводниками в предлагаемом фильтре (сплошная линия) и фильтре-прототипе (штриховая линия). Фиг.4 - расчетные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) предлагаемого фильтра и ближайшего аналога, Фиг.5 - экспериментальные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) потерь на прохождение четырехзвенного полосно-пропускающего фильтра заявляемой конструкции, Фиг.6 - вариант выполнения фильтра без экрана для применения в гибридных интегральных схемах СВЧ.
Заявляемое устройство (Фиг.1) содержит диэлектрическую подложку 1, подвешенную между двумя экранами, на обе поверхности которой нанесены полосковые металлические проводники 2, соединенные с одного конца с экраном и электромагнитно связанные между собой. Пара полосковых проводников, располагающихся на разных поверхностях подложки, образует полосковый резонатор, причем проводники резонатора могут быть, например, прямоугольными идентичными по форме и располагаться строго друг над другом.
На Фиг.2 изображен разрез конструкции вдоль полосковых проводников, поясняющий способ крепления подложки. Здесь 1 - подложка, 2 - полосковые проводники, 3 - стенки корпуса с пазами для крепления подложки, 4 - пайка.
L
C
e
0
Как известно, относительная ширина полосы пропускания полосковых и микрополосковых фильтров пропорциональна коэффициентам связи образующих их резонаторов. Для любой отдельно взятой пары соседних резонаторов такой коэффициент связи k можно вычислить, зная либо коэффициенты индуктивного k и емкостного k взаимодействия резонаторов, либо собственные частоты их связанных колебаний - четных ω и нечетных ω:
.
В предлагаемой конструкции полоскового фильтра величина коэффициента связи резонаторов на резонансных частотах оказывается существенно меньше по сравнению с ближайшим аналогом, при прочих равных условиях. На Фиг.3 изображена зависимость коэффициента связи k пары резонаторов от расстояния S между их полосковыми проводниками в фильтре предлагаемой конструкции (сплошная линия) и в устройстве-прототипе (штриховая линия). Расчет сделан для следующих конструктивных параметров: диэлектрическая проницаемость подложки ε=80, толщина подложки 1 мм, расстояние от поверхности подложки до экрана 4 мм, ширина полосковых проводников 2 мм. Видно, что в фильтре заявляемой конструкции взаимодействие между резонаторами существенно меньше по сравнению с прототипом при одних и тех же расстояниях между проводниками. Следовательно, расстояние между резонаторами в узкополосном фильтре заявляемой конструкции будет в несколько раз меньшим по сравнению с фильтром-прототипом, а значит, меньшими будут и габариты. Малая величина взаимодействия между резонаторами заявляемого фильтра объясняется тем, что их коэффициенты емкостной и индуктивной связи имеют разные знаки, а также тем, что сами эти коэффициенты малы в силу вычитания индуктивных взаимодействий пар полосковых проводников, расположенных на одной и на разных поверхностях подложки, аналогично емкостным взаимодействиям.
0
0
На Фиг.4 приведены расчетные АЧХ четырехрезонаторного фильтра заявляемой конструкции (сплошная линия) и четырехрезонаторного фильтра-прототипа (штриховая линия). Оба фильтра имеют центральную частоту полосы пропускания f=500 МГц и относительную ширину полосы пропускания по уровню - 3 дБ Δf/f=2%.
1
2
1
2
2
2
При этом были одинаковыми для обоих фильтров диэлектрическая проницаемость подложки ε=80, толщина подложки 1 мм, расстояние от поверхности подложки до экрана 4 мм и ширина полосковых проводников 2 мм. Расстояния между резонаторами в предлагаемом фильтре составили S=1.5 мм, S=2 мм, тогда как в прототипе эти размеры были S=7.5 мм, S=8.5 мм. Общая площадь подложки фильтра-прототипа составила 12.5×31.5 мм, а площадь подложки заявляемого фильтра 19.5×13 мм, что в полтора раза меньше. На фиг.4 также приведены в одном масштабе для сравнения габариты подложек заявляемого фильтра и ближайшего аналога.
Важное достоинство предлагаемой конструкции - наличие на АЧХ двух полюсов затухания вблизи полосы пропускания, которые обеспечивают более высокую крутизну склонов по сравнению с обычными полосковыми и микрополосковыми фильтрами, при этом высокая симметрия частотного положения полюсов относительно центра полосы пропускания наблюдается практически при любых конструктивных параметрах устройства. Следует отметить, что данные полюса затухания присутствуют на АЧХ только при подключении внешних линий передачи к проводникам, находящимся на разных сторонах подложки (Фиг.1). Проведенные исследования показали, что при расстоянии между резонаторами большем, чем толщина подложки, и достаточно больших значениях е, емкостное взаимодействие резонаторов в исследуемой конструкции практически отсутствует. Это и объясняет высокую симметричность склонов АЧХ.
Фильтр работает следующим образом. Входная и выходная линии передачи подключаются к проводникам внешних резонаторов. Причем проводники, к которым подключаются входная и выходная линии передачи, расположены на разных поверхностях подложки. 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.
На Фиг.5 представлены измеренные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) изготовленного четырехрезонаторного фильтра (сплошная линия). Топология проводников устройства предварительно была получена ручным параметрическим синтезом с использованием численного анализа трехмерной модели конструкции.
0
0
1
2
2
Фильтр был изготовлен на подложке с диэлектрической проницаемостью ε=80, толщиной 0.5 мм и высотой экрана от поверхности подложки 5.5 мм. Центральная частота полосы пропускания f≈2.2 ГГц при ее относительной ширине Δf/f≈8%. Площадь подложки фильтра всего 4.5×16.3 мм. Остальные конструктивные параметры были следующими: ширина проводников 3 мм, их длина 4 мм, расстояние между проводниками внешних резонаторов S=1 мм и внутренних S=1.25 мм.
На фиг.5 приведена АЧХ фильтра без экранирующего корпуса (точки). Видно, что корпус оказывает незначительное влияние на положение и ширину полосы пропускания, однако без него затухание в полосах заграждения существенно больше. Слабое влияние экрана на АЧХ вблизи полосы пропускания говорит о более высокой концентрации электромагнитного поля внутри резонаторов фильтра, по сравнению с полосковыми резонаторами других конструкций. Это позволяет в некоторых случаях отказаться от экранирования фильтра и использовать его в качестве дискретного элемента гибридных интегральных схем СВЧ (Фиг.6). При этом сам фильтр 1 может устанавливаться вертикально относительно металлического основания схемы 2, что значительно уменьшает занимаемую им площадь.