ПОЛОСКОВЫЙ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР
STRIP-LINE BANDPASS FILTER

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может использоваться в селективных трактах приемных и передающих систем.
Известна конструкция фильтра на основе полоскового резонатора, содержащего подвешенную между экранами диэлектрическую подложку, на одну поверхность которой нанесен полосковый металлический проводник и на вторую поверхность подложки также нанесен полосковый металлический проводник, идентичный по форме и расположению проводнику на первой поверхности [Патент РФ №2352032, МПК H01P/203, H01P/205, опубл. 10.04.2009, Бюл. №10]. Недостатком является большая площадь подложки таких устройств при реализации узкополосных фильтров, особенно в дециметровом диапазоне длин волн. Это связано как с тем, что на низких частотах размеры резонаторов становятся большими, так и с тем, что требуется существенное увеличение расстояния между резонаторами для обеспечения малой величины связи между ними.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является резонатор и полосно-пропускающий фильтр на его основе [Б.А.Беляев, Я.Ф.Бальва, А.А.Лексиков, A.M.Сержантов, Ф.Г.Сухин // Известия ВУЗов. Физика. Том 51, №9/2, 2008 г. Стр.146 (прототип)]. Резонатор образован тремя параллельными полосковыми проводниками одинаковой ширины. Первый проводник расположен на верхней стороне подвешенной между экранами подложки и не имеет контакта с металлическим корпусом, а два других, одинаковой длины, расположены точно под первым проводником на нижней стороне подложки и соединены с экраном противоположными концами на торцах подложки. Размеры такого резонатора существенно меньше, чем у первого аналога, однако узкополосные фильтры на основе данной конструкции имеют также большие размеры подложки из-за большого расстояния между резонаторами, необходимого для реализации слабого взаимодействия.
Кроме того, общим недостатком как первого, так и второго аналога является то, что в узкополосных фильтрах на основе таких конструкций полюса затухания или отсутствуют, или находятся далеко относительно полосы пропускания, поэтому крутизна склонов полосы пропускания устройств, характеризующая селективность, сравнительно невелика.
Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритных размеров узкополосных полосно-пропускающих фильтров и улучшение их селективных свойств.
Указанный технический результат достигается тем, что в полосковом полосно-пропускающем фильтре, содержащем подвешенную между экранами диэлектрическую подложку, на одну поверхность которой нанесен полосковый металлический проводник, разомкнутый на концах, а на вторую поверхность нанесены два других проводника одинаковой длины, соединенные с корпусом, новым является то, что полосковый металлический проводник, разомкнутый на концах, выполнен в виде шпильки и под его центральной частью на второй поверхности подложки нанесен дополнительный полосковый проводник, замкнутый с одного конца на экран.
Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что разомкнутый на концах полосковый проводник выполнен в форме шпильки и под его серединой на второй стороне подложки расположен дополнительный полосковый проводник, замкнутый на экран с одного конца. Эти отличия позволяют 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».
1
2
Изобретение поясняется чертежами: Фиг.1 - конструкция заявляемого полоскового фильтра на подвешенной диэлектрической подложке, Фиг.2 - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) заявляемого резонатора для случая слабой емкостной связи с фидерными линиями, Фиг.3 - распределения высокочастотного тока в полосковых проводниках для первой f и второй f моды колебаний, Фиг.4 - измеренная АЧХ однорезонаторного полосно-пропускающего фильтра заявляемой конструкции, Фиг.5 - конструкция двухрезонаторного полосно-пропускающего фильтра заявляемой конструкции, Фиг.6 - АЧХ предлагаемого двухрезонаторного полосно-пропускающего фильтра.
Заявляемое устройство (Фиг.1) содержит диэлектрическую подложку (1), подвешенную между двумя экранами (не показаны), на обе поверхности которой нанесены полосковые металлические проводники (2-4), электромагнитно связанные между собой. Проводник (2) разомкнут на концах и выполнен в виде шпильки на одной поверхности подложки, а проводники (5) расположены на второй поверхности подложки под разомкнутыми концами проводника (2) и замкнуты на экран смежными концами с одного края подложки. Кроме того, под центральной частью проводника (2) на второй поверхности подложки расположен дополнительный проводник (4), замкнутый на экран одним концом.
Как известно, одной из трудностей создания миниатюрных узкополосных полосковых фильтров является необходимость существенного увеличения расстояния между их резонаторами, так как только в этом случае удается обеспечить малый коэффициент их связи, которому пропорциональна относительная ширина полосы пропускания фильтра. Предлагаемая конструкция фильтра позволяет в значительной степени снять это ограничение за счет использования двумодового режима работы резонатора, при котором рабочими являются резонансы первых двух мод колебаний, частоты которых могут быть сближены до любого предела для формирования полосы пропускания.
Фильтр работает следующим образом. Благодаря наличию дополнительного проводника (4) под центральной частью разомкнутого на концах шпилькового полоскового проводника, там, где находится пучность электрического поля для второй моды, удается значительно понизить собственную частоту второй моды заявляемого резонатора, приблизив ее к частоте первой моды колебаний, и, таким образом, реализовать двухзвенный фильтр на одном двухмодовом резонаторе. Так как заявляемая конструкция дает возможность сблизить частоты мод вплоть до их совпадения, то это позволяет реализовать узкие полосы пропускания при небольших габаритах устройства. Входная и выходная линии передачи подключаются к проводникам, как показан на Фиг.1, 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.
d
3
4
a
1
2
1
2
1
2
На Фиг.2 представлена рассчитанная АЧХ заявляемого фильтра при его слабой емкостной связи с входной и выходной фидерной линией. Расчет произведен при следующих параметрах полосковой структуры: диэлектрическая проницаемость подложки ε=80, ее толщина h=0.5 мм, ширина всех полосковых проводников w=1.5 мм, длина полосковых проводников (3) равнялась l=3 мм, проводника (4) l=2.75 мм, высота «шпильки» 6.5 мм, зазор внутри нее 1.5 мм, расстояние от верхней и нижней поверхности подложки до экрана h=2.25 мм. Резонансные частоты двух мод колебаний при этих параметрах стоят не слишком близко друг к другу для их более четкой идентификации. Здесь и далее материал проводников медь толщиной 20 мкм. Из представленной АЧХ видно, что заявляемый фильтр имеет две резонансные частоты f и f, расположенные недалеко друг от друга и соответствующие первой (полуволновой) и второй (одноволновой) моде колебаний. Данный факт подтверждается Фиг.3, где представлено рассчитанное распределение плотности высокочастотного тока в полосковом проводнике, имеющем форму шпильки, для частот f и f. Здесь более светлые области соответствуют большей плотности тока, а длина стрелок соответствует амплитуде тока. Видно, что на частоте f наблюдается одна пучность тока вдоль шпилькового полоскового проводника, что соответствует полуволновому колебанию, а на частоте f наблюдается уже две пучности тока, что соответствует одноволновой моде колебаний.
0
0
min
3
4
a
На Фиг.4 представлена экспериментальная АЧХ потерь на прохождение полосно-пропускающего фильтра заявляемой конструкции, показанной на Фиг.1. Фильтр имеет относительную ширину полосы пропускания Δf/f=1% (по уровню - 0.5 дБ) с центральной частотой f≈1.45 ГГЦ. Минимальные потери в полосе пропускания составили L=2.2 дБ. Фильтр выполнен на подложке толщиной 0.5 мм, имеющей диэлектрическую проницаемость ε=80. Остальные конструктивные параметры были следующими: ширина всех полосковых проводников w=1.5 мм, длина полосковых проводников (3) равнялась l=3.25 мм, проводника (4) l=4 мм, высота «шпильки» 6.5 мм, зазор внутри нее 1.5 мм, расстояние от верхней и нижней поверхности подложки до экрана h=2.25 мм. Видно, что на АЧХ фильтра симметрично относительно полосы пропускания расположены полюса затухания, значительно улучшающие селективные свойства фильтра. Фильтр имеет протяженную полосу заграждения (около двух октав) и сравнительно большую (для однорезонаторной конструкции) величину подавления за пределами полосы пропускания.
0
0
min
3
4
a
Как известно, одним из основных способов улучшения селективности фильтров является увеличение количества резонаторов в них. На Фиг.5 представлен двухрезонаторный фильтр заявляемой конструкции, а на Фиг.6 его расчетная АЧХ потерь на прохождение. Фильтр имеет относительную ширину полосы пропускания Δf/f=2% (по уровню - 0.5 дБ) с центральной частотой f≈1.92 ГГц. Минимальные потери в полосе пропускания составили L=2.6 дБ. Фильтр был рассчитан для подложки толщиной 0.5 мм, имеющей диэлектрическую проницаемость ε=80. Остальные конструктивные параметры были следующими: ширина всех полосковых проводников w=1 мм, длина полосковых проводников (3) равнялась l=3.1 мм, проводника (4) l=2.5 мм, высота «шпильки» 5 мм, зазор внутри нее 1 мм, расстояние от верхней и нижней поверхности подложки до экрана h=2.1 мм. Расстояние между резонаторами в таком двухрезонаторном фильтре составило S=4.8 мм.
3
3
На вставке Фиг.6 в более узком частотном диапазоне кроме АЧХ прямых потерь (сплошная линия) приведена АЧХ потерь на отражение (точки) двухрезонаторного фильтра заявляемой конструкции. Видно, что на АЧХ потерь на отражение наблюдается четыре минимума, соответствующие резонансам четырех мод колебаний (по две от каждого резонатора). Таким образом, заявляемый фильтр, состоящий из пары двхмодовых резонаторов, имеет характеристику четырехзвенного фильтра. Важным достоинством конструкции является высокая симметрия склонов полосы пропускания и их высокая крутизна, которая объясняется наличием двух полюсов затухания. Для сравнения здесь же приведена АЧХ четырехрезонаторного фильтра прототипа (штриховая линия), рассчитанная при такой же ширине полосковых проводников, высоте экрана, толщине подложки и ее диэлектрической проницаемости. При этом габариты заявляемого фильтра составили 12.8×6×4.7 мм, а габариты фильтра прототипа 22.2×6×4.7 мм, что почти в два раза больше.
Таким образом, узкополосные фильтры на основе заявляемой конструкции не только имеют значительно меньшие размеры по сравнению с аналогами, но и существенно лучшие частотно-селективные свойства за счет наличия полюсов затухания вблизи полосы пропускания. Эти полюса затухания обеспечивают более высокую крутизну склонов по сравнению с традиционными конструкциями полосковых и микрополосковых фильтров, что позволяет использовать их в современных системах связи, радиолокации, а также в измерительной аппаратуре.