МИНИАТЮРНЫЙ ПОЛОСКОВЫЙ РЕЗОНАТОР
MINIATURE STRIP-LINE RESONATOR

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для создания задающих цепей генераторов, частотно-селективных устройств СВЧ и др.
Известна конструкция полоскового резонатора на многослойной подвешенной между экранами подложке [патент РФ №2352032, МПК Н01Р 1/203, опубл. 10.04.2010, Бюл. №10 (Аналог)]. Полосковый резонатор реализован на основе многослойной подложки, содержащей полосковые проводники, идентичные по форме и расположению и разделенные диэлектрическими слоями. Такой резонатор за счет уменьшения потерь в нем позволяет увеличить собственную добротность.
Недостатком такого резонатора являются сравнительно большие размеры, особенно в метровом диапазоне длин волн.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является полосковый резонатор, на основе которого реализован перестраиваемый попоено-пропускающий фильтр [A.R.Brown, G.M.Rebeiz. A varactor-tuned RF filter // IEEE Trans. on MTT. - 2000. - Vol.48, №7. - p.1157-1160]. Резонатор выполнен на подвешенной между экранами диэлектрической подложке, на одну сторону которой нанесен короткозамкнутый на экран с одного конца полосковый проводник.
Недостатками такой конструкции резонатора являются большие размеры и сравнительно невысокая добротность в метровом диапазоне длин волн, что затрудняет разработку миниатюрных частотно-селективные устройств в этом диапазоне на основе планарных технологий.
Техническим результатом изобретения является уменьшение размеров полоскового резонатора и увеличение его собственной добротности.
Указанный технический результат достигается тем, что в полосковом резонаторе, содержащем подвешенную между экранами диэлектрическую подложку, на одну поверхность которой нанесен короткозамкнутый с одного конца полосковый металлический проводник, новым является то, что над первым полосковым проводником расположены идентичные первому по форме и размерам металлические полосковые проводники, разделенные тонкими диэлектрическими слоями, причем названные полосковые проводники с нечетными номерами одним концом коротко-замкнуты с той же стороны подложки, что и первый полосковый проводник, а с четными номерами - с противоположной стороны подложки.
Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что над первым проводником через тонкие диэлектрические слои расположены идентичные по форме и размерам металлические полосковые проводники, причем проводники с нечетными номерами одним концом замкнуты на экран с той же стороны подложки, что и первый проводник, а проводники с четными номерами замкнуты одним концом на экран с противоположной стороны подложки. 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».
Изобретение поясняется чертежами: Фиг.1 представляет конструкцию конкретной реализации предлагаемого полоскового резонатора на подвешенной диэлектрической подложке, Фиг.2 - зависимость частоты первого резонанса заявляемого резонатора от числа его проводников, Фиг.3 - зависимость собственной добротности полоскового резонатора от числа его проводников; Фиг.4 - экспериментальные резонансные кривые двух изготовленных резонаторов с числом проводников N=2 и N=4; Фиг.5 - расчетные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) потерь на прохождение двухзвенного полосно-пропускающего фильтра на основе заявляемого резонатора.
Заявляемое устройство (Фиг.1) содержит диэлектрическую подложку 1, подвешенную между двумя экранами в металлическом корпусе 2, на одну поверхность которой нанесены полосковые металлические проводники 3, электромагнитно связанные между собой и разделенные тонкими диэлектрическими слоями 4. Проводники могут иметь, например, форму прямоугольника. Совокупность всех металлических полосковых проводников, разделенных диэлектрическими слоями, вместе с корпусом образует полосковый резонатор. Следует отметить, что форма проводников, из которых образованы полосковые резонаторы (в рассмотренном случае прямоугольная), может быть любой.
Известно, что значение собственной добротности полосковых резонаторов на практике в метровом диапазоне длин волн обычно не превышает двух сотен, причем она уменьшается с понижением частоты. Это обусловлено несколькими факторами, главными из которых являются малая толщина проводников по сравнению с глубиной скин-слоя, конечная проводимость металла, из которого изготовляются полосковые проводники, и неравномерное распределение токов в поперечном сечении проводников. При этом в метровом диапазоне длин волн зачастую недостаточной становится не только добротность, но неприемлемы большие размеры традиционных полосковых резонаторов.
Заявляемая конструкция позволяет значительно уменьшить размеры и повысить собственную добротность полоскового резонатора, что, в свою очередь, позволяет уменьшить габариты и улучшить характеристики устройств на его основе.
Резонатор работает следующим образом. На нижайшей резонансной частоте конструкции, когда на длине каждого полоскового проводника укладывается четверть длины волны электромагнитного колебания, все проводники в резонаторе имеют одинаковое распределение высокочастотных токов и напряжений по их длине, т.е. ток в резонаторе поровну делится на все проводники. В результате уменьшаются джоулевы потери в резонаторе, и, соответственно, возрастает его собственная добротность. При этом за счет сильной электромагнитной связи проводников величина индуктивности колебательной системы в заявляемом резонаторе значительно больше, чем у традиционных конструкций полосковых резонаторов, что приводит к существенному уменьшению его длины для фиксированной частоты. Важно отметить, что даже при большом количестве проводников общая толщина многослойного резонатора может быть достаточно малой (сотни микрометров) и, следовательно, не оказывать заметного влияния на общие габариты.
0
0
3
На Фиг.2 и 3 представлены рассчитанные зависимости резонансной частоты f заявляемого полоскового резонатора и его собственной добротности Q от числа полосковых проводников N. Толщина подложки из кварца (ε=3.7), на которой располагались проводники, была равна 1 мм, ширина проводников составляла w=2 мм, а толщина диэлектрических слоев 10 мкм при их диэлектрической проницаемости ε=10. Такая толщина диэлектрического слоя, например, из моноокиси кремния SiO часто является оптимальной с технологической точки зрения. Длина проводников равнялась 20 мм, расстояние от верхней и нижней поверхности подложки до экрана 5 мм. Здесь и далее материал проводников медь толщиной 10 мкм. Внутренние размеры корпуса резонатора составили 20×11×8 мм. Видно, что с увеличением числа проводников собственная добротность полоскового резонатора растет, а резонансная частота понижается. Это означает, что при увеличении числа проводников заявляемого резонатора при фиксированной его резонансной частоте размеры будут существенно уменьшаться, а добротность существенно возрастать. Электродинамический расчет показал, что однопроводниковый резонатор-прототип при тех же конструктивных параметрах и такой же резонансной частоте должен иметь длину примерно на два порядка большую, а его добротность при этом не будет превышать 100.
0
0
0
3
3
Для подтверждения заявляемого технического результата были изготовлены два полосковых резонатора с числом проводников N=2 и N=4 на подложке из кварца толщиной 0.4 мм. Резонаторы имели одинаковые конструктивные параметры: ширина медных полосковых проводников w=3 мм, их толщина 10 мкм, расстояние от верхней и нижней поверхности подложки до экрана 4 мм, толщина диэлектрических слоев из фторопласта между проводниками 125 мкм, их диэлектрическая проницаемость ε=2.8. На Фиг.4 представлены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) потерь на прохождение изготовленных резонаторов при их слабой связи с линиями передачи. Здесь же на вставках даны внутренние размеры корпуса изготовленных резонаторов. Резонаторы имели одинаковую резонансную частоту f≈300 МГц и отличались только длиной: длина резонатора с числом проводников N=2 составила 35 мм при измеренной добротности Q≈150 и внутренних габаритах 35×15×8.5 мм, а длина резонатора с числом проводников N=4 составила 23 мм при измеренной добротности Q≈90 и внутренних габаритах 23×15×8.5 мм.
Таким образом, увеличение числа проводников, из которых образован резонатор, приводит к существенному уменьшению его размеров и увеличению собственной добротности при фиксированной резонансной частоте.
3
0
0
На Фиг.5 представлены рассчитанные амплитудно-частотные характеристики потерь на прохождение двухзвенного полосно-пропускающего фильтра на основе полосковых резонаторов предложенной конструкции с числом проводников в каждом резонаторе N=2 (точки) и N=10 (сплошная линия). Фильтры имеют одинаковую относительную ширину полосы пропускания Δf/f=2% (по уровню - 3 дБ) с центральной частотой f=90 МГц и уровнем отражения СВЧ-мощности в полосе пропускания КСВ=1.5. Конструктивные параметры обоих фильтров за исключением длины резонаторов были одинаковыми: ширина полосковых проводников 2 мм, расстояние между резонаторами 11 мм, расстояние от верхней и нижней поверхности подложки до экрана 5 мм. Диэлектрическая проницаемость слоев составляла ε=10 при их толщине 10 мкм.
Видно, что предложенный в изобретении подход позволяет существенно повысить миниатюрность и уменьшить прямые потери в полосе пропускания фильтра. Так для первого фильтра, у которого резонаторы имели число проводников N=2, их длина составила 20 мм, в то время как для второго фильтра длина резонаторов с числом проводников N=10 составила 8 мм. Таким образом, при увеличении числа проводников в резонаторе от N=2 до N=10 их длина уменьшилась в 2.5 раза при прочих равных условиях. При этом величина минимальных потерь в полосе пропускания уменьшилась с 2.6 дБ до 1 дБ. Важно отметить, что применение бóльшего количества проводников в резонаторе приведет к значительно большему эффекту в уменьшении размеров и повышении добротности.
Благодаря использованию предложенного подхода для создания полосковых резонаторов достигается их более высокая миниатюрность и собственная добротность. Важным преимуществом изобретения является то, что заявляемый резонатор может изготавливаться по интегральной технологии. Предлагаемый подход может быть использован для создания высокодобротных резонаторов для задающих цепей генераторов и узкополосных полосно-пропускающих фильтров, имеющих малые вносимые потери, для систем радиолокации, радионавигации и связи.