Полосно-пропускающие СВЧ фильтры производства НПФ «Микран»

Полосно-пропускающие СВЧ-фильтры

производства НПФ «Микран»

Максим ШЕВЛЯКОВ Алексей КОНДРАТЕНКО

alkon@micran.ru

Представлен краткий обзор полосно-пропускающих фильтров (ППФ) СВЧ, разработанных и производимых в ЗАО «НПФ Микран» (г. Томск). На качественном уровне рассмотрены их основные достоинства и недостатки с точки зрения электрических характеристик и массо-габаритных показателей. Приведены примеры топологической и конструктивной реализации.

Научно-производственная фирма «Микран» образована в апреле 1991 г. сотрудниками лаборатории СВЧ-уси-лителей Томского университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР). Одним из основных направлений деятельности фирмы является исследование, разработка и производство модулей и узлов СВЧ-ди-апазона, в том числе и частотно-селективных устройств.

Частотно-селективные устройства являются неотъемлемой составной частью любой системы связи. При этом с возрастанием сложности систем связи требования к электрическим и массо-габаритным параметрам устройств частотной селекции постоянно ужесточаются. В данной статье приводятся результаты разработок ППФ, которые являются одним из базовых элементов системы частотной селекции в радиотехнической аппаратуре.

На рис. 1 приведена схема, характеризующая систему обозначений фильтров, выпускаемых ЗАО «НПФ Микран».

Классификатор характеризует только вариант конструктивного исполнения и гра-

ничные частоты полосы пропускания фильтров. Основные требования к электрическим характеристикам (КСВн и уровень потерь в полосе пропускания, подавление на заданных отстройках, требования к паразитным полосам), а также к габаритным параметрам (ограничение размеров, тип и положение разъемов и др.) в классификатор не включены и оговариваются отдельно в каждом конкретном случае.

Варианты топологического и конструктивного исполнения ППФ

Микрополосковые фильтры

Основными достоинствами данного конструктивного исполнения являются предельно малые габаритные размеры, а также возможность размещения таких фильтров внутри корпуса более сложных функциональных узлов (например, конвертеров), изготавливаемых по технологии ГИС. Главный недостаток — относительно низкая добротность резонаторных элементов ((2 я 200-250),

вследствие чего узкополосные микрополос-ковые фильтры имеют достаточно большие потери в полосе пропускания. На рис. 2 приведены топологии основных типов микро-полосковых ППФ. В качестве материала подложек используется поликор ВК-100 (е = 9,8).

Основные электрические характеристики данных фильтров (центральная частота на-

________________Е

Рис. 2. Топологии основных типов

микрополосковых ППФ:

а) ППФ на встречных линиях MFPM-047050-01;

б) ППФ на «шпильках» MFPM-047050-02;

в) ППФ на полуволновых резонаторах с боковой связью MFPM-0812-01;

г) ППФ на полуволновых резонаторах с торцевой связью MFPM-362400-00

Рис. 1. Система обозначений фильтров, выпускаемых ЗАО «НПФ Микран»

Таблица 1. Основные электрические характеристики микрополосковых фильтров

^, ГГц Дї, ГГц Ц, дБ КП(МдБ) Размер подложки, мм

МРРМ-047050-01 4,85 0,3 1,5 3,5 (по уровню -20 дБ) 9x9

МРРМ-047050-02 4,85 0,3 2,5 2,7 (по уровню -30 дБ) 13x9

МРРМ-0812-01 10 1,5 2,0 (по уровню -40 дБ) 3,5x25

МРРМ-362400-00 36,6 0,8 3,0 3,0 (по уровню -20 дБ) 2,5x13

стройки /0, ширина полосы пропускания Д/, затухание на центральной частоте !0 и коэффициент прямоугольности по уровню ЫдБ КщхдБ)), а также размеры подложек приведены в таблице 1.

Современные системы связи, особенно спутниковые системы и системы связи с подвижными объектами, требуют наличия в своем составе миниатюрных узкополосных фильтров, для которых выдвигаются довольно жесткие требования к линейности фазовой характеристики (неравномерности группового времени задержки). В настоящее время разработаны новые топологии полосковых фильтров, которые при удовлетворении вышеуказанного требования обладают меньшими габаритными размерами по сравнению с классическими типами [1,2]. В качестве примера на рис. 3 представлен разработанный ППФ на полуволновых резонаторах с перекрестной связью (в качестве материала подложки используется ФЛАН-10). Неравномерность группового времени задержки для данного фильтра существенно меньше, чем для классического фильтра на полуволновых связанных резонаторах.

СпИ ЕпХ~

Рис. 4. Конструкции ППФ на диэлектрических резонаторах:

а) направленный ППФ пятого порядка MFPD-09450949-02;

б) ППФ четвертого порядка МРР0-12521258-01

нарно расположенными в канале прямоугольного сечения, дополнена диафрагмами, ограничивающими связь между резонаторами. Такое решение позволяет сократить расстояние между резонаторами и как следствие — уменьшить массо-габаритные показатели изделия.

Основные электрические характеристики данных фильтров приведены в таблице 2.

т

Рис. 5. Конструкции ППФ на КДР прямоугольного и круглого сечений:

а) ППФ на КДР прямоугольного сечения с боковыми связями в виде диафрагм МРРК-0133401354-01;

б) ППФ на КДР круглого сечения с внешними емкостными связями МРРК-0043400450-01

Таблица 3. Основные

электрические характеристики фильтров

на коаксиальных диэлектрических резонаторах

*0, МГц Дї, МГц Ц, дБ КП

МРРК-0133401354-01 1344 25 2,0 3,0

МРРК-0043400450-01 442 16 1,5 4,0

Рис. 3. ППФ на полуволновых резонаторах с перекрестной связью МРРМ-01170123-01

Фильтры на диэлектрических резонаторах

По совокупности габаритных параметров и электрических характеристик эти ППФ занимают промежуточное положение между устройствами на полых металлических волноводах и устройствами на микрополосковых линиях. При этом фильтры на диэлектрических резонаторах (ДР) имеют наилучший показатель качества (наименьший габаритный индекс потерь) [3]. Примеры конструкций фильтров на ДР приведены на рис. 4.

Показанная на рис. 4а классическая конструкция с ДР цилиндрической формы, пла-

Таблица 2. Основные электрические характеристики фильтров на диэлектрических резонаторах

*0, ГГц Дї, МГц Ц, дБ КП

MFPD-09450949-02 9,47 40 2,5 2,5

MFPD-12521258-01 12,55 60 1,5 2,0

Фильтры на коаксиальных диэлектрических резонаторах

Из всего многообразия ДР в дециметровом, I и 5 диапазонах в последнее время все большее применение находят металлодиэлектрические резонаторы, называемые часто коаксиальными диэлектрическими резонаторами (КДР) [4]. Примеры конструкций ППФ на КДР прямоугольного и круглого сечений приведены на рис. 5.

Основные электрические характеристики данных фильтров приведены в таблице 3.

Основным недостатком фильтров на ДР и КДР является возможность реализации только узкополосных фильтров (относительная ширина полосы пропускания которых составляет не более 5-7%).

Волноводные фильтры

Если сравнивать известные СВЧ-фильт-ры, в которых формирование частотных характеристик осуществляется на основе классических волновых процессов, по минимуму потерь, то наилучшими показателями обладают волноводные фильтры. Данные фильтры хорошо зарекомендовали себя в стационарной аппаратуре, где требование минимальных потерь имеет более важное значения, чем габаритные и весовые показатели. На рис. 6 приведены трехмерная модель и конструкция волноводного ППФ.

Рис. 6. Волноводный ППФ MFPW-08100834-01

1 = 8,22 ГГц, Д1 = 240 МГц, 1_0 я 1 дБ, Ц-ад я 1,7):

а) трехмерная модель фильтра;

б) конструкция фильтра

В данной конструкции роль элементов связи между резонаторами играют диафрагмы, расположенные параллельно силовым линиям электрического поля в прямоугольном волноводе. Основными достоинствами такой конструкции являются технологичность изготовления и простота настройки.

Развитие техники миллиметровых длин волн привело к переходу от традиционной волноводной технологии изготовления устройств к интегральной. В настоящее время элементы частотно-селектирующих устройств создаются на основе следующих линий передачи: регулярного прямоугольного волновода с продольно ориентированными в Е-плоскости неоднородностями различной формы, экранированных микрополосковых линий, диэлектрических волноводов. В качестве примера на рис. 7 приведены трехмерная модель и конструкция волноводных фильтров с диафрагмами в Е-плоскости.

Подобные конструкции применяются для построения фильтров и диплексеров в диапазоне КВЧ. Преимуществом данных фильтров является отсутствие элементов подстройки, так как их применение на частотах выше 40 ГГц крайне затруднительно. Однако эта особенность накладывает достаточно высокие требования к точности изготовления как диафрагм, так и волноводного канала (допускается отклонение размеров от номинальных не более 15-20 мкм).

Фильтры на объемных резонаторах

Данные фильтры обладают высокой температурной стабильностью электрических характеристик и малыми потерями в полосе пропускания. Среди данного класса, прежде всего, следует выделить гребенчатые фильт-

Рис. 8. Гребенчатый ППФ на коаксиальных резонаторах с перекрестной связью МРРУ-05530563-00 І0 = 5,58 ГГц, Д1 = 1040 МГц,

1_0 - 1,3 дБ, КП(-50дБ) * 2,3):

а) трехмерная модель фильтра;

б) конструкция фильтра

ры, одним из основных достоинств которых является возможность реализации широких полос запирания (верхняя граница полосы

запирания находится в пределах 4/0 7/0, где

/0 — средняя частота основной полосы пропускания). В данном конструктивном испол-

нении могут быть реализованы ППФ с относительной шириной полосы пропускания 2-75% [5].

В качестве примера на рис. 8 показаны трехмерная модель и конструкция гребенчатого ППФ на коаксиальных резонаторах. Сворачивание конструкции позволяет реализовать перекрестную связь с целью уменьшения неравномерности группового времени задержки.

Обзор, представленный в статье, отражает только основные направления в производстве полосно-пропускающих фильтров СВЧ.

Литература

1. Hong J., Lancaster M. J. Couplings of Microstrip Square Open-Loop Resonators for Cross-Coupled Planar Microwave Filters // IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 44, No. 12, December 1996.

2. Hong J., Lancaster M. J. Design of Highly Selective Microstrip Bandpass Filters with a Single Pair of Attenuation Poles at Finite Frequencies // IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 48, No. 17, July 2000.

3. Безбородов Ю. М., Нарытник Т. Н., Федоров В. Б. Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах. Киев: Тэхника, 1989.

4. Безбородов Ю. М., Каленичий С. И., Нарытник Т. Н., Цикалов В. Г. Коаксиальные диэлектрические резонаторы и устройства на их основе // Электронная техника. Сер.1, СВЧ-техника. 1992. Вып. 2(1662).

5. Hey-Shipton G. L. Combline Filters for Microwave and Millimeter-wave Frequencies: Part 1 // Watkins-Johnson Co. Tech-Notes, Vol. 17, No. 5, September/October 1990.