ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ФИЛЬТР СВЧ
BANDPASS ALL-PASS RETUNABLE SHF FILTER

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полосно-пропускающим перестраиваемым фильтрам СВЧ.
Подобные фильтры СВЧ применяются в передающих системах для развязки передатчиков, работающих в различных диапазонах частот на одну антенну, а также для подавления высших гармоник на выходе широкополосных усилителей.
Полосно-пропускающие фильтры СВЧ разделяются на фильтры с фиксированной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) и фильтры, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) которых перестраивается в пределах диапазона перестройки частоты.
Известен полосно-пропускающий фильтр СВЧ с электрической перестройкой частоты многозвенный, каждое звено которого содержит последовательный резонансный контур, представленный соединением емкости и перестраиваемой по частоте сферой из железо-итриевого граната (ЖИГ-сфера), и два параллельных резонансных контура, каждый из последних представляет собой параллельное соединение индуктивности и перестраиваемого по частоте варакторного диода [1, стр.242].
Наличие в данном фильтре СВЧ перестраиваемых по частоте ЖИГ-сфер и варакторных диодов, которые изменяют свои параметры соответственно под действием постоянного магнитного поля и постоянного управляющего напряжения, позволяет осуществить перестройку фильтра СВЧ в пределах диапазона перестройки частоты.
Однако в данном фильтре СВЧ диапазон перестройки частоты ограничен сверху
- во-первых, узким интервалом перестройки частоты ЖИГ-сфер,
- во-вторых, сравнительно малой величиной коэффициента перекрытия емкости варакторных диодов.
Кроме того, для перестройки частоты ЖИГ-сфер требуется изменять постоянное магнитное поле, а для перестройки частоты варакторных диодов требуется изменять постоянное электрическое поле или управляющее напряжение, что в целом приводит к усложнению конструкции данного фильтра СВЧ.
Кроме того, для подачи на варакторные диоды управляющих напряжений необходимо использовать цепи смещения, представляющие собой соединение емкости и индуктивности, что приводит как к усложнению конструкции, так и к значительному увеличению массогабаритных характеристик данного фильтра СВЧ.
Известен полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр СВЧ многозвенный, каждое звено которого содержит резонансный контур с квазисосредоточенной индуктивностью и двумя Г-образными последовательно-параллельными цепочками из двух конденсаторов каждая, точка соединения конденсаторов одной из цепочек подключена к первому выводу квазисосредоточенной индуктивности. Фильтр СВЧ содержит также варакторный диод с целью управления и дополнительную квазисосредоточенную индуктивность, первый вывод которой подключен к точке соединения конденсаторов второй цепочки, а варакторный диод включен последовательно между вторыми выводами квазисосредоточенных индуктивностей [2 - прототип].
Исключение из каждого резонансного звена данного фильтра СВЧ ЖИГ-сферы позволило упростить конструкцию, а включение варакторного диода каскадно относительно линий передачи на входе и выходе позволило несколько расширить диапазон перестройки частоты.
Следует отметить, что в случае многозвенного исполнения данного фильтра СВЧ с одной стороны улучшается его АЧХ, но с другой стороны сужается диапазон перестройки частоты вследствие трудности осуществления синхронного управления несколькими источниками управляющего напряжения.
Кроме того, включение варакторного диода каскадно относительно линий передачи на входе и выходе приводит к существенному повышению потерь в полосе пропускания частот фильтра СВЧ.
Кроме того, использование варакторных диодов приводит как к усложнению конструкции, так и к значительному увеличению массогабаритных характеристик из-за того, что:
во-первых, как сказано выше, для подачи на варакторные диоды управляющих напряжений необходимо использовать цепи смещения, представляющие собой соединение емкости и индуктивности,
во-вторых, в случае реализации достаточно широкого диапазона перестройки частоты необходимо на варакторные диоды подавать более высокие напряжения, изменяющиеся до десятков вольт.
Техническим результатом заявленного изобретения является расширение диапазона перестройки частоты и снижение потерь в полосе пропускания частот при уменьшении массогабаритных характеристик.
Указанный технический результат достигается заявленным полосно-пропускающим перестраиваемым фильтром СВЧ, содержащим две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, другая - для выхода, по меньшей мере, одно резонансное звено с полупроводниковым прибором, на который подают постоянное управляющее напряжение.
В котором каждое резонансное звено фильтра СВЧ содержит три отрезка линии передачи: первый - длиной, равной одной восьмой части длины волны и менее, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе, второй и третий - длиной каждый, равной четверти длины волны, и дополнительно второй полупроводниковый прибор, в качестве полупроводниковых приборов использованы полевые транзисторы с барьером Шотки.
При этом один из концов первого отрезка линии передачи каскадно соединен с концом линии передачи на входе и с одним из концов второго отрезка линии передачи, другой конец первого отрезка линии передачи соединен с концом линии передачи на выходе, либо - каскадно с последующим резонансным звеном посредством отрезка линии передачи длиной, равной одной восьмой части длины волны и менее, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе и с одним из концов третьего отрезка линии передачи, другие концы второго и третьего отрезков линии передачи соединены каждый со стоком первого и второго полевых транзисторов с барьером Шотки соответственно, затворы которых соединены между собой и соединены с источником постоянного управляющего напряжения, а их истоки заземлены, при этом длина волны соответствует верхней частоте диапазона перестройки частоты.
Заявленная совокупность существенных признаков, а именно:
каждое резонансное звено содержит три отрезка линии передачи, первый длиной, равной одной восьмой части длины волны и менее, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе, второй и третий - длиной каждый, равной четверти длины волны и предложенное соединение элементов фильтра СВЧ, когда первый отрезок линии передачи соединен каскадно относительно линий передачи на входе и выходе, а второй и третий одинаковые отрезки линии передачи длиной каждый, равной четверти длины волны и оба полевых транзистора с барьером Шотки - параллельно позволят:
во-первых, расширить диапазон перестройки частоты:
а) за счет замены в каждом звене фильтра СВЧ индуктивности и емкости на более широкополосные упомянутые отрезки линии передачи,
б) благодаря параллельно включенным отрезкам линии передачи - второго и третьего каждый длиной, равной четверти длины волны, трансформировать к каскадно включенному отрезку линии передачи - первому сопротивления оптимальной величины в различных частях диапазона перестройки частоты при изменении постоянного управляющего напряжения на затворах полевых транзисторов с барьером Шотки;
во-вторых, включение полевых транзисторов с барьером Шотки параллельно относительно линий передачи на входе и выходе в отличие от последовательно включенного варакторного диода обеспечит существенное снижение потерь в полосе пропускания частот фильтра СВЧ.
Кроме того, использование полевого транзистора с барьером Шотки, который являясь трехэлектродным полупроводниковым прибором содержит внутреннюю развязку по току, в отличие от варакторного диода, позволит исключить цепь смещения, представляющую собой, как указано выше, соединение емкости и индуктивности, и тем самым обеспечит:
- дополнительное расширение диапазона перестройки частоты фильтра СВЧ,
- упрощение конструкции и снижение массогабаритных характеристик.
Итак, заявленная совокупность признаков реализует указанный технический результат, а именно расширение диапазона перестройки частоты и снижение потерь в полосе пропускания частот при уменьшении массогабаритных характеристик.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дана топология заявленного полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра СВЧ, содержащего два резонансных звена, где
- две линии передачи, одна предназначена для входа сигнала СВЧ - 1, другая - для выхода - 2,
- три отрезка линии передачи, первый - 3 длиной, равной одной восьмой части длины волны и менее, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе, второй и третий - 4 и 5 соответственно длиной каждый, равной четверти длины волны,
- два полупроводниковых прибора - два полевых транзистора с барьером Шотки - 6 и 7 соответственно,
- отрезок линии передачи длиной, равной одной восьмой части длины волны и менее, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе - 8, для соединения резонансных звеньев,
- источник постоянного управляющего напряжения - 9.
На фиг.2 дана электрическая схема заявленного полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра СВЧ.
На фиг.3 даны зависимости его амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) от постоянного управляющего напряжения.
При этом кривые 1 указанных зависимостей измерены при подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки постоянного управляющего напряжения, равного 0 В, а кривые 2 - равному напряжению отсечки Uотс.
Примеры конкретного выполнения заявленного фильтра СВЧ.
Пример 1 рассмотрен для случая, когда заявленный фильтр СВЧ содержит два резонансных звена.
При этом оба резонансных звена выполнены аналогично.
Каждое звено фильтра СВЧ выполнено в монолитно интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной равной 0,1 мм с использованием классической тонкопленочной технологии.
Две линии передачи, предназначенные для входа 1 и для выхода 2 сигнала СВЧ выполнены с одинаковыми волновыми сопротивлениями равными 50 Ом, что соответствует ширине проводников 0,08 мм.
Три отрезка линии передачи:
- первый - 3 выполнен шириной 0,08 мм и длиной 1,75 мм, что соответствует менее одной восьмой части длины волны, и волновому сопротивлению, равному волновому сопротивлению линии передачи на входе,
- второй и третий - 4 и 5 выполнены одинаковыми шириной 0,08 мкм и длиной 3,5 мм, что соответствует четверти длины волны.
Полевые транзисторы с барьером Шотки 6 и 7 выполнены каждый с длиной затвора, равной 0,4 мкм, шириной затвора, равной 300 мкм, одинаковыми длинами стока и истока, равными 20 мкм, имеют напряжение отсечки Uотс., равное - 2,0 В.
Диапазон перестройки частоты изменяется от 5 ГГц до 20 ГГц.
При этом один из концов первого отрезка линии передачи 3 соединен с концом линии передачи на входе 1 и с одним из концов второго отрезка линии передачи 4, другой конец первого отрезка линии передачи 3 соединен со вторым резонансным звеном посредством отрезка линии передачи 8 шириной, равной 0,08 мкм и длиной - 1,75 мм, что соответствует одной восьмой части длины волны и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе и с одним из концов третьего отрезка линии передачи 5, другие концы второго 4 и третьего 5 отрезков линии передачи соединены каждый со стоком первого 6 и второго 7 полевых транзисторов с барьером Шотки соответственно, их затворы соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения 9, а их истоки заземлены.
Пример 2.
Заявленный фильтр СВЧ выполнен аналогично описанному в примере 1, но первый отрезок линии передачи - 3 выполнен шириной 0,08 мм и длиной 1,75 мм, что соответствует одной восьмой части длины волны, и волновому сопротивлению, равному волновому сопротивлению линии передачи на входе.
Заявленный фильтр СВЧ работает следующим образом.
При подаче на затвор каждого полевого транзистора с барьером Шотки 6 и 7 управляющего напряжения величиной, равной - 2,0 В, от источника постоянного управляющего напряжения 9 полевые транзисторы с барьером Шотки становятся закрытыми.
В результате этого полевые транзисторы с барьером Шотки имеют большое сопротивление Zзакр. Поскольку их стоки соединены с одними концами второго 4 и третьего 5 отрезков линии передачи соответственно, поэтому на этих концах будет большое сопротивление Zзакр., во много раз превышающее волновое сопротивление Z этих отрезков линии передачи.
Поскольку длины второго 4 и третьего 5 отрезков равны четверти длины волны, а длина волны соответствует нижней частоте f1 диапазона перестройки частоты, то на частоте f1 и частоте, равной 3 f1, сопротивление будет равно
2
Z1=Z/Zзакр., где
Z1 - сопротивление на других концах второго 4 и третьего 5 отрезков линии передачи каждого соответственно,
2
Z - квадрат волнового сопротивления этих отрезков линии передачи,
Zзакр. - сопротивление каждого полевого транзистора с барьером Шотки в закрытом состоянии.
Сопротивление Z1 будет существенно меньше, чем волновое сопротивление линии передачи на входе фильтра Z0.
В этом случае на частотах f1 и f3 прошедший через фильтр сигнал СВЧ будет сильно ослабленным, а выраженная в децибелах величина АЧХ фильтра СВЧ будет иметь большую отрицательную величину ослабления.
На частоте f2, равной 2 f1, на других концах второго 4 и третьего 5 отрезков линии передачи сопротивление будет равно
Z2=Zзакр., где
Zзакр. - сопротивление каждого полевого транзистора с барьером Шотки в закрытом состоянии.
Сопротивление Z2 будет существенно больше, чем волновое сопротивление линии передачи на входе фильтра Z0.
В этом случае на частоте f2 прошедший через фильтр сигнал СВЧ практически не будет изменяться, а выраженная в децибелах величина АЧХ фильтра СВЧ будет иметь малую величину, то есть малую величину потерь.
При подаче на затвор каждого полевого транзистора с барьером Шотки 6 и 7 управляющего напряжения величиной, равной - 0 В, от источника постоянного управляющего напряжения 9 полевые транзисторы с барьером Шотки становятся открытыми.
В результате этого полевые транзисторы с барьером Шотки имеют малое сопротивление Zоткр. Их стоки соединены с одними концами второго 4 и третьего 5 отрезков линии передачи соответственно, поэтому на этих концах будет малое сопротивление Zоткр., во много раз меньшее волнового сопротивления Z этих отрезков линии передачи.
Поскольку длины второго 4 и третьего 5 отрезков равны четверти длины волны, а длина волны соответствует нижней частоте f1 требуемого диапазона перестройки частоты, то на частоте О на других концах второго 4 и третьего 5 отрезков линии передачи сопротивление будет равно
2
Z1=Z/Zоткр., где
Z1 - сопротивление на других концах второго 4 и третьего 5 отрезков линии передачи каждого соответственно,
2
Z - квадрат волнового сопротивления этих отрезков линии передачи соотвественно,
Zоткр. - сопротивление каждого полевого транзистора с барьером Шотки в открытом состоянии.
Сопротивление Z1 будет существенно больше, чем волновое сопротивление этих отрезков линии передачи Z.
В этом случае на частоте f3 прошедший через фильтр сигнал СВЧ практически не будет изменяться, а выраженная в децибелах величина АЧХ фильтра СВЧ будет иметь малую величину - малую величину потерь.
На частоте f2 и частоте f4, равной 4 f1, на других концах второго 4 и третьего 5 отрезков линии передачи сопротивление будет равно
Z2=Zоткр., где
Zoткр. - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки в окрытом состоянии.
Сопротивление Z2 будет существенно меньше, чем волновое сопротивление линии передачи на входе фильтра Z0.
В этом случае на частотах f2 и f4 прошедший через фильтр сигнал СВЧ будет сильно ослабленным, а выраженная в децибелах величина АЧХ фильтра СВЧ будет иметь большую отрицательную величину ослабления.
Отметим, что в многозвенном фильтре СВЧ малая величина потерь будет реализована не на одной частоте, а в полосе пропускания, причем, чем больше звеньев в фильтре СВЧ, тем шире полоса пропускания и круче перепад АЧХ между большой величиной ослабления и малой величиной потерь, а АЧХ имеет вид, близкий к прямоугольной форме.
Таким образом, в предложенном фильтре СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения от - 2,0 В до 0 В от одного источника напряжения реализуется малая величина потерь в диапазоне частот от f1 до f4, равной 4 f1. Относительный диапазон перестройки частоты рассчитывается по формуле
Df/f=2(f4-f1)/(f4+f1)=1.2.
На образцах заявленного фильтра СВЧ были измерены величины изменения их амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) при изменении управляющего напряжения от 0 В до - 2,0 В.
Результаты даны на фиг.3.
При этом дана зависимость амплитудно-частотной характеристики образца заявленного фильтра СВЧ, выполненного по примеру 1, поскольку величины их АЧХ (по примерам 1 и 2) очень близки.
Как видно:
- амплитудно-частотная характеристика заявленного фильтра СВЧ имеет форму, близкую к прямоугольной,
- диапазон перестройки частоты изменяется от 5 ГГц до 20 ГГц,
- относительный диапазон перестройки частоты равен 120%, что в 2 раза превышает диапазон перестройки частоты прототипа,
- потери в диапазоне перестройки частоты не превышают 1 дБ, что в 1,5 раз меньше, чем в прототипе.
Таким образом, заявленный полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр СВЧ позволит по сравнению с прототипом:
- расширить диапазон перестройки частоты примерно в 2 раза,
- снизить потери в полосе пропускания частот в 1,5 раза,
- уменьшить массогабаритные характеристики.
Указанные преимущества полосно-пропускающего
перестраиваемого фильтра СВЧ особенно актуальны при создании миниатюрных как отдельных приборов СВЧ, так и радиоэлектронных устройств СВЧ различного назначения и, особенно, в монолитно интегральном исполнении.
Источники информации
1. Широкополосные радиопередающие устройства. Под ред. О.В.Алексеева. М.: Связь. 1978.
2. Патент РФ №2065232, МПК H01P 1/203, приоритет 1991.02.22, опубл. 1996.08.10 - прототип.