ПОЛОСКОВЫЙ ФИЛЬТР
STRIP-LINE FILTER

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и предназначено для частотной селекции сигналов, например, в приемопередающих системах связи, радиолокации и радионавигации.
Известна конструкция полосно-пропускающего фильтра [А.с. №886106, кл. Н01Р 1/205, БИ №44, 30.11.81], который содержит диэлектрическую подложку, металлизированную с одной стороны, на другой стороне которой размещены полосковые проводники, закороченные с одного конца. Благодаря тому что в такой конструкции полосковые проводники, образующие резонаторы фильтра, закорочены смежными концами, коэффициенты индуктивного и емкостного взаимодействия резонаторов вычитаются друг из друга, причем они близки по величине. Поэтому полный коэффициент связи, которому пропорциональна ширина полосы пропускания, может быть мал, даже при небольших расстояниях между резонаторами. Реализация узкополосных фильтров на основе такой конструкции не требует существенного увеличения расстояний между резонаторами, а следовательно, увеличения площади подложки.
Недостатком такой конструкции является то, что ее применение на частотах менее 300 МГц затруднено вследствие того, что резонаторы не помещаются на подложки стандартных размеров. Кроме того, в метровом диапазоне длин волн добротность микрополосковых резонаторов, как правило, не превышает 100, что не позволяет создавать на их основе узкополосные фильтры с приемлемой величиной затухания СВЧ-мощности в полосе пропускания.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является полосно-пропускающий фильтр [Патент РФ №2237320, МПК7 Н01Р 1/203, опубл. 27.09.2004, Бюл. №27 (Прототип)]. Фильтр содержит подвешенную диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесены короткозамкнутые на экран с одного торца подложки полосковые проводники, а на вторую сторону подложки вместо заземляемого основания также нанесены короткозамкнутые на экран с другого торца подложки полосковые проводники. Фильтр такой конструкции имеет значительно меньшую длину полосковых проводников по сравнению с первым аналогом, а значит, и меньшие размеры подложки. Это позволяет конструировать полосковые фильтры на более низкие частоты. Кроме того, добротность резонаторов здесь существенно больше, чем у микрополосковых резонаторов.
Недостатком конструкции является тот факт, что коэффициенты индуктивного и емкостного взаимодействия в ней складываются, поэтому при реализации устройства с узкой полосой пропускания приходится значительно увеличивать расстояния между резонаторами, а тем самым и размеры фильтра, вследствие чего вышеуказанное преимущество значительно утрачивается, особенно в многозвенных конструкциях. Кроме того, в узкополосном фильтре такой конструкции полюса затухания либо отсутствуют, либо находятся относительно далеко от полосы пропускания, поэтому крутизна склонов полосы пропускания устройства (селективность) сравнительно невелика.
Техническим результатом изобретения является уменьшение размеров и улучшение частотно-селективных свойств фильтра.
Указанный технический результат достигается тем, что в полосковый фильтр, содержащий подвешенную между экранами диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесены короткозамкнутые на экран с одного торца подложки полосковые проводники, а на вторую сторону подложки также нанесены короткозамкнутые на экран с другого торца подложки полосковые проводники, причем пары проводников, расположенных на разных поверхностях подложки, образуют резонаторы, новым является то, что между полосковыми проводниками резонаторов с обеих сторон подложки напротив друг друга размещены дополнительные полосковые проводники, короткозамкнутые на экран с обоих концов.
Отличие заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключается в том, что между проводниками резонаторов с обеих сторон подложки напротив друг друга размещены дополнительные полосковые проводники, короткозамкнутые на экран с обоих концов. 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 - конструкция конкретной реализации заявляемого полоскового фильтра на подвешенной диэлектрической подложке; Фиг.2 - зависимость коэффициента связи пары резонаторов от расстояния между их полосковыми проводниками в заявляемом фильтре (сплошные линии) и фильтре-прототипе (штриховая линия); Фиг.3 - расчетные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) заявляемого фильтра (сплошная линия) и фильтра-прототипа (штриховая линия); Фиг.4 - возможный вариант реализации заявляемого полоскового фильтра на подвешенной диэлектрической подложке, имеющий улучшенные селективные свойства; Фиг.5 - АЧХ фильтра, изображенного на Фиг.4, при различных способах подключения к внешним линиям передачи; Фиг.6 - АЧХ прямых потерь двухзвенного полосно-пропускающего фильтра заявляемой конструкции.
Заявляемое устройство (Фиг.1) содержит диэлектрическую подложку 1, подвешенную между двумя экранами (для простоты не показаны), на обе поверхности которой нанесены полосковые металлические проводники 2, соединенные с экраном и электромагнитно связанные между собой. Пара полосковых проводников, располагающихся на разных поверхностях подложки, образует полосковый резонатор, при этом проводники резонатора могут быть, например, прямоугольными, идентичными по форме и располагаться строго друг над другом, причем проводники, образующие резонатор, соединяются с экраном на противоположных сторонах подложки. Между проводниками резонаторов с обеих сторон подложки выполнены дополнительные проводники 3, короткозамкнутые на экран с обоих концов. Дополнительные проводники также могут быть прямоугольными, идентичными по форме и располагаться строго друг над другом.
Как известно, относительная ширина полосы пропускания фильтра пропорциональна коэффициенту связи их резонаторов. В предлагаемой конструкции полоскового фильтра величина коэффициента связи резонаторов на резонансных частотах оказывается существенно меньшей по сравнению с прототипом при прочих равных условиях. Этот факт доказывается сравнением зависимостей (Фиг.2) коэффициента связи k пары резонаторов от расстояния S между их полосковыми проводниками в фильтре заявляемой конструкции (линии 2, 3, 4) и в фильтре-прототипе (штриховая линия 1). Расчет сделан в квазистатическом приближении для следующих конструктивных параметров: диэлектрическая проницаемость подложки ε=80, толщина подложки 1 мм, расстояние от поверхности подложки до экрана 4 мм, ширина полосковых проводников резонаторов 2 мм. При этом для фильтра заявляемой конструкции приведенные зависимости рассчитаны для трех разных значений ширины дополнительных полосковых проводников (2 - 0.5 мм, 3 - 1 мм и 4 - 2 мм). Видно, что в фильтре заявляемой конструкции взаимодействие между резонаторами существенно меньше по сравнению с фильтром-прототипом при одних и тех же расстояниях S между проводниками резонаторов. Следовательно, расстояние между резонаторами в узкополосном фильтре заявляемой конструкции будет в несколько раз меньшим по сравнению с фильтром прототипом, а значит, меньшими будут размеры требуемой подложки и самого фильтра. Малая величина коэффициента связи резонаторов заявляемого фильтра объясняется тем, что взаимодействие резонаторов значительно ослабляется за счет экранирующего действия дополнительных полосковых проводников.
2
2
0
0
На Фиг.3 приведены расчетные АЧХ двухрезонаторного фильтра заявляемой конструкции (сплошная линия) и двухрезонаторного фильтра-прототипа (штриховая линия). Оба фильтра имели одинаковые конструктивные параметры: диэлектрическая проницаемость подложки ε=80, площадь подложки 21×7.5 мм, ее толщина 1 мм, расстояние от поверхности подложки до экрана 4 мм, расстояние между резонаторами S=3.5 мм, ширина полосковых проводников 2 мм. Фильтры настроены на центральную частоту полосы пропускания f=300 МГц. Видно, что относительная ширина полосы пропускания Δf/f, измеренная по уровню - 3 дБ, у рассматриваемых фильтров существенно разная. Так, для фильтра-прототипа она составляет 20%, а для фильтра заявляемой конструкции всего 2%. Для получения такой же узкой полосы пропускания в фильтре-прототипе необходимо увеличить расстояние S между резонаторами до 9.5 мм. В этом случае площадь подложки фильтра-прототипа составит уже 21×13.5 мм, что почти в два раза больше, чем у заявляемого. В случае когда число резонаторов будет больше двух, указанное преимущество проявится еще значительней. Важно отметить, что при подключении внешних линий к полосковым проводникам, расположенным на разных поверхностях подложки, на АЧХ вблизи полосы пропускания появляются полюса затухания, значительно улучшающие селективные свойства фильтра.
Фильтр работает следующим образом. Входная и выходная линии передачи подключаются к проводникам резонаторов. Расстояние от заземленных концов полосковых проводников резонаторов 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.
2
Реализованный в заявляемом фильтре способ уменьшения размеров может быть применен и к другим конструкциям фильтров на подвешенной подложке, например, описанной в [Известия ВУЗов, сер. Физика, №9/2, 2008 г., стр.146-149]. На Фиг.4 изображена конструкция такого полоскового фильтра на подвешенной подложке с введенными дополнительными полосковыми проводниками между резонаторами. Данная конструкция допускает больше вариантов подключения внешних линий передачи к проводникам резонаторов и позволяет реализовать такой способ подключения, при котором нет замыкания входной и выходной линии передачи на землю по постоянному току. Это может быть важным в некоторых случаях, например при создании управляемых напряжением устройств. На Фиг.5 сплошной линией показана АЧХ такого фильтра для случая подключения внешних линий передачи согласно Фиг.4, а штриховой линией для случая подключения за верхние, незамкнутые на землю проводники резонаторов. Параметры конструкции при этом были следующие: диэлектрическая проницаемость подложки ε=80, толщина подложки 0.5 мм, расстояние от поверхности подложки до экрана 5 мм, расстояние между резонаторами S=4.5 мм. Ширина полосковых проводников резонаторов была 2 мм, а расположенных между ними дополнительных полосковых проводников 2.5 мм. Длина резонаторов была выбрана таким образом, чтобы фильтр поместился на подложку из керамики ТБНС стандартных размеров. Площадь положки, занимаемая фильтром, при этом составила 47×8.5 мм. При отсутствии дополнительных проводников для той же относительной ширины полосы пропускания площадь конструкции будет больше примерно в 2 раза, кроме того, в ней будут отсутствовать полюса затухания вблизи полосы пропускания.
Таким образом, введение дополнительных, заземленных с двух концов, полосковых проводников между резонаторами позволяет не только значительно уменьшить размеры узкополосных фильтров на подвешенной подложке, но и сформировать на АЧХ полюса затухания вблизи полосы пропускания. Эти полюса затухания 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 фильтров.