УЗКОПОЛОСНЫЙ ФИЛЬТР СВЧ
NARROW-BAND SHF-FILTER

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано в частотно-селективных цепях приемопередающих устройств СВЧ.
Из уровня техники известен микрополосковый фильтр СВЧ («Компактные микрополосковые фильтры с повышенной селективностью», Николаев М. Современная электроника, №1, 2008 г., стр.28-30), содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен проводящий экран, а на другой стороне расположена система связанных резонаторов из полосковых проводников. Требуемая форма частотной характеристики фильтра, а следовательно, и величина избирательности, обеспечивается выбором связей между соседними и несоседними резонаторами. Связь между несоседними резонаторами установлена посредством разомкнутой на концах полосковой линии. Наличие индуктивной пространственной связи между несоседними резонаторами фильтра дает полюса затухания в полосе заграждения на заданных частотах, что обеспечивает повышение избирательности фильтра.
Недостатками указанного устройства являются отсутствие возможности плавной подстройки фильтра по избирательности, так как избирательность данного фильтра зависит от величины связи между несоседними резонаторами, которая зафиксирована топологией разомкнутой на концах полосковой линии, а также величиной зазоров между ней и связанными с ее помощью несоседними резонаторами (подстройка возможна лишь дискретная, обычно осуществляется путем удаления дискретных участков разомкнутой на концах полосковой линии); невозможность обратимой подстройки фильтра по избирательности (подстройка возможна лишь необратимая, поскольку осуществляется путем удаления дискретных участков разомкнутой на концах полосковой линии).
Известен микрополосковый фильтр СВЧ (патент на изобретение RU №1683099, опубликовано 07.10.1991 г., МПК H01P 1/205). Микрополосковый фильтр СВЧ содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен проводящий экран, а на другой стороне - система связанных резонаторов из полосковых V-образных проводников. Требуемая форма частотной характеристики фильтра, а следовательно, и величина избирательности, обеспечивается надлежащим выбором связей между соседними и несоседними резонаторами. Связь между несоседними резонаторами установлена посредством закороченной на концах полосковой линии. Наличие определенной связи между несоседними резонаторами фильтра дает полюса затухания в полосе заграждения на заданных частотах, что обеспечивает повышение избирательности фильтра.
Недостатками указанного устройства являются отсутствие возможности подстройки фильтра по избирательности, так как избирательность данного фильтра зависит от величины связи между несоседними резонаторами, которая зафиксирована топологией закороченной на концах полосковой линии, и величиной зазоров между ней и связанными с ее помощью несоседними резонаторами; повышенная точность оборудования для изготовления микрополосковой структуры, необходимая для реализации требуемого коэффициента связи между закороченной на концах полосковой линией и связанными с ее помощью несоседними резонаторами.
Известен полосно-пропускающий фильтр СВЧ (патент на изобретение RU №2432643, опубликовано 27.10.2011 г., МПК H01P 1/203), выбранный в качестве прототипа. Полосно-пропускающий фильтр СВЧ выполнен по микрополосковой технологии и содержит резонаторы, конденсаторы для обеспечения электрической связи между соседними резонаторами, конденсаторы для подключения источника сигнала и нагрузки, а также трансформатор на связанных линиях передачи, включенный между первым и четвертым резонаторами. Два плеча трансформатора подключены посредством линий связи с первым и четвертым резонаторами, а два других замкнуты на заземляющий экран.
Недостатком указанного устройства является отсутствие возможности независимой подстройки фильтра по избирательности выше и ниже полосы пропускания, так как изменение коэффициента связи между первым и четвертым резонаторами посредством подстройки трансформатора на связанных линиях передачи приводит к одновременному смещению обеих полюсов затухания частотной характеристики, расположенных симметрично по обе стороны от полосы пропускания фильтра, что не позволяет обеспечить максимальное подавление сигналов помех, расположенных несимметрично по обе стороны полосы пропускания фильтра.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является обеспечение возможности независимой плавной подстройки избирательности частотной характеристики выше и ниже полосы пропускания без искажения характеристик в рабочей полосе.
Технический результат достигается за счет того, что узкополосный фильтр СВЧ содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой размещен заземляющий экран, а на другой стороне - микрополосковая структура, реализующая элементы фильтра с цепями связи. При этом микрополосковая структура включает первый, второй, третий, четвертый резонаторы, одни выводы которых замкнуты на заземляющий экран, а также трансформатор на связанных линиях передачи, два плеча которого замкнуты на заземляющий экран. При этом он отличается от прототипа тем, что дополнительно содержит пятый, шестой резонаторы, шестой, седьмой конденсаторы, подстроечный конденсатор. Причем одни выводы всех резонаторов замкнуты на заземляющий экран, а другие выводы соединены между собой посредством первого, второго, третьего, четвертого и пятого конденсаторов. При этом первый и третий резонаторы соединены с первым и вторым конденсаторами соответственно, а также с двумя плечами трансформатора на связанных линиях передачи, образуя при этом между соседними первым, вторым и третьим резонаторами связь емкостного типа и между несоседними первым и третьим резонаторами связь индуктивного типа. Четвертый и шестой резонаторы соединены с четвертым и пятым конденсаторами соответственно, а также с подстроечным конденсатором, образуя при этом между соседними четвертым, пятым и шестым резонаторами связь емкостного типа и между несоседними четвертым и шестым резонаторами также связь емкостного типа.
Причем каждый резонатор фильтра может быть выполнен как в виде отрезка короткозамкнутой полосковой линии, так и в виде соответствующего коаксиального штыря.
Трансформатор фильтра выполнен с возможностью изменения расстояния между связанными линиями передачи.
Подстроечный конденсатор фильтра выполнен с возможностью изменения площади перекрытия между обкладками.
Техническая сущность изобретения поясняется Фиг.1 - Фиг.6,
где Фиг.1 - конструкция узкополосного фильтра СВЧ;
Фиг.2 - конструкция трансформатора на связанных линиях передачи;
Фиг.3 - конструкция подстроечного конденсатора;
Фиг.4 - частотная характеристика избирательности узкополосного фильтра СВЧ при подстройке трансформатора на связанных линиях передачи;
Фиг.5 - частотная характеристика избирательности узкополосного фильтра СВЧ при подстройке подстроечного конденсатора.
Фиг.6 - пример частотной характеристики избирательности узкополосного фильтра СВЧ, в случае использования фильтра для подавления двух сигналов помех, расположенных несимметрично по обе стороны полосы пропускания.
Узкополосный фильтр СВЧ выполнен в виде диэлектрической подложки 1, на одной стороне которой расположен заземляющий экран 2 (Фиг.1). На другой стороне диэлектрической подложки размещена микрополосковая структура, включающая первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6, пятый 7, шестой 8 резонаторы, одни выводы которых замкнуты на заземляющий экран 2, а другие соединены между собой посредством первого 9, второго 10, третьего 11, четвертого 12 и пятого 13 конденсаторов. При этом первый 3 и шестой 8 резонаторы соединены с входом и выходом узкополосного фильтра СВЧ посредством шестого 14 и седьмого 15 конденсаторов, соответственно. При этом первый 3 и третий 5 резонаторы также, посредством микрополосковых линий связи 17 и 18, соединены с двумя плечами 19 трансформатора 20 на связанных линиях передачи 21 и 22, два других плеча 16 которого замкнуты на заземляющий экран 2, образуя при этом между несоседними первым 3 и третьим 5 резонаторами - связь индуктивного типа. При этом четвертый 6 и шестой 8 резонаторы, посредством микрополосковых линий связи 23 и 24, соединены с обкладками 26, 27 подстроечного конденсатора 25, образуя при этом между несоседними четвертым 6 и шестым 8 резонаторами связь емкостного типа.
В предлагаемой конструкции узкополосного фильтра СВЧ связь между соседними резонаторами 3, 4, 5 - емкостного типа, а между несоседними резонаторами 3, 5 - индуктивного типа. В соответствии с общей теорией связанных резонаторов (Hong J.-Sh., Lancaster М.J. Microstrip Filters for RF/Microwave Applications.John Wiley & Sons, Inc, 2001) такое сочетание типов связи в тройке резонаторов дает полюс затухания выше полосы пропускания, повышая избирательность фильтра на частотах выше полосы пропускания. При этом связь между соседними резонаторами 6, 7, 8  емкостного типа, и между несоседними резонаторами 6, 8  также емкостного типа. В соответствии с общей теорией связанных резонаторов (Hong J.-Sh., Lancaster М.J. Microstrip Filters for RF/Microwave Applications.John Wiley & Sons, Inc, 2001) такое сочетание типов связи в тройке резонаторов дает полюс затухания ниже полосы пропускания, повышая избирательность фильтра на частотах ниже полосы пропускания.
Конденсаторы 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 узкополосного фильтра СВЧ могут быть элементами с распределенными, либо сосредоточенными параметрами. Причем каждый резонатор 3, 4, 5, 6, 7, 8 фильтра может быть выполнен как в виде отрезка короткозамкнутой полосковой линии, так и в виде соответствующего коаксиального штыря. Трансформатор 20 на связанных линиях передачи выполнен с возможностью изменения расстояния между связанными линиями передачи 21, 22. Подстроечный конденсатор 25 выполнен с возможностью изменения площади перекрытия между обкладками 26, 27.
Работа узкополосного фильтра СВЧ осуществляется следующим образом. Входной сигнал СВЧ поступает на вход фильтра и подвергается фильтрации частотно-селективной структурой, образованной из конденсаторов 14 и 15, резонаторов 3, 4, 5, 6, 7, 8 и элементов связи между резонаторами (конденсаторы 9, 10, 11, 12, 13, трансформатор 20, подстроечный конденсатор 25). При изменении расстояния между связанными линиями передачи 21, 22 трансформатора 20 меняется коэффициент связи между несоседними первым резонатором 3 и третьим резонатором 5, что ведет к изменению положения полюса затухания выше полосы пропускания, изменяя избирательность фильтра на частотах выше полосы пропускания. Регулировка избирательности фильтра на частотах выше полосы пропускания в данном изобретении осуществляется механически, путем сгибания проволочных перемычек, используемых в качестве элементов связанных линий передачи 21, 22 трансформатора 20. При изменении площади перекрытия обкладок 26, 27 изменяется емкость подстроечного конденсатора 25 и, следовательно, меняется коэффициент связи между несоседними четвертым резонатором 6 и шестым резонатором 8, что ведет к изменению положения полюса затухания ниже полосы пропускания, изменяя избирательность фильтра на частотах ниже полосы пропускания.
Для примера конкретной реализации (Фиг.2) показан один из вариантов выполнения трансформатора 20 на связанных линиях 21, 22, входящего в состав узкополосного фильтра СВЧ. Связанные линии 21, 22 трансформатора 20 выполнены в виде П-образных проволочных перемычек 16, которые с одной стороны подключены к заземляющему экрану микрополосковой структуры, а с другой  соединены с микрополосковыми связанными линиями 17, 18, осуществляющими связь с двумя несоседними первым резонатором 3 и третьим резонатором 5. При сгибании перемычек 16 в поперечном направлении изменяется расстояние W, а следовательно, и коэффициент связи между связанными линиями 21, 22, что ведет к изменению положения полюса затухания выше полосы пропускания, изменяя избирательность фильтра на частотах выше полосы пропускания.
Для примера конкретной реализации (Фиг.3) показан один из вариантов выполнения подстроечного конденсатора 25, входящего в состав узкополосного фильтра СВЧ. Конденсатор имеет трехслойную конструкцию и состоит из металлических обкладок 26 и 27, диэлектрической подложки 28, элементов подстройки 29 и перемычек 30. Элементы подстройки 29 представляют собой изолированные друг от друга металлические площадки. Обкладки 26, 27 и подложка 28 образуют основную емкость конденсатора. Точная подстройка емкости конденсатора осуществляется путем поэтапного соединения элементов подстройки 29 с верхней обкладкой 26. Соединение осуществляется проводящими перемычками 30 путем пайки либо сварки. Обкладки конденсатора 26, 27 соединены с микрополосковыми связанными линиями 23, 24, осуществляющими связь с двумя несоседними четвертым резонатором 6 и шестым резонатором 8. При подсоединении, либо отсоединении элементов подстройки 29 к верхней обкладке 26 посредством проводящих перемычек 30 изменяется площадь перекрытия между обкладками конденсатора и меняется емкость подстроечного конденсатора 25 и, следовательно, изменяется коэффициент связи между несоседними четвертым резонатором 6 и шестым резонатором 8, что ведет к изменению положения полюса затухания ниже полосы пропускания, изменяя избирательность узкополосного фильтра СВЧ на частотах ниже полосы пропускания.
н
в
На Фиг.4, 5, 6 представлены примеры экспериментальных характеристик избирательности узкополосного фильтра СВЧ в зависимости от различных параметров элементов настройки фильтра (трансформатора на связанных линиях 20 и подстроечного конденсатора 25). Горизонтальная ось графиков соответствует диапазону частот F, вертикальная - коэффициенту передачи L. Частоты f и f соответствуют нижней и верхней границам полосы пропускания узкополосного фильтра СВЧ.
1
2
3
На Фиг.4 изображена экспериментальная характеристика избирательности узкополосного фильтра СВЧ в зависимости от расстояния W между перемычками 16 трансформатора 20. Из сравнения кривых видно, что с изменением расстояния W между перемычками 16 изменяется положение полюса затухания частотной характеристики узкополосного фильтра СВЧ выше полосы пропускания фильтра, вблизи его рабочих частот, и имеется возможность сформировать частотную характеристику устройства, обеспечивающую максимальное подавление сигнала помехи на одной из частот f, f, f.
1
2
3
На Фиг.5 изображена экспериментальная характеристика избирательности узкополосного фильтра СВЧ в зависимости от емкости подстроечного конденсатора 25. Из сравнения кривых видно, что с изменением емкости меняется положение полюса затухания частотной характеристики узкополосного фильтра СВЧ ниже полосы пропускания, вблизи его рабочих частот, и имеется возможность сформировать частотную характеристику фильтра, обеспечивающую максимальное подавление сигнала помехи на одной из частот f, f, f.
1
2
На Фиг.6 изображен пример экспериментальной характеристики избирательности узкополосного фильтра СВЧ, в случае использования фильтра для подавления двух сигналов помех, расположенных несимметрично по обе стороны полосы пропускания. Возможность независимой регулировки избирательности фильтра выше и ниже полосы пропускания изменением положения полюсов затухания при подстройке трансформатора 20 и подстроечного конденсатора 25 позволяет обеспечить максимальное подавление сигналов помех на частотах f и f без искажений в рабочей полосе частот.
В предлагаемом узкополосном фильтре СВЧ введена возможность плавной подстройки частотной характеристики по избирательности за счет изменения коэффициента связи между связанными линиями трансформатора 20, включенного между несоседними первым резонатором 3 и третьим резонатором 5, и за счет изменения емкости подстроечного конденсатора 25, включенного между несоседними четвертым резонатором 6 и шестым резонатором 8.
Предлагаемая конструкция узкополосного фильтра СВЧ позволяет осуществлять возможность обратимой подстройки его частотной характеристики по избирательности (возможность при изменении коэффициента связи между связанными линиями 21, 22 трансформатора 20 и изменении собственной емкости подстроечного конденсатора 25 вернуться к исходному его значению). В предлагаемом узкополосном фильтре СВЧ снижены требования к точности изготовления микрополосковой структуры. Возможность плавной подстройки частотной характеристики узкополосного фильтра СВЧ по избирательности позволяет уменьшить чувствительность его параметров к точности изготовления микрополосковой структуры, что значительно снижает себестоимость устройства.
Обеспечение возможности независимой плавной подстройки избирательности частотной характеристики выше и ниже полосы пропускания без искажения характеристик в рабочей полосе позволяет эффективно подавлять сигналы помех, расположенных как симметрично, так и несимметрично, по обе стороны полосы пропускания фильтра.