ВЫСОКОСЕЛЕКТИВНЫЙ ПОЛОСКОВЫЙ ФИЛЬТР ВЕРХНИХ ЧАСТОТ
HIGH-SELECTIVE HIGH-PASS STRIP FILTER

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано в селективных трактах приемных и передающих систем.
Известен микрополосковый фильтр верхних частот [Патент РФ №2670366, МПК7 Н01Р 1/203, опубл. 22.10.2018, Бюл. №30], содержащий диэлектрическую подложку, одна поверхность которой полностью металлизирована и служит заземляемым основанием, а на другой поверхности расположен полосковый металлический проводник. Согласно техническому решению, отрезки полоскового проводника свернуты в форме «шпильки» вдоль оси симметрии и в центральной части соединены с заземляемым основанием, через перпендикулярно состыкованный протяженный отрезок полоскового проводника. В такой конструкции улучшение частотно-селективных свойств микрополоскового фильтра верхних частот, в частности, повышение крутизны склона частотной характеристики, осуществляется только за счет наращивания числа полосковых проводников, состыкованных друг с другом в виде меандровой линии. Недостатками такого фильтра являются сравнительно большая площадь подложки и невысокая селективность, обусловленная отсутствием нулей коэффициента передачи вблизи склона полосы пропускания. Кроме того, протяженность полосы пропускания такого фильтра составляет немногим более двух октав.
Наиболее близким аналогом является фильтр верхних частот [W. Menzel, A. Balalem Quasi-Lumped Suspended Stripline Filters and Diplexers // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, Vol. 53, No. 10, October 2005, P. 3230-3237 (Прототип)]. Фильтр содержит подвешенную в металлическом корпусе диэлектрическую подложку, на нижней и верхней стороне которой расположены нерегулярные полосковые проводники резонаторов, образованные соединением узких и широких отрезков полосковой линии и замкнутые на экран концом узкого отрезка. Широкие участки соседних нерегулярных проводников располагаются таким образом, чтобы их взаимная емкость обеспечивала необходимую величину связи для формирования полосы пропускания. По сравнению с первым аналогом такая конструкция фильтра верхних частот имеет меньшие размеры. Как и в первом аналоге, недостатками такой конструкции являются невысокая селективность, связанная с отсутствием близкорасположенных к полосе пропускания нулей коэффициента передачи, а также сравнительно неширокая полоса пропускания.
Техническим результатом изобретения является расширение полосы пропускания и увеличение селективности полоскового фильтра верхних частот.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом полосковом фильтре верхних частот, содержащем подвешенную в металлическом корпусе диэлектрическую подложку, на которой расположены нерегулярные полосковые проводники резонаторов, образованные соединением узких и широких отрезков полосковой линии, замкнутых концом узкого отрезка на экран, новым является то, что резонаторы расположены на одной поверхности подложки, а на второй ее поверхности под широкими участками смежных резонаторов расположены дополнительные полосковые проводники.
Отличие заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключается в том, что в полосковом фильтре верхних частот на обратной стороне подложки выполнены дополнительные полосковые проводники, которые расположены под широкими участками нерегулярных проводников смежных резонаторов на лицевой стороне подложки.
Сущность изобретения поясняется рисунками:
На фиг. 1а, б изображена топология проводников заявляемого фильтра верхних частот с лицевой (а) и обратной стороны подложки (б).
На фиг. 2а, б изображены рассчитанные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) фильтра верхних частот заявляемой конструкции в узком (а) и широком (б) диапазонах частот.
Заявляемый полосковый фильтр верхних частот (фиг. 1а, б) содержит подвешенную в металлическом корпусе 1 диэлектрическую подложку 2, на лицевой стороне которой расположены нерегулярные полосковые проводники резонаторов, образованные соединением узких 3 и широких 4 отрезков полосковой линии, замкнутые концом узкого отрезка на экран. На обратной стороне подложки под широкими участками 4 смежных резонаторов расположены прямоугольные дополнительные полосковые проводники 5. Входная и выходная линии передачи 6 подключены к наружным дополнительным полосковым проводникам.
Заявляемый фильтр верхних частот работает следующим образом. Входная и выходная линии передачи 6 подключаются к наружным дополнительным полосковым проводникам 5, которые расположены под широкими участками 4 нерегулярных резонаторов, как показано на фиг. 1a, б. Длина области перекрытия дополнительных полосковых проводников 5 и широких участков 4 нерегулярных резонаторов определяется заданным минимальным уровнем отражений в полосе пропускания фильтра верхних частот. Сигналы, частоты которых попадают в полосу пропускания, проходят на выход фильтра с минимальными потерями, в то время как на частотах ниже полосы пропускания происходит отражение сигналов от входа устройства.
Заявляемый фильтр верхних частот состоит из квазисосредоточенных элементов, которые образованы узкими 3 (индуктивности) и широкими 4, 5 (емкости) отрезками полосковой линии передачи. В заявляемом фильтре верхних частот, в отличие от фильтра-прототипа, имеется дополнительная емкостная связь, образованная дополнительными полосковыми проводниками 5. При соответствующем выборе размеров этих полосковых элементов формируются нули коэффициента передачи вблизи края полосы пропускания, которые существенно повышают селективность фильтра верхних частот. Наряду с повышением селективности, предложенная конструкция фильтра верхних частот позволяет существенно увеличить протяженность полосы пропускания за счет лучшего согласования волновых сопротивлений элементов конструкции и портов.
гр1
гр2
На фиг. 1 представлен вариант конкретной реализации двухрезонаторного фильтра верхних частот заявляемой конструкции, а на фиг. 2 его рассчитанные амплитудно-частотные характеристики в узком (а) и широком (б) диапазонах частот, полученные с помощью программы электродинамического анализа 3D-моделей. Граничные частоты полосы пропускания фильтра по уровню - 3 дБ составляют f = 0.25 ГГц и f = 4.9 ГГц. Характеристики фильтра получены при следующих конструктивных параметрах: относительная диэлектрическая проницаемость подложки ε=9.8; толщина подложки 0.5 мм; расстояние от экранов до поверхности подложки 5 мм; ширина полосковых проводников узких участков резонаторов 0.125 мм при их длине 17.51 мм, длина широких участков 16.3 мм при их длине 7.25 мм. КСВН в полосе пропускания фильтров не более 1.2.
Видно, что заявляемый фильтр верхних частот имеет по сравнению с фильтром-прототипом существенно более высокую крутизну склона АЧХ, которая обеспечивается наличием двух нулей коэффициента передачи вблизи полосы пропускания. Важной особенностью заявляемого фильтра является возможность изменять частотное положение нулей коэффициента передачи при неизменных параметрах полосы пропускания путем варьирования зазора S (фиг. 1), что может быть полезным при настройке фильтра на заданные требования по селективности.
гр2
гр1
Еще одним важным преимуществом фильтра верхних частот заявляемой конструкции является широкая полоса пропускания (фиг. 2б). Так отношение граничных частот полосы пропускания фильтра составляет f/f = 19.6, т.е. больше четырех октав, что значительно превосходит аналогичный показатель у известных аналогов.