Микрополосковый полосно-пропускающий фильтр без паразитной полосы пропускания

P. A. Turalchuk, Ya. A. Kolmakov, A. V. Simine, D. V. Kholodnyak Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI"

Multilayer Integrated Circuits of Miniature Microwave Devices for Telecommunication Systems

Advantages of microwave devices designed as multiplayer integrated circuits based on low temperature co-fired ceramics are discussed. Design examples of filters and directional couplers using quasi-lumped as well as distributed components are considered.

Microwave integrated circuits, low temperature co-fired ceramics, filters, directional couplers

Статья поступила в редакцию 31 декабря 2004 г.

УДК 621.3.049.77:621.372.54

И. В. Колмакова, Я. А. Колмаков

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет "ЛЭТИ"

Микрополосковый полоснопропускающий фильтр без паразитной полосы пропускания

Рассмотрены методы подавления паразитных полос пропускания у микрополоско-вых полосно-пропускающих фильтров. Представлен фильтр третьего порядка без второй полосы пропускания. Приведена топология, расчётные и экспериментальные характеристики фильтра.

СВЧ-фильтр, микрополосковый резонатор

Полоснопропускающие СВЧ-фильтры, использующие в качестве резонансных элементов полуволновые отрезки длинных линий, широко применяются в современной радиоэлектронике. Однако по сравнению с фильтрами на сосредоточенных элементах они имеют существенный недостаток - кратные паразитные полосы пропускания. Наличие таких полос снижает помехозащищенность радиоэлектронного устройства. При использовании фильтров с паразитными полосами пропускания в блоках разделения частотных каналов (мультиплексорах) с рабочей полосой в несколько октав возможно прохождение сигнала в основной полосе высокочастотного фильтра и в паразитной полосе пропускания более низкочастотного. В результате сигнал возникает в нескольких каналах одновременно, что может привести к ошибке работы системы в целом.

Существует несколько способов подавления паразитных полос пропускания фильтра. Наибольшее распространение получили: использование фильтра нижних частот (ФНЧ) [1]; использование резонаторов с плавно изменяющимся волновым сопротивлением [2]; емкостная компенсация [3]. Наиболее простым является использование ФНЧ, так как этот способ не требует применения усложненных методик проектирования, но при этом увеличиваются общие размеры фильтра. К тому же ФНЧ может иметь собственные паразитные полосы пропускания. Использование резонаторов с изменяющимся волновым сопротивлением подавляет паразитные полосы без увеличения размеров фильтра, но приводит к усложнению его проектирования и значительному увеличению времени расчета устройства в про© И. В. Колмакова, Я. А. Колмаков, 2005 71

граммах электродинамического моделирования. Емкостная компенсация - один из простейших методов подавления паразитной полосы пропускания для расчета и применения в микрополосковых фильтрах.

Емкостная компенсация. Емкостная компенсация осуществляется введением дополнительных емкостей между двумя резонаторами. На рис. 1 представлена пара связанных микрополосковых резонаторов-шпилек со с схематично показанными емкостями. Для подавления кратной паразитной

Рис-1 полосы пропускания необходимо устремить коэффициент связи между ре-

зонаторами в этой полосе к нулю. Коэффициент связи между парой связанных резонаторов

может быть определен по формуле [4] к = (/¿V - /¿Д)/(/¿V + /о^), где /еу и /ой - резонансные частоты четной и нечетной мод соответственно. Известно, что резонансная частота четной моды меньше, чем резонансная частота нечетной моды. Таким образом, для уменьшения коэффициента связи между резонаторами необходимо изменить электрическую длину нечетной моды. Это осуществляется введением емкостей между резонаторами, которые уменьшают резонансную частоту нечетной моды, увеличивая ее электрическую длину. Величина емкостей (рис. 1) одинаковая и может быть рассчитана по формуле:

С «двоа/

где А@од - электрическая длина нечетной моды; /0 - центральная частота; - волновое сопротивление нечетной моды.

Топология, расчетные и экспериментальные характеристики фильтра. Эффективность метода емкостной компенсации для фильтров на основе резонаторов-шпилек, расположенных в виде решетки, была проверенна на фильтре третьего порядка.

Топология фильтра на стандартных резонаторах-шпильках представлена на рис. 2, а. В ходе расчета этого фильтра был использован фильтр-прототип с Чебышевской характеристикой. Результаты расчетов передаточной характеристики (сплошная линия) и коэффициента отражения (штриховая линия) фильтра в широкой полосе частот приведены на рис. 2, б. Отражение в полосе пропускания составило 17 дБ, полоса пропускания - А/ = =170 МГц, центральная частота / = 2.63 ГГц. Фильтр имеет четко выраженную паразитную полосу пропускания на частоте около 2/о .

Для подавления паразитной полосы пропускания были добавлены емкости между резонаторами. Емкости реализованы в виде сильно связанных отрезков микрополосковых секций. Номиналы емкостей рассчитаны используя (1). Для сохранения центральной частоты фильтра длина резонаторов была уменьшена.

Топология фильтра на основе модифицированных резонаторов-шпилек представлена на рис. 3, а. Размеры фильтра 12.5x10.2 мм. На рис. 3, б представлены передаточные характеристики фильтра без учета потерь (сплошная линия) и с учетом потерь в медных проводниках (штриховая линия). С учетом потерь подавление паразитной полосы составило 30 дБ, а без учета - 20 дБ. Коэффициент отражения фильтра с учетом потерь (штриховая линия) и без их учета (сплошная линия) показан рис. 4.

12.5 мм

2.

о

5 f ГГц

5 f ГГц

L, дБ

-30 -

-60

-90 -

L, дБ

б

Рис. 2

б

Рис. 3

-10

-20

L, дБ

"Т i

Микрополосковый фильтр с емкостной компенсацией был изготовлен на поликоровой подложке, материал проводников - медь с нанесенным сверху слоем золота. Экспериментальное исследование частотных характеристик фильтра в узкой (рис. 5, а, кривая 1

- передаточная характеристика фильтра; 2

- коэффициент отражения) и широкой 2 3 4 5 / ГГц (рис. 5, б) полосе частот проводилось, используя анализатор цепей НР8710В. Потери в полосе пропускания составили 2.6 дБ, полоса пропускания А/ = 158 МГц, центральная частота /о = 2.5 ГГц (рис. 5, а).

Подавление второй паразитной полосы пропускания более 12 дБ (рис. 5, б). Расхождение результатов измерений с расчетными параметрами связано с отклонением диэлектрической проницаемости в использованной подложке (е = 10.8) от принятой при расчете (в = 9.8), что вызвало снижение резонансной частоты на 130 МГц и ухудшение коэффициента отражения в полосе пропускания фильтра.

Рис. 4

а

а

3

4

2

2

3

4

0

2.0 2.2 2.4 2.6

0

2.8 f ГГц

2.0 3.2 4.4 5.6 6.8 f ГГц

L, дБ

-20

-30

-10

-40

L, дБ

ч

а

б

Рис. 5

Результаты расчетов и экспериментального исследования показывают перспективность использования метода емкостной компенсации для подавления кратной паразитной полосы пропускания фильтра с расположением резонаторов в виде решетки.

1. Kolmakov Ya. A. Quasi-elliptic two pole microstrip filters // 15-th Int. conf. on microwaves, radar and wireless communications (MIC0N-2004). Warsaw, 2004. Conference proceeding. Vol. 1. P. 159-161.

2. New microstrip "wiggly-line" filters with spurious passband suppression / T. Lopetegi, M. A. G. Laso, J. Hernández et al. // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 2001. Vol. MTT-49, № 9. P. 1593-1597.

3. Bahl I. J. Capacitively compensated high performance parallel coupled microstrip filters // IEEE MTT-S Digest. 1989. P. 679-682.

4. Hong J. S., Lancaster M. J. Couplings of microstrip square openloop resonators for cross-coupled planar microwave filters // IEEE Trans. Microwave Theory Tech.. 1996. Vol. 44, № 11. P. 2099-2109.

I. V. Kolmakova, Ya. A. Kolmakov

Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI"

Microstrip Bandpass Filter without Spurious Passband

The problem of spurious bandpass suppression in microstrip filters is considered. A three-pole filter with rejected second spurious passband is designed and fabricated. The theoretical and experimental performance and filter layout is presented.

Microwave filter, microstrip resonator

Статья поступила в редакцию 31 декабря 2004 г.

Библиографический список