Высокоселективный микрополосковый полосно-пропускающий фильтр
HIGHLY SELECTIVE MICROSTRIP BAND PASS FILTER

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для частотной селекции сигналов.
Известен шпильковый полосно-пропускающий микрополосковый фильтр, содержащий диэлектрическую подложку, одна сторона которой металлизирована и выполняет функцию заземляемого основания, а на вторую нанесены П-образные полосковые проводники с разомкнутыми концами, образующие электромагнитно связанные резонаторы [J.S. Wong. Microstrip tapped-line filter design // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1979, Vol. 27, No 1, PP. 44-50]. Недостатком такого фильтра являются низкие селективные свойства, связанные с невозможностью работы его резонаторов в многомодовом режиме.
Известен шпильковый полосно-пропускающий микрополосковый фильтр, содержащий диэлектрическую подложку, одна сторона которой металлизирована и выполняет функцию заземляемого основания, а на вторую нанесены П-образные полосковые проводники со скачком ширины на изгибе и замкнутым на заземляемое основание широким концом, образующие электромагнитно связанные двухмодовые резонаторы [Патент RU № 2182738, МПК H01P1/203, опубл. 20.05.2002]. Недостатком такого фильтра является сложность конструкции, заключающаяся в необходимости замыкания широкого конца резонатора на заземляемое основание для обеспечения двухмодового режима работы.
Наиболее близким аналогом является полосно-пропускающий фильтр [Патент RU № 2480867, МПК H01P1/203, опубл. 27.04.2013 (прототип)]. Фильтр состоит из двухмодовых резонаторов, каждый из которых содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое металлизированное основание, а на вторую сторону нанесён прямолинейный полосковый проводник, частично расщеплённый с одного конца продольной щелью. Длина нерасщеплённого участка полоскового проводника находится в пределах от 16 % до 65 %. Техническим результатом при осуществлении изобретения является упрощение конструкции резонатора и фильтра на его основе за счёт исключения замыкания полоскового проводника резонатора на заземляемое металлизированное основание при сохранении двухмодового режима работы резонатора.
Недостатком является его сравнительно невысокая селективность, связанная с тем, что в нем рабочими являются только две моды колебаний.
Техническим результатом изобретения является повышение селективности микрополоскового полосно-пропускающего фильтра.
новым
Технический результат достигается тем, что в высокоселективном микрополосковом полосно-пропускающем фильтре, содержащем диэлектрическую подложку, одна сторона которой металлизирована и выполняет функцию заземляемого основания, а на вторую нанесён прямолинейный полосковый проводник резонатора частично расщеплённый с одного конца продольной щелью, причем относительная длина нерасщеплённого участка составляет от 16 % до 65 %, при этом внутри расщепленного участка располагается дополнительный полосковый проводник, соединенный одним концом с нерасщепленным участком резонатора, является то, что фильтр выполнен с возможностью получения трех мод колебаний каждого резонатора, при этом фильтр обладает двумя нулями коэффициента передачи, расположенными симметрично относительно центральной частоты полосы пропускания фильтра, а также выполнен с возможностью сближения резонансных частот путем варьирования длины нерасщепленного участка.
Отличие заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключается в том, что внутри расщеплённого участка резонатора расположен дополнительный полосковый проводник, соединенный одним концом с нерасщепленным участком. Такое техническое решение позволяет использовать для формирования полосы пропускания не две, а три моды колебаний каждого резонатора, а также сформировать дополнительные нули коэффициента передачи на амплитудно-частотной характеристике фильтра, что значительно повышает его селективность.
Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется с помощью графических материалов:
На фиг. 1 изображён трехмодовый микрополосковый резонатор, используемый в заявляемой конструкции фильтра.
f
f
f
1
2
3
На фиг. 2 изображено распределение высокочастотных токов в полосковых проводниках резонатора для его трех нижайших резонансных частот - , , и.
На фиг. 3 изображён пример конкретной реализации заявляемого фильтра.
8
На фиг. 4 изображены амплитудно-частотные характеристики конкретной реализации фильтра заявляемой конструкции (7) и фильтра-прототипа ().
1
2
3
4
l
W
5
l
w
4
1
3
Заявляемый фильтр состоит из трехмодового микрополоскового резонатора (фиг. 1), который содержит диэлектрическую подложку (), одна сторона которой металлизирована и выполняет функцию заземляемого основания, а на вторую нанесён прямолинейный полосковый проводник (), частично расщеплённый с одного конца продольной щелью (). Относительная длина нерасщеплённого участка () составляет от 16 % до 65 %, а его абсолютная длина  больше ширины . Внутри расщеплённого участка резонатора расположен дополнительный полосковый проводник () длиной  и шириной , соединенный одним концом с нерасщепленным участком ().
f
1
В формировании полосы пропускания фильтра участвуют три нижайшие моды колебаний микрополоскового резонатора (фиг. 2). Для первой моды колебаний, имеющей частоту , токи на расщеплённом участке резонатора текут в дополнительном проводнике и на нерасщеплённом участке в одном направлении.
f
2
Для второй моды, имеющей частоту , токи на расщеплённом участке текут в противоположных направлениях и отсутствуют в дополнительном проводнике и на нерасщеплённом участке.
f
3
Для третьей моды, имеющей частоту , токи на расщеплённом участке текут в одном направлении, а в дополнительном проводнике в противоположном направлении, и отсутствуют на нерасщеплённом участке.
f
l
f
l
l
f
l
f
f
f
f
–
f
l
5
l
l
f
f
f
2
1
1
1
1
1
1
1
2
3
2
3
3
1
2
1
2
3
Исходя из вышесказанного, резонансная частота  для второй моды колебаний не зависит от длины  нерасщеплённого участка, а для первой моды колебаний зависимость частоты () существует. Причём чем длиннее , тем ниже резонансная частота  для первой моды колебаний. Это значит, что при достаточно большой длине  резонансная частота  будет ниже частот  и . В то же время разность резонансных частот   в рассматриваемом резонаторе может быть как отрицательной, так и положительной и может изменяться в широких пределах в зависимости от длины  дополнительного проводника (). Таким образом, варьирование длины  и  позволяет сближать резонансные частоты , , и в той мере, которая необходима для настройки резонатора в трехмодовых полосно-пропускающих фильтрах.
6
S
6
На фиг. 3 показан пример выполнения конкретной реализации однорезонаторного фильтра заявляемой конструкции. Фильтр работает следующим образом: входная и выходная передачи подключаются к расщепленному участку резонатора посредством емкостной связи, образованной полосковыми проводниками () и расщепленным участком резонатора, как показано на приведенной фигуре. Величина зазора  между проводниками () и расщепленным участком резонатора 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.
Как известно, селективность фильтра определяется в первую очередь крутизной склонов амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) полосы пропускания. Для повышения крутизны наиболее эффективным является увеличение числа резонансов, формирующих полосу пропускания, и генерации вблизи полосы пропускания нулей коэффициентов передачи (полюсов затухания). Главным недостатком известных подходов является то, что изменение положения полюсов затухания на АЧХ фильтра требует существенной корректировки связей его резонаторов, которые определяют требуемую ширину полосы пропускания. Поэтому размещение полюсов затухания на заданных частотах при заданных параметрах полосы пропускания представляет достаточно сложную техническую задачу, в некоторых случаях практически неразрешимую. Кроме того, наряду с высокой крутизной склонов часто требуется обеспечить их симметричность относительно центра полосы пропускания.
В фильтре заявляемой конструкции в результате интерференции сигнала, распространяющегося через проводник резонатора (т.е. по основному каналу), и сигнала, распространяющегося через дополнительные каналы, на определенных частотах возникает их противофазное сложение, приводящее к образованию нулей коэффициентов передачи (полюсов затухания), которые располагаются на амплитудно-частотной характеристике фильтра практически симметрично относительно центра полосы пропускания.
7
S
S
h
W
w
l
l
l
21
11
r
1
2
3
На фиг. 4 изображены частотные зависимости () коэффициента передачи  (сплошная линия) и коэффициента отражения  (точки) заявляемого фильтра, который имел следующие конструктивные параметры. Диэлектрическая проницаемость подложки ε = 80, ее толщина  = 2 мм, ширина нерасщепленного участка резонатора  = 2.3 мм, ширина каждого из проводников на расщепленном участке  = 0.5 мм. Длина нерасщепленного участка составляла =8.6 мм, расщепленного участка =9.6 мм при длине дополнительного проводника =11.7 мм. Указанные длины выбиралась таким образом, чтобы центральная частота полосы пропускания фильтра равнялась 1 ГГц.
8
S
21
Для сравнения на фиг. 4 также изображена амплитудно-частотная характеристика () коэффициента передачи  (штриховая линия) фильтра-прототипа, имеющего такие же конструктивные параметры, как и заявляемый фильтр. Видно, что селективность заявляемого фильтра (крутизна склонов и уровень подавления) на частотах вблизи полосы пропускания значительно выше, чем у фильтра-прототипа при прочих равных условиях.
Таким образом, заявляемый технический результат обеспечивается не только за счет использования для формирования полосы пропускания большего по сравнению с прототипом числа рабочих мод колебаний, но и за счет формирования двух нулей коэффициента передачи, которые располагаются практически симметрично относительно центральной частоты полосы пропускания фильтра.