ФИЛЬТР СВЧ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ЮСТИРОВКИ ФЕРРИТОВОГО РЕЗОНАТОРА
MICROWAVE FILTER WITH POSSIBILITY OF ADJUSTMENT OF FERRITE RESONATOR

Устройство относится к области использования ферритовых резонаторов, частота которых управляется внешним постоянным магнитным полем (магнитоуправляемые пассивные и активные устройства).
В магнитоуправляемых фильтрах широко используются сферические ферритовые резонаторы (ФР). Для создания рабочего режима ФР необходимо осуществить его эффективное взаимодействие с линией передачи на частоте ферромагнитного резонанса (ФМР). ФМР возникает при помещении ФР в постоянное магнитное поле. При этом собственный вектор намагниченности ФР начинает прецессировать (вращаться) вокруг вектора индукции внешнего магнитного поля. Возникающие высокочастотные колебания вектора намагниченности необходимо преобразовать в энергию электромагнитной волны в линии передачи. Следовательно, фильтр представляет собой участок линии передачи с включенным в него ФР, что позволяет управлять уровнем выходной мощности на частоте ФМР при помощи внешнего магнитного поля. Таким образом, предложенное устройство функционально представляет собой магнитоуправляемый полосно-запирающий фильтр.
При проектировании фильтра необходимо учитывать конкретные технические требования: тип линии передачи, диапазон рабочих частот, уровни входной и выходной мощности.
В известных конструкциях магнитоуправляемых фильтров на сферических ФР используются различные варианты одиночных витков проводников линии передачи вокруг резонатора.
Конструкции фильтров с двумя сферическими ФР, охваченными проволочными полувитками (в угловом измерении относительно геометрического центра - 180°), для использования в комбинированном генераторе с магнитной перестройкой частоты предложены в патенте US №5200713, МПК H03B 5/18; H03B 1/00.
Основные недостатки конструкции - нетехнологичность и недостаточный уровень взаимодействия линии передачи с ФР, сильная неоднородность магнитного поля, т.к. проволочный виток охватывает только половину окружности сферического ФР.
Полосовой магнитоуправляемый запирающий фильтр с несколькими сферическими ФР предложен в патенте US №5221912, МПК H01P 1/218. Связь сферических ФР с линией передачи выполнена при помощи объемных одиночных проволочных витков (в угловом измерении относительно геометрического центра - 360°), охватывающих ФР.
Такое техническое решение позволяет достичь максимально возможного уровня взаимодействия между линией передачи и ФР, однако оно нетехнологично, т.к. требует индивидуального изготовления и настройки. При этом невозможно получить повторяемость характеристик от одного образца к другому.
Конструкции патента US №6348840, МПК H01P 1/20 предполагают использование ФР в качестве поглотителя мощности электромагнитной волны, распространяющейся в микрополосковой линии передачи (МПЛ), на частоте ФМР.
Однако конструкции фильтров не являются оптимальными для достижения наилучших характеристик ввиду недостаточной индуктивной связи проволочного полувитка с ФР. Вследствие этого взаимодействие МПЛ со сферическим ФР по магнитному полю не обеспечивает высокий уровень поглощения мощности электромагнитной волны (заграждения, режекции). Недостаточный уровень режекции на частоте ФМР (при компьютерном моделировании получены значения поглощения от минус 2 до минус 4 дБ по отношению к уровню входного сигнала) приводит к дополнительным сложностям в использовании таких фильтров в магнитоуправляемых устройствах.
При изготовлении магнитоуправляемых устройств на основе ФР важным вопросом является установка ФР в фильтрах, т.к. характеристики фильтров весьма критичны к ее точности. Специальное устройство для точного позиционирования сферического ФР, охваченного проволочным полувитком, представлено в патенте US №6313711, МПК H01P 1/215. Устройство позиционирования имеет отверстие, в которое вставляется керамический держатель сферического ФР. Держатель ФР может поворачиваться вокруг оси и перемещаться в продольном направлении. При достижении оптимального расположения ФР держатель фиксируется.
К недостаткам конструкции следует отнести большие по сравнению с диаметром ФР размеры и необходимость ручной установки и фиксации положения ФР.
Наиболее близким к предлагаемому является решение, изложенное в патенте US №6348840, МПК H01P 1/20. В патенте описаны две конструкции фильтра, выполненные на микрополосковых основаниях с установленными ферритовыми сферами. Конструкции отличаются ориентацией плоскостей, в которых лежат проволочные витки, относительно плоскости микрополоскового основания. В первой конструкции эти плоскости совмещены, а во второй - перпендикулярны. В первой конструкции предусмотрено углубление, в котором сферический ФР позиционируется с большой точностью, что упрощает процесс сборки и улучшает характеристики фильтра.
Общий недостаток конструкций заключается в возможности охвата проволочным витком только половины экватора (в угловом измерении относительно геометрического центра - 180°) сферического ФР. Кроме того, вторая конструкция требует использования ручного монтажа и, следовательно, нетехнологична.
Следовательно, при проектировании фильтров СВЧ к конструкции предъявляются следующие основные требования: технологичность, точность установки ферритового резонатора, однородность магнитного поля в объеме ферритового резонатора. Теоретические оценки показывают, что даже при небольших диаметрах резонаторов (0,4-0,6 мм) изменение индукции магнитного поля, создаваемого витком проводника, в пределах объема резонатора составляет не менее 10%. Неоднородное поле в ферритовом резонаторе снижает добротность резонатора и приводит к расширению резонансной кривой ФР, что ухудшает характеристики устройств на ФР (магнитоуправляемых фильтров и генераторов на их основе). Однородное магнитное поле может быть получено с использованием длинного соленоида, что невозможно при практическом использовании, где важна компактность и технологичность.
В связи с изложенным задачами настоящего решения являются:
- увеличение уровня режекции фильтра до минус 10 - минус 15 дБ;
- получение максимально однородного магнитного поля в месте расположения сферического ФР;
- создание технологичной конструкции фильтра;
- упрощение процедуры точного позиционирования (юстировки) ФР для обеспечения повторяемости электрических характеристик фильтра при изготовлении.
Техническим результатом являются обеспечение возможности юстировки без применения дополнительных приспособлений.
Кроме того, фильтр имеет улучшенные по сравнению с прототипом характеристики, технологичность, совместимость с современными микрополосковыми технологиями.
Поставленная задача достигается тем, что в фильтр сверхвысоких частот, содержащий микрополосковое основание с размещенными на его внешней поверхности входной и выходной микрополосковыми линиями, соединенными между собой микрополосковым проводником, сферический ферритовый резонатор, согласно изобретению введено второе основание с размещенными на его внешней поверхности входной и выходной микрополосковыми линиями, соединенными между собой микрополосковым проводником, в микрополосковых основаниях выполнены отверстия конусной формы, при этом основания совмещены между собой внутренними поверхностями с возможностью обеспечения соосности отверстий для точного позиционирования сферического ферритового резонатора в отверстиях, диэлектрические элементы выполнены в виде тонких слоев, микрополосковые проводники на каждом основании выполнены в виде колец, образующих кольца Гельмгольца и охватывающих сферический ферритовый резонатор, при этом диэлектрические элементы расположены на микрополосковых основаниях с возможностью обеспечения электрического контакта входной и выходной микрополосковых линий через кольцо микрополоскового проводника и с одновременным исключением непосредственного электрического контакта входной и выходной микрополосковыми линиями.
Часть кольца проводника микрополоскового основания со стороны входной микрополосковой линии расположена под диэлектрическим элементом, а часть кольца микрополоскового проводника со стороны выходной микрополосковой линии расположена над диэлектрическим элементом.
Кольца Гельмгольца - система из двух одинаковых кольцевых витков с током, расположенных соосно на расстоянии, примерно равном радиусу витков, друг от друга и соединенных между собой последовательно. В центре системы имеется зона однородного магнитного поля.
Изменение величины магнитной индукции в объеме сферического ФР, расположенного в системе двух колец Гельмгольца, достигается порядка 5%. По сравнению с одиночным витком проводника вокруг ФР магнитное поле более однородно, что позволяет существенно улучшить частотные характеристики фильтра.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 схематически показана конструкция микрополоскового основания, предназначенного для формирования кольца проводника МПЛ вокруг сферического ФР. На фиг.3 - внешний вид фильтра с установленным сферическим ФР, а на фиг.4 - поперечное сечение фильтра по прямой A-A' перпендикулярно основаниям:
где
1 - входной проводник МПЛ (вход СВЧ-сигнала);
2 - место расположения сферического ферритового резонатора (конусное отверстие);
3 - диэлектрическая прокладка с напыленным проводником МПЛ;
4 - выходной проводник МПЛ (выход СВЧ-сигнала);
5 - основание МПЛ;
6 - кольцо проводника МПЛ;
7 - сферический ферритовый резонатор;
8-D1 - диаметр сферического ФР;
9-D2 - меньший диаметр конусного отверстия;
10-D3 - больший диаметр конусного отверстия;
11-H1 - толщина микрополоскового основания;
12-H2 - толщина микрополоскового основания;
13-h1 - толщина проводника МПЛ выходной линии;
14-h2 - толщина изолирующей диэлектрической вставки;
15-h3 - толщина проводника МПЛ входной линии.
Стрелками показаны направления высокочастотных токов, проходящих по проводникам МПЛ.
Микрополосковое основание 5 (фиг.1 и 2) содержит входной 1 и выходной 4 проводники МПЛ, кольцо (виток) проводника МПЛ 6, диэлектрический слой с нанесенным отрезком проводника МПЛ 3. Сферический ФР 7 располагается в отверстиях конусной формы 2 по внутреннему диаметру витка проводника МПЛ. В конструкции использован полный виток (360°) проводника МПЛ вокруг сферического ФР. В области схождения образующих виток проводников МПЛ нанесен слой диэлектрического материала 3 (например, оксида кремния) толщиной в несколько микрон. Диэлектрический слой необходим для исключения гальванического контакта сходящихся проводников МПЛ. Поверх слоя диэлектрика по обычной микрополосковой технологии наносится отрезок МПЛ, завершающий виток проводника МПЛ вокруг сферического ФР. Таким образом в фильтре реализуются условия для эффективного использования ФР в режиме ФМР.
Фильтр содержит два микрополосковых основания 5 (фиг.3) со сферическим ФР 7 между ними. Сферический ФР расположен симметрично относительно микрополосковых оснований. Микрополосковые основания имеют толщину ј диаметра ФР и содержат сквозные углубления конусной формы 2 для фиксации положения ФР. В случае, если толщина стандартного основания меньше ј диаметра ФР, конструкция допускает использование дополнительной диэлектрической вставки (на чертеже не показана), расположенной между основаниями с отверстием для установки ФР. Процесс сборки заключается в установке ФР 7 в конусных отверстиях 2 микрополосковых оснований 5 и их фиксации с помощью герметика. Микрополосковые основания с кольцевыми проводниками 6 (фиг.2) образуют кольца Гельмгольца вокруг ФР. Конструкция фильтра позволяет получить доступ к входам - выходам микрополосковых проводников 1 и 4 (фиг.3) для электрического соединения фильтра с другими элементами схемы. При этом возможны варианты последовательного и параллельного подключения колец Гельмгольца в зависимости от требований конкретной задачи. Поперечное сечение фильтра по прямой A-A' перпендикулярно основаниям показано на фиг.4.
Устройство работает следующим образом. При внесении фильтра в постоянное магнитное поле возникают колебания вектора намагниченности ФР, которые за счет индуктивной связи ФР с витками проводников, образующих кольца Гельмгольца, вызывают избирательное поглощение энергии электромагнитных колебаний, поступающей на вход фильтра, на частоте ФМР. В результате на выходе фильтра формируется амплитудно-частотная характеристика полосно-запирающего типа с повышенным по сравнению с прототипом уровнем заграждения (от -10 до -15 дБ), что позволяет использовать предложенную конструкцию фильтра для создания магнитоуправляемых устройств. При этом за счет использования колец Гельмгольца в объеме сферического ФР магнитное поле оказывается более однородным, чем в случае использования одиночного витка проводника. В результате частотная избирательность фильтра улучшается. Также конструкция позволяет точно зафиксировать положение сферического ФР, что повышает повторяемость характеристик фильтра и технологичность его сборки.
Пример конкретного применения (фиг.4): D1=400 мкм - диаметр сферического ФР типа КГ-30, D2=340 мкм - меньший диаметр конусного отверстия, D3=470 мкм - больший диаметр конусного отверстия, H1=H2=100 мкм - толщины микрополосковых оснований из арсенида галлия, hl=h3=3 мкм - толщины проводников МПЛ выходной линии и входной линий, h2=2 мкм - толщина изолирующей диэлектрической вставки из оксида кремния.
На основе предложенных УПИ возможно создание синтезаторов частот, датчиков слабых магнитных полей, датчиков малых механических смещений, дефектоскопов и пр. с улучшенными техническими характеристиками.