СВЧ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к технике СВЧ, в частности, к частотно-избирательным устройствам, а именно полосовым фильтрам на диэлектрических резонаторах (ДР).
др
Известен СВЧ фильтр, который состоит из металлического корпуса, в котором размещены: диэлектрические резонаторы, каждый на индивидуальной диэлектрической подложке из диэлектрического материала с ε«ε, и элементы возбуждения, размещенные независимо от диэлектрических подложек [Приложение: Безбородов Ю.М., Нарытник Т.Н., Федоров В.Б. Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах. -К.: Тэхника, 1989 - 63-68, 72-74 с.]
Недостатки данного устройства связаны с трудоемкостью закрепления ДР и элементов возбуждения, что не позволяет обеспечить унификацию получаемых изделий, добиться одинаковых параметров у серии фильтров без тщательной настройки. Раздельное закрепление деталей фильтра снижает надежность и долговечность, стойкость к внешним воздействующим факторам.
Известен также СВЧ фильтр [патент RU на изобретение №2397579], который состоит из корпуса, в котором размещены диэлектрические резонаторы на диэлектрических держателях, выполняющих роль подложек, элементов возбуждения и винта настройки.
Данное устройство обладает теми же недостатками, что и предыдущее. Кроме того, роль элементов возбуждения в данном устройстве выполняют отрезки прямоугольных волноводов, использование которых требует их расчета для каждой конкретной реализации фильтра и применения волноводных линий передачи.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является СВЧ (фильтр, известный из публикации №2010199790 заявки JP. Данное устройство включает в себя диэлектрическую подложку с металлизированными углублениями, в которых зафиксированы ДР, имеющие с одной торцевой стороны локальную металлизацию. Диэлектрическая подложка с зафиксированными в ней пайкой диэлектрическими резонаторами (ДР) размещена в металлическом корпусе, являющемся экраном.
Однако изготовление данного фильтра требует металлизации ДР и углублений в диэлектрической подложке дорогостоящим методом напыления или осаждения, который является трудоемким, длительным процессом и требует изготовления технологической оснастки для осуществления процесса металлизации. Кроме того, в описанном устройстве не решен вопрос формирования и закрепления элементов возбуждения.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение надежности фильтров при сохранении их высоких характеристик.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в СВЧ фильтре, содержащем корпус и размещенные в нем: элементы возбуждения, диэлектрическую подложку, имеющую углубления, и зафиксированные в углублениях диэлектрические резонаторы, элементы возбуждения выполнены на поверхности диэлектрической подложки.
Кроме того заявляется устройство, в котором наряду с вышеназванными признаками элементы возбуждения выполнены методом фотолитографии.
Кроме того заявляется устройство, в котором наряду с вышеназванными признаками диэлектрические резонаторы зафиксированы в углублениях с помощью клея на основе эпоксидных смол.
Кроме того заявляется устройство, в котором наряду с вышеназванными признаками диэлектрические резонаторы являются цилиндрическими.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности СВЧ фильтра благодаря минимуму деталей и соединений, что достигается за счет использования единой монолитной диэлектрической подложки, на которой зафиксированы ДР и элементы возбуждения. Кроме того, за счет единой конструкции из диэлектрической подложки, ДР и элементов возбуждения, настройка производится на собранном фильтре, что снижает трудоемкость его настройки.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью Фиг.1-6, на которых изображены:
Фиг.1 - металлизированная диэлектрическая пластина;
Фиг.2 - металлизированная диэлектрическая пластина после проведения процесса фотолитографии, вид сверху;
Фиг.3 - диэлектрическая подложка с элементами возбуждения и углублениями, вид сверху;
Фиг.4 - фильтр в сборе, продольное сечение;
Фиг.5 - фильтр в сборе, поперечное сечение;
Фиг.6 - фильтр в сборе, общий вид.
На Фиг.1-6 позициями 1-12 отмечены:
1 - слой диэлектрика;
2 - фольга;
3 - пластина;
4 - реперный знак границы;
5 - реперный знак центра;
6 - элемент возбуждения;
7 - углубление;
8 - диэлектрическая подложка;
9 - диэлектрический резонатор (ДР);
10 - корпус;
11 - крышка;
12 - настроечный винт.
СВЧ фильтр состоит из диэлектрической подложки 8, в которой выполнены углубления 7 и на поверхности которой выполнены элементы возбуждения 6. В углублениях 7 размещены диэлектрические резонаторы (ДР) 9. Диэлектрическая подложка 8 помещена в корпус 10, имеющий крышку 11, в которой над каждым ДР 9 размещен настроечный винт 12.
СВЧ фильтр изготавливают следующим образом.
Для изготовления диэлектрической подложки берут диэлектрическую пластину (Фиг.1), у которой основой является слой однородного диэлектрика 1 и хотя бы одна боковая сторона металлизирована фольгой 2. Для этих целей можно использовать, например, продукцию фирмы Rogers - СВЧ-ламинаты серии ТММ с низким коэффициентом диэлектрической проницаемости ε~3÷5. Данный материал обладает постоянством механических и электрических параметров в широком диапазоне температур, технологичен при механической обработке, в отличие от керамики или кристаллических диэлектрических материалов. В зависимости от размера пластины 3 и требуемых размеров фильтра изготавливают фотошаблон, на котором изображены реперные знаки: границы 4 будущей диэлектрической подложки фильтра и центры 5 размещения ДР 9. Отмечают также элементы возбуждения 6 и, при необходимости, иные печатные элементы (не обозначены). Элементы возбуждения 6 могут быть произвольной формы в зависимости от требуемых характеристик (фильтра и способа образования электромагнитных связей между ДР 9, корпусом 10 фильтра и элементами возбуждения 6.
Затем на пластине выполняют элементы возбуждения 6 и реперные знаки 4, 5. Для этого металлизацию фольгой 1 с поверхности пластины, за исключением отмеченных реперных знаков 4, 5, элементов возбуждения 6 и других печатных элементов, удаляют методом (фотолитографии, т.е. изготавливают диэлектрическую подложку с размещенными на ней металлическими элементами по распространенной технологии, используемой в производстве печатных плат. В частности, в такой пластине возможно изготовление заземленных площадок с металлизированными отверстиями, проходящими сквозь диэлектрическую подложку, что позволяет изготавливать полосно-заграждающие фильтры, а также на этапе сборки устанавливать на пластине при помощи пайки экраны произвольной формы. Данная операция не требует применения специализированного оборудования: установок для напыления, требующих индивидуальной настройки для каждой конкретной реализации (фильтра, и может применяться на предприятиях с мелкосерийным или опытным производством.
В случае изготовления из одной пластины 3 нескольких подложек 8, как показано на Фиг.2, или если диэлектрическая подложка 8 имеет форму, отличную от прямоугольной, полученную заготовку по реперным знакам границ 4 подложек разделяют на элементы. Каждый элемент представляет собой диэлектрическую подложку 8 с уже нанесенными элементами возбуждения 6 и реперными знаками 5 -центрами позиционирования ДР 9.
С использованием реперных знаков 5 в качестве базы для механической обработки в диэлектрической подложке 8 фрезерованием выполняют углубления 7 (Фиг.3), форма которых соответствует форме используемых ДР 9. В частном случае использования цилиндрических или дисковых ДР 9 углубления 7 будут иметь форму круга, как показано на Фиг.3. Глубину углублений 7 выбирают из расчета обеспечения оптимальной связи ДР 9 между собой и с элементами возбуждения 6, а также с учетом требований надежной фиксации ДР 9 в углублениях 7. Количество ДР 9, а следовательно, и углублений 7 выбирают в зависимости от требований к форме АЧХ фильтра и внеполосному подавлению в требуемом диапазоне частот.
-7
-1
В подготовленные углубления 7 вклеивают ДР 9. Состав и марку клея выбирают с учетом условий эксплуатации фильтра и разницы температурных коэффициентов расширения (ТКР) диэлектрической подложки 8 и материала ДР 9. ТКР ламинатов ТММ составляет 180÷280·10 °С, что соответствует ТКР алюминиевых и медных сплавов, из которых изготавливают корпус 10 фильтра. Следовательно, фильтр в сборе получается согласованным по ТКР.
Таким образом, получают конструкцию, в которой ДР 9 и элементы возбуждения 6 расположены на единой диэлектрической подложке 8. Такое построение, с минимумом деталей и соединений, обеспечивает надежность конструкции, стойкость к вибрации и циклическим перепадам температуры. Указанную конструкцию помещают в металлический корпус 10 с металлической крышкой 11, выполняющие функцию экрана. Данную операцию можно осуществлять вклеиванием диэлектрической подложки 8 в корпус 10 или пайкой в случае наличия металлизации с обратной стороны диэлектрической подложки 8.
В крышке 11 выполняют отверстия для настроечных винтов 12, размещают в них настроечные винты 12 и осуществляют настройку уже собранного фильтра, изображенного на Фиг.6.
Таким образом, для изготовления заявляемого фильтра необходим минимум оборудования, используемого при широко распространенной технологии изготовления печатных плат. Использование единой конструкции, включающей диэлектрическую подложку, ДР и элементы возбуждения, гарантирует точное совпадение расчетных размеров и взаимного расположения всех составных частей фильтра, обеспечивая высокие характеристики готового изделия и возможность получения ряда фильтров с идентичными электрическими параметрами, облегчает настройку.
Устройство работает следующим образом. Элементы возбуждения 6, размещенные на диэлектрической подложке 8 фильтра, соединяют с внешними линиями передачи. Тип линий передачи и способ перехода элемент возбуждения 6 - линия передачи зависит от конкретного назначения фильтра. Элементы возбуждения 6, связанные с крайними ДР 9, возбуждают в последних высокочастотные колебания и обеспечивают ввод/вывод энергии в фильтре. АЧХ фильтра определяется резонансным характером каждого ДР 9, величиной связи ДР 9 между собой, величиной связи элементов возбуждения 6 с крайними ДР 9, резонансными характеристиками металлического корпуса 10 с крышкой 11, т.е. резонансной характеристикой системы ДР 9 - элементы возбуждения 6 - корпус 10 с крышкой 11 в целом.
Пример.
Конкретная реализация фильтра полосно-пропускающего типа поясняется с помощью
Фиг.7-10, на которых изображено:
Фиг.7 - совмещенные АЧХ трех фильтров;
Фиг.8 - АЧХ фильтра (модуль коэффициента передачи) и модуль коэффициента отражения по входу и выходу в логарифмическом масштабе;
Фиг.9 - коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) фильтра в полосе пропускания;
Фиг.10 - диаграмма Смита.
Из пластины ламината ТММ 3 фирмы Rogers с относительной диэлектрической проницаемостью 3, 27, толщиной 1,52 мм, размерами 457,2×304,8 мм и двусторонней металлизацией медью толщиной 18 мкм выполняют заготовки-пластины размером 60х48 мм. Из них с помощью фотолитографии выполняют заготовку в соответствии с фотошаблоном. Заготовку, содержащую четыре диэлектрических подложки с элементами возбуждения в виде полуколец и реперными знаками, разделяют. Каждая диэлектрическая подложка будущего фильтра имеет длину 46 мм и ширину 10 мм. На диэлектрической подложке с помощью фрезерного станка выполняют пять углублений с переменным шагом 8,4 и 9,0 мм и глубиной 0,3 мм. В каждое углубление вклеивают цилиндрический ДР высотой 3,6 мм, диаметром 5 мм, диаметром отверстия 2 мм и относительной диэлектрической проницаемостью 80±1. Вклеивание осуществляют с использованием клея на основе эпоксидной смолы марки СЭДМ-2 с наполнителем тальк. Этот состав обеспечивает надежность клеевого соединения материалов с неодинаковыми ТКР при циклических изменениях температуры в диапазоне от -60°С до +85°С.Затем диэлектрическую подложку вклеивают в латунный корпус, покрытый слоем серебра толщиной 4-6 мкм и имеющий следующие размеры: длина - 50 мм, ширина - 19,5 мм, высота - 11 мм. В крышке, выполненной из того же материала, над каждым ДР выполняют резьбовые отверстия диаметром 3 мм для установки настроечных винтов. В подготовленные в крышке отверстия вкручивают настроечные винты над каждым ДР и осуществляют настройку фильтра. Уменьшением расстояния металлического винта до ДР увеличивают резонансную частоту последнего и; одновременно, в небольших пределах подстраивают связь ДР с соседними, осуществляя таким образом настройку фильтра по частоте и неравномерности АЧХ. Для обеспечения оптимальной связи элементов возбуждения с крайними ДР и, следовательно, согласования волнового сопротивления фильтра в полосе пропускания с внешними линиями передачи (50 Ом) может требоваться подстройка элементов возбуждения фильтра. Эта операция производится изменением длины элементов возбуждения. Полная настройка фильтра занимает для специалиста не более 10 мин. По окончании настройки настроечные винты фиксируются электропроводящим клеем, что обеспечивает постоянство настройки фильтра с течением времени и его радиогерметичность. Фильтр с указанными параметрами имеет полосу пропускания 100 МГц при центральной частоте 6950 МГц.
На Фиг.7 изображены АЧХ трех фильтров из разных партий. Приведенные АЧХ свидетельствуют о повторяемости электрических параметров фильтра, малых потерях в полосе пропускания, низком уровне внеполосного пропускания. На Фиг.8 изображены совмещенные АЧХ фильтра (линия А) и коэффициент отражения по входу (линия В) и выходу (линия С) в логарифмическом масштабе. Неравномерность АЧХ составляет менее 1 дБ при вносимых потерях вместе с потерями, вносимыми оснасткой, 3 дБ. Фильтр хорошо согласован в полосе пропускания с нагрузкой (50 Ом), что отражено на графике КСВН (Фиг.9) и диаграмме Смита (Фиг.10). Избирательность фильтра составляет порядка 40 дБ при отстройке, равной полосе пропускания.