МНОГОСЛОЙНЫЙ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР
MULTILAYER BANDPASS FILTER

Изобретение относится к микроволновой и оптической технике и может быть использовано в устройствах связи, преобразователях частоты и спектрометрах в диапазоне от миллиметровых до субмикронных длин волн.
Известен оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр [Патент РФ №2552127, МПК G02B 5/28, опубл. 10.06.2015 г., Бюл. №16]. Фильтр содержит диэлектрическую подложку, на которую нанесены чередующиеся тонкопленочные слои диэлектриков с высоким и низким показателем преломления. Часть слоев из материала с низким показателем преломления являются однослойными резонаторами, имеющими фазовую толщину π на центральной частоте полосы пропускания. Остальные слои образуют многослойные диэлектрические зеркала, обеспечивающие требуемые величины связей каждого из резонаторов с соседним резонатором, диэлектрической подложкой или внешним пространством.
Недостатком известного оптического многослойного полосно-пропускающего фильтра является близкое расположение нижней и верхней паразитных полос пропускания в его частотной характеристике к рабочей полосе пропускания. Этот недостаток обусловлен проявлением резонансных свойств многослойными диэлектрическими зеркалами, а также эквидистантностью спектра резонансных частот однослойных резонаторов.
Наиболее близким аналогом является многослойный полосно-пропускающий фильтр [Прототип: В.A. Belyaev and V.V. Tyurnev. Novel multilayer bandpass filter with extended lower and upper stop bands // Optics Letters. 2015. Vol. 40, No. 18, p. 4333-4335], содержащий параллельные слои диэлектрика, каждый из которых отделен один от другого и от окружающего пространства прилегающими зеркалами. Каждое зеркало фильтра представляет собой решетку параллельных тонкопленочных полосковых проводников, нанесенную на поверхность диэлектрического слоя. Во всех зеркалах оси параллельных тонкопленочных полосковых проводников совпадают. Каждый слой диэлектрика в фильтре является резонатором.
Недостатком наиболее близкого аналога является то, что край верхней паразитной полосы пропускания устройства расположен ниже, чем удвоенная центральная частота фильтра. Это сужает верхнюю полосу заграждения и тем самым ухудшает частотную характеристику устройства. Указанный недостаток обусловлен тем, что однослойные диэлектрические резонаторы фильтра имеют почти эквидистантный спектр резонансных частот.
Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение селективных свойств фильтра, выражающееся в расширении верхней полосы заграждения за счет значительного повышения частоты верхней паразитной полосы пропускания относительно центральной частоты фильтра.
Технический результат достигается тем, что в многослойном полосно-пропускающем фильтре, содержащем параллельные слои диэлектрика, каждый из которых отделен один от другого и от окружающего пространства плоской решеткой параллельных тонкопленочных полосковых проводников с упорядоченными осями, новым является то, что оси любых двух соседних решеток ортогональны, а резонансная частота каждой пары смежных слоев диэлектрика вместе с прилегающими к ним решетками полосковых проводников равна центральной частоте полосы пропускания.
Отличается заявляемый фильтр от наиболее близкого аналога ортогональностью осей его любых двух соседних решеток тонкопленочных полосковых проводников, а также равенством резонансных частот каждой пары смежных слоев диэлектрика вместе с прилегающими к ним решетками полосковых проводников центральной частоте полосы пропускания.
Достоинством многослойного фильтра с двумя типами решеток с ортогональными осями тонкопленочных полосковых проводников является образование в таком фильтре системы связанных двухслойных резонаторов, в которых частота второго резонанса может быть значительно выше удвоенной частоты первого резонанса. Это позволяет значительно повысить частоту паразитной полосы пропускания относительно центральной частоты и тем самым значительно расширить верхнюю полосу заграждения.
Это отличие позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признак, отличающий заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлен в других технических решениях при изучении данной и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивает заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена конструкция многослойного полосно-пропускающего фильтра пятого порядка. Здесь 1 - вертикальные полосковые проводники, 2 - горизонтальные полосковые проводники; векторы Е, Н указывают направления электрического и магнитного поля фильтруемой волны, а волновой вектор k указывает направление распространения этой волны.
На фиг. 2 представлены расчетные частотные зависимости коэффициента прохождения мощности электромагнитной волны для заявляемого многослойного полосно-пропускающего фильтра пятого порядка и его ближайшего прототипа.
0
1
2
3
1
2
3
Пример осуществления изобретения показан на фиг. 1. Фильтр пятого порядка имеет десять диэлектрических слоев, выполненных из полиметилпентена. Этот материал имеет показатель преломления n=1.46. Конструкция фильтра обладает зеркальной симметрией относительно плоскости, расположенной между центральными слоями диэлектрика. На границах раздела диэлектрических слоев располагаются решетки параллельных тонкопленочных полосковых проводников с чередующимися вертикальными (1) и горизонтальными (2) осями. Все решетки полосковых проводников имеют период T=40 мкм. Все решетки с горизонтальными осями (2) имеют одинаковые зазоры между полосковыми проводниками s=1.96 мкм. Решетки с вертикальными осями (1) имеют зазоры s=26.28 мкм, s=7.50 мкм, s=6.73 мм с нумерацией в направлении от наружных решеток к центральным решеткам. Слои в каждой паре соседних слоев диэлектрика имеют одинаковую толщину, если между ними располагается решетка с горизонтальными проводниками. Слои в таких парах имеют толщины h=23.25 мкм, h=25.42 мкм, h=25.45 мкм с нумерацией в направлении от наружных пар соседних слоев к центральным парам.
0
0
0
0
Расчетная частотная характеристика для приведенного примера фильтра показана сплошной линией на фиг. 2. Здесь использовался матричный метод расчета многослойных структур, а также формулы для матрицы рассеяния волн на решетке полосковых проводников [Б.А. Беляев, В.В. Тюрнев. Дифракция электромагнитных волн на одномерной решетке полосковых проводников, расположенной на границе раздела диэлектрических сред // Известия высших учебных заведений. Физика. 2015, т. 58, №5, с. 57-66]. Рабочая полоса пропускания имеет центральную частоту ƒ=1 ТГц и относительную ширину Δƒ/ƒ=1% по уровню -3 дБ. На частотах ниже частоты ƒ паразитные полосы пропускания отсутствуют. Край ближайшей паразитной полосы пропускания по уровню прохождения -100 дБ располагается на частоте 3.82ƒ.
Здесь же на фиг. 2 показана штриховой линией расчетная частотная характеристика ближайшего аналога с теми же параметрами полосы пропускания.
Многослойный фильтр работает следующим образом. Он представляет собой систему из пяти связанных резонаторов. Резонатором является каждая пара соседних слоев диэлектрика, между которыми расположена плоская решетка горизонтальных тонкопленочных полосковых проводников. «Внешними линиями передачи» фильтра является свободное пространство по обе стороны конструкции, в котором могут распространяться падающие и отраженные плоские электромагнитные волны. Цепями связи резонаторов являются решетки вертикальных полосковых проводников.
e
e
e
i
Две наружные решетки вертикальных полосковых проводников обеспечивают оптимальную связь двух наружных резонаторов фильтра с «внешними линиями передачи», то есть со свободным пространством. Величину такой связи обычно характеризуют внешней добротностью Q. Эта связь тем больше, чем меньше Q. Внутренние решетки вертикальных полосковых проводников призваны обеспечить оптимальную связь между соседними резонаторами. Связь между резонаторами характеризуют коэффициентом связи k. Оптимальные значения Q и k зависят от требуемой относительной ширины полосы пропускания. Они могут быть рассчитаны по известным формулам [G.L. Matthaei, L. Young, and Е.М.Т. Jones. Microwave filter, impedance-matching networks, and coupling structures. McGraw-Hill Book Company, 1964, Sec. 8.02]. Из них, в частности, следует, что все связи в фильтре пропорциональны относительной ширине полосы пропускания. Оптимальные величины связей в фильтре обеспечиваются выбором величин зазоров s между полосковыми проводниками во всех решетках с вертикальными осями. Чем больше величина зазора, тем сильнее связь.
0
Как и в любом резонаторном фильтре, частота первой моды колебаний каждого резонатора должна совпадать с центральной частотой ƒ требуемой полосы пропускания. Положение ближайшей паразитной полосы пропускания будут задавать частоты вторых мод колебаний резонаторов.
0
0
0
0
0
1
2
3
0
0
1
2
3
1
2
3
0
Наличие решетки горизонтальных полосковых проводников в центре каждого двухслойного резонатора позволяет значительно понизить частоту первой моды колебаний относительно частоты второй моды. В результате край ближайшей паразитной полосы пропускания фильтра переместится вверх за частоту 2ƒ. Причем чем меньше будет зазор s между горизонтальными проводниками, тем выше отодвинется край паразитной полосы пропускания за частоту 2ƒ. На частоте ƒ фазовая толщина слоев диэлектрика для любого резонатора всегда будет меньше π/2. Совпадение частоты первой моды колебаний каждого резонатора с требуемой центральной частотой ƒ может быть обеспечено как выбором оптимальных толщин диэлектрических слоев h, h, h для каждого резонатора, так и выбором для каждого резонатора оптимального зазора s в решетке горизонтальных проводников. В примере осуществления изобретения, приведенном выше, равенство частот резонаторов при произвольном одинаковом значении зазора s во всех резонаторах достигнуто выбором неодинаковых оптимальных значений толщин h, h, h. Возможен и другой вариант конструирования фильтра, при котором все резонаторы имеют одинаковые произвольные фиксированные толщины слоев h, h, h, но неодинаковые оптимальные зазоры s.
0
1
2
3
Следует иметь в виду, что резонансные частоты любого резонатора в рассматриваемом фильтре зависят не только от параметров его диэлектрических слоев и параметров расположенной между ними решетки горизонтальных проводников, но также зависят от параметров решеток, связывающих резонаторы. Так как все связи резонаторов в настроенном фильтре всегда неодинаковы, то не могут быть одновременно одинаковыми зазоры s во всех решетках горизонтальных проводников при одинаковых толщинах h, h, h всех диэлектрических слоев.
Таким образом, преимуществом заявляемого многослойного фильтра является большая ширина верхней полосы заграждения. Он может быть изготовлен из материалов с произвольной диэлектрической проницаемостью.