ВОЛНОВОДНЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ СВЧ ФИЛЬТР С ЭЛЕМЕНТАМИ НАСТРОЙКИ

Полезная модель относится к радиотехнике СВЧ и предназначена для использования в устройствах частотной селекции, преимущественно, в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн.
Известна конструкция фильтров на полых волноводах с поперечными плоскими емкостными и индуктивными диафрагмами и стержневыми индуктивными диафрагмами. [Семенов Н.А. Техническая электродинамика. М.: «Связь», 1973, с.394-397].
Известна конструкция фильтра на полых волноводах с Е-плоскостными диафрагмами [патент US 2004/0017272 A1, Jan.29, 2004].
Одним из недостатков этих фильтров является необходимость применения специальных переходов для использования их в устройствах на микрополосковых и копланарных линиях, что увеличивает габариты изделия.
Известна конструкция фильтра на основе металлизированного высокодобротного блока в форме прямоугольного параллелепипеда из термостабильной керамики, в котором сформирована цепочка резонаторов на связанных симметричных полосковых линиях с внутренними проводниками, образованными металлизированными отверстиями в керамическом блоке и металлизированными гранями блока, по схеме гребенчатых и встречно-стержневых фильтров с элементами связи в виде разомкнутых отрезков копланарных линий [патент RU 22480745 С1].
Фильтры изготавливаются по отработанной технологии, имеют малое затухание в полосе пропускания на частотах менее 10 ГГц. В более высокочастотном диапазоне размеры фильтров становятся миниатюрными, поскольку длина резонатора на основной ТЕМ-моде ~λ/4 (где λ - длина волны в диэлектрике), вследствие чего, технологические погрешности оказывают сильное влияние на характеристики фильтра и затрудняют его реализацию. Кроме того, паразитные полосы пропускания объемных мод, располагающихся вблизи основной полосы пропускания, также ухудшают характеристики фильтра.
Наиболее близким по техническому решению является принятый за прототип волноводный керамический фильтр, состоящий из металлизированного керамического блока в форме прямоугольного параллелепипеда, в котором сформирована цепочка объемных резонаторов с непосредственной связью через плоские индуктивные диафрагмы, выполненные в виде металлизированных пазов со стороны узких стенок керамического блока, с элементами связи в виде емкостных площадок на нижней грани блока [патент US 2009/0231064 A1, Sep.17, 2009].
101
Фильтр работает на основной объемной моде прямоугольного резонатора H и в миллиметровом диапазоне длин волн, имеет размеры и топологию металлизации, легко реализуемую в типовом технологическом процессе.
Недостатками прототипа являются отсутствие элементов настройки отдельных объемных резонаторов и элементов настройки связи для обеспечения согласования с входной и выходной линиями. Кроме того, глубокие пазы в керамическом блоке снижают механическую прочность фильтра.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение возможностей настройки фильтра для реализации большей номенклатуры изделий на основе базового керамического блока, а также увеличение его механической прочности.
Для достижения указанного выше технического результата предлагается керамический волноводный фильтр в виде металлизированного прямоугольного керамического блока, в котором сквозные металлизированные отверстия выполняют функции индуктивных стержневых диафрагм, элементами настройки резонаторов фильтра являются используемые в различных сочетаниях глухие металлизированные, глухие неметаллизированные, а также глухие и сквозные частично металлизированные отверстия, а подстройка согласования фильтра с входной и выходной линиями передачи после установки фильтра на плату производится за счет изменения длины короткозамкнутых отрезков копланарных линий на торцевых гранях керамического блока.
Применение индуктивных стержневых диафрагм позволяет повысить механическую прочность фильтра за счет меньшего изменения поперечного сечения керамического блока.
При этом металлизированные глухие отверстия увеличивают эквивалентную емкость резонатора, неметаллизированные глухие отверстия уменьшают эквивалентную емкость резонатора. Элементы в виде частично металлизированных глухих или сквозных отверстий позволяют как уменьшать, так и увеличивать эквивалентную емкость резонатора, что дает возможность увеличить номенклатуру изделий на основе базового керамического блока. Полностью металлизированные и неметаллизированные элементы настройки более технологичны, но смешанные элементы имеют больший диапазон изменения эквивалентной емкости резонатора.
Возможность изменения длины короткозамкнутых отрезков копланарных линий на торцевых гранях керамического блока позволяет производить подстройку согласования фильтра с входной и выходной линиями передачи после установки фильтра на плату.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
фиг.1 - волноводный керамический фильтр;
фиг.2 - разрез фильтра с глухими металлизированными и неметаллизированными отверстиями в качестве элементов настройки;
фиг.3 - разрез фильтра с глухими, частично металлизированными отверстиями;
фиг.4 - разрез фильтра со сквозными частично металлизированными отверстиями;
фиг.5 - экспериментальная и расчетная АЧХ фильтра;
фиг.6 - исходная АЧХ фильтра и АЧХ настроенного фильтра.
На фиг.1 - 4 и далее по тексту:
поз.1 - металлизированный керамический блок;
поз.2 - индуктивные стержневые диафрагмы;
поз.3 - резонаторы;
поз.4 - входной элемент связи;
поз.5 - выходной элемент связи.
Элементы настройки фильтра:
поз.6 - глухие металлизированные отверстия;
поз.7 - глухие неметаллизированные отверстия;
поз.8 - глухие, частично металлизированные отверстия;
поз.9 - сквозные, частично металлизированные отверстия.
Несмотря на то, что полезная модель проиллюстрирована изображением волноводного керамического фильтра, представленного на фиг.1, количество резонаторов и элементов настройки, а так же их вид могут быть другими. Число резонаторов определяется требуемой характеристикой фильтра и ограничивается допускаемыми потерями фильтра.
Предлагаемый волноводный керамический СВЧ фильтр с элементами настройки выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда из термостабильного керамического материала, на всех гранях которого нанесена металлизация (поз.1). В блоке сформированы одно, два или большее количество сквозных металлизированных отверстий в качестве индуктивных стержневых диафрагм (поз.2), формирующих в керамическом блоке цепочку связанных резонаторов (поз.3) с непосредственной связью. Входной (поз.4) и выходной (поз.5) элементы связи выполнены на нижней грани керамического блока в виде разомкнутых на концах отрезков копланарных линий и короткозамкнутых отрезков копланарных линий на торцевых гранях керамического блока. Глухие металлизированные отверстия (поз.6), глухие неметаллизированные отверстия (поз.7), глухие частично металлизированные отверстия (поз.8), а также сквозные частично металлизированные отверстия (поз.9) являются элементами настройки резонаторов фильтра.
Волноводный керамический СВЧ фильтр с элементами настройки работает следующим образом.
После поступления СВЧ сигнала на входной элемент (поз.4) осуществляется эффективный ввод энергии в фильтр, представляющий собой цепочку резонаторов с непосредственной связью, сформированных в металлизированном керамическом блоке с помощью индуктивных стержневых диафрагм (поз.2). Вывод энергии осуществляется посредством выходного элемента связи (поз.5). Вид характеристики фильтра определяется распределением взаимных связей резонаторов фильтра, которые, в свою очередь, определяются диаметром стержней индуктивных диафрагм.
Настройка резонаторов керамического волноводного фильтра осуществляется посредством настроечных элементов в виде глухих металлизированных отверстий (поз.6), глухих неметаллизированных отверстий (поз.7), глухих частично металлизированных отверстий (поз.8), а также сквозных частично металлизированных отверстий (поз.9). Описанные элементы настройки могут применятся в различных сочетаниях, обеспечивающих требуемую характеристику фильтра, размеры и вид элементов настройки определяются расчетно-экспериментальным путем. Согласование фильтра с входной и выходной линиями передачи после установки фильтра на плату обеспечивается регулировкой длины короткозамкнутого отрезка копланарной линии на торцевых гранях керамического блока.
0
вн
гар
На основе предложенной конструкции был разработан и изготовлен полосно-пропускающий фильтр из термостабильной керамики с диэлектрической проницаемостью ε=37. Габаритные размеры фильтра составили 17×4,65×2,2 мм. Центральная частота фильтра f=8300 МГц, ширина полосы пропускания по уровню 0,5 дБ-Δf=200 МГц, вносимое затухание в полосе пропускание a - не более 3 дБ, гарантированное затухание a - не менее 45 дБ. На фиг.5 - расчетная и экспериментальная АЧХ фильтра. На фиг.6 показаны исходная АЧХ фильтра после изготовления и АЧХ после настройки фильтра. Настройка производилась посредством изменения глубины глухих неметаллизированных отверстий и изменения площади металлизации глухих частично металлизированных отверстий.