МИКРОПОЛОСКОВЫЙ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к области радиотехники СВЧ и может быть использована в системах преобразования частоты для выделения полезного сигнала и подавления мощности на частотах выше и ниже рабочего диапазона частот, например подавления мощности гетеродина и зеркального канала.
Известен полосно-пропускающий фильтр на параллельно связанных полуволновых резонаторах (см. Справочник по элементам полосковой техники. Под ред. А.Л. Фельдштейна. - М. Связь. 1979 стр. 196 рис. 7.5). Фильтр представляет собой каскадное включение четвертьволновых связанных полосковых линий, два диагонально противоположных плеча которых соединяются с соседними каскадами и с входом и выходом, а два других разомкнуты. Фильтр в микрополосковом исполнении позволяет реализовать полосы пропускания не более 15%. При этом, АЧХ фильтра не имеет полюсов запирания вблизи полосы пропускания, и для получения АЧХ с высокой крутизной ската требуется увеличение количества резонаторов, что приводит к увеличению габаритов и потерь в полосе пропускания.
Более широкую полосу пропускания обеспечивает микрополосковый фильтр (см. АС СССР №1681344, опубл. 30.09.91 г.). Микрополосковый фильтр содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой размещено металлическое основание, а на другой стороне проводник соединительной линии, к концам которого к его кромке подключены проводники входной и выходной линий. К этой же кромке проводника соединительной линии, на расстоянии меньше четверти длины волны друг от друга, подключены перпендикулярно разомкнутые проводники, при этом длины этих проводников, меньше четверти длины волны. Другая кромка проводника соединительной линии по всей длине соединена с металлическим основанием, при этом ширина его меньше четверти длины волны. Недостатком фильтра является невысокая крутизна ската АЧХ со стороны нижних частот, а также необходимость выполнения соединения проводника с металлическим основанием.
Наиболее близким к заявляемому является шлейфовый полосно-пропускающий фильтр с полуволновыми резонаторами (см. Справочник по элементам полосковой техники. Под ред. А.Л. Фельдштейна. - М.: Связь. 1979 стр. 196 рис. 7.7а), выбранный в качестве прототипа. Известный фильтр содержит проводник соединительной линии, концы которого являются входом и выходом фильтра. К проводнику соединительной линии, на расстоянии четверти длины волны друг от друга, к его противоположным кромкам подключены перпендикулярно с обеих сторон, разомкнутые на концах, проводники, общая длина двух проводников, подключенных по разные стороны, равна половине длины волны. При этом длины проводников, расположенных с одной стороны проводника соединительной линии меньше длин проводников, расположенных с другой стороны. Фильтр позволяет реализовать разные по ширине полосы пропускания путем изменения места включения полуволновых проводников к соединительной линии. Он имеет полюса запирания ниже и выше полосы пропускания на частотах, где длина отрезков линий, образованных подключенными проводниками, равна четверти длины волны. Недостаток прототипа заключается в том, что он имеет недостаточную крутизну АЧХ, для увеличения которой необходимо увеличивать количество резонаторов, что приведет к увеличению габаритов и потерь в полосе пропускания. Кроме того, фильтр имеет узкие полосы запирания ниже и выше полосы пропускания.
Цель полезной модели - увеличение крутизны скатов АЧХ и расширение полосы заграждения при уменьшении габаритов. Для достижения указанной цели, в микрополосковый полосно-пропускающий фильтр, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой размещено металлическое основание, а на другой стороне -проводник соединительной линии, у которого концы являются входом и выходом фильтра, а к противоположным кромкам подключены перпендикулярно с обеих сторон проводники, при этом длины этих проводников, расположенных с одной стороны проводника соединительной линии меньше длин проводников, расположенных с другой стороны, согласно полезной модели, дополнительно введены отрезки проводников, одни концы которых подключены к концам проводников, а другие разомкнуты и электромагнитно связаны между собой.
В одном варианте отрезки дополнительных проводников расположены по оси основных, и их ширина больше ширины основных проводников.
В другом варианте отрезки дополнительных проводников расположены между основными проводниками, параллельно им.
Введение дополнительных электромагнитно связанных проводников позволяет обеспечить дополнительные полюса запирания ниже и выше полосы пропускания за счет чего получить высокую крутизну ската АЧХ и расширение полосы запирания при малом количестве резонаторов. Расположение дополнительных проводников между основными, параллельно им, позволяет уменьшить габариты фильтра.
В результате поиска не обнаружено информации, позволяющей сделать вывод об известности отличительных признаков заявляемого технического решения, следовательно, заявляемое техническое решение соответствуют условию новизны
На фиг. 1 приведены топология (а) и АЧХ (б) предлагаемого микрополоскового полосно-пропускающего фильтра из трех резонаторов с расширенными электромагнитно связанными отрезками проводников, на фиг. 2 - топология (а) и АЧХ (б) предлагаемого микрополоскового полоснопропускающего фильтра с параллельными проводниками. При этом на фиг. 1б и 2б сплошная линия - это ослабление фильтра, шкала слева; пунктирная линия - КСВН, шкала справа.
Предлагаемый микрополосковый полосно-пропускающий фильтр (фиг. 1а, фиг. 2а) содержит диэлектрическую подложку 1, на одной стороне которой размещено металлическое основание, а на другой стороне проводник 2 соединительной линии, концы которого являются входом и выходом фильтра. К противоположным кромкам проводника 2 подключены с обеих сторон проводники 3, 4, 5 и 6, 7, 8. К концам этих проводников подключены соответственно одними концами дополнительные отрезки проводников 9, 10, 11 и 12, 13, 14, другие концы которых разомкнуты и электромагнитно связаны между собой..
Проводники 3, 9, 6, 12 образуют первый резонатор фильтра, проводники 4, 10, 7, 13 - второй резонатор, проводники 5, 8, 11, 14 - третий резонатор. При этом резонаторы фильтра соединены через отрезок линии проводника 2 и связаны у разомкнутых концов электромагнитной связью.
В фильтре, представленном на фиг. 1а, ширина проводников 9, 10, 11 и 12, 13, 14 больше ширины проводников 3, 4, 5, 6, 7, 8 и определяется величиной зазора между проводниками 9, 10, 11 и 12, 13, 14 и длиной отрезка линии проводника 2 между точками подключения резонаторов 3 и 4, 4 и 5 (ступенчатые резонаторы).
В фильтре, представленном на фиг. 2а, проводники 9, 10, 11 и 12, 13, 14 расположены между проводниками 3, 4, 5, 6, 7, 8 параллельно им, образуя шпилечные резонаторы.
Длины отрезков соединительной линии проводника 2 между соседними резонаторами фильтра меньше четверти длины волны, при этом, чем меньше его длина, тем меньше ширина.
Длины проводников резонаторов фильтра по одну сторону от проводника соединительной линии проводника 2 меньше, чем по другую сторону, и эта разница определяется шириной полосы пропускания, при этом она больше для фильтров с более широкой полосой пропускания. Общая длина проводников каждого из резонаторов выбирается из условия резонанса на средней частоте полосы пропускания фильтра. Длина участков резонаторов, связанных электромагнитной связью, то есть проводников 9, 10, 11 и 12, 13, 14 примерно равна длине участков резонаторов фильтра не связанных электромагнитной связью, то есть проводников 3, 4, 5 и 6, 7, 8. Величина зазора между проводниками 9, 10, 11 и 12, 13, 14 определяется требуемой величиной электромагнитной связи, обеспечивающей полюс затухания на заданной частоте за полосой пропускания фильтра. Чем меньше величина зазора, тем сильнее электромагнитная связь и тем ближе частота полюса затухания к полосе пропускания. При этом электромагнитная связь между проводниками 9, 10, 11 «короткой» части резонаторов обеспечивает полюс затухания на частотах выше полосы пропускания, электромагнитная связь между проводниками 12, 13, 14 «длинной» части резонаторов обеспечивает полюс затухания на частотах ниже полосы пропускания.
Предлагаемый микрополосковый полосно-пропускающий фильтр работает следующим образом. СВЧ сигнал, поступающий на вход, проходит по проводнику 2 на выход в полосе пропускания фильтра, так как суммарная входная проводимость каждого полоскового резонатора, образованного проводниками 3-14 на частоте резонанса равна нулю, а при небольшой отстройке они компенсируют друг друга, так как электрическая длина отрезка линии связи между резонаторами равна 90 градусов. При длинах отрезка меньше четверти длины волны, это условие обеспечивается небольшим удлинением проводников 3, 4, 5.
На частотах за полосой пропускания фильтра, резонаторы шунтируют соединительную линию 2, и ослабление сигнала увеличивается при отстройке от граничных частот полосы пропускания фильтра. Одновременно малая часть сигнала проходит между точками подключения соседних резонаторов через электромагнитные связи между ними. При равенстве амплитуд и разности фаз в 180 градусов сигнал, прошедший по проводнику 2 через резонаторы, компенсируется сигналом, прошедшим по проводникам резонаторов через емкостной зазор. При этом имеет место полная компенсация, т.е. полюс затухания. Равенство амплитуд на скате АЧХ фильтра обеспечивается величиной зазора между соседними резонаторами. Требуемая разность фаз обеспечивается длинами проводников и соединительной линии. Анализ показывает, что электромагнитная связь «короткой» части резонаторов обеспечивает полюс затухания на частотах выше полосы пропускания, электромагнитная связь «длинной» части резонаторов обеспечивает полюс затухания на частотах ниже полосы пропускания. Возможно, установка полюса на конкретную частоту, например частоту гетеродина. При увеличении количества резонаторов фильтра увеличивается количество полюсов запирания, за счет чего достигается увеличение затухания в полосе запирания фильтра.
На фиг 1.б и фиг. 2.б представлены расчетные АЧХ трехзвенного фильтра со ступенчатыми и со шпилечными резонаторами, соответственно. Видно, что предлагаемый фильтр обеспечивает дополнительные полюса запирания с обеих сторон от полосы пропускания.
Технико-экономический эффект предлагаемого микрополоскового полосно-пропускающего фильтра состоит в следующем. Введение в состав резонаторов отрезков связанных линий позволяет получить высокое запирание на заданных частотах вблизи полосы пропускания при малом количестве резонаторов в фильтре и, следовательно, при малых его габаритах.
На предприятии были изготовлены опытные образцы преобразователя частоты с предлагаемыми фильтрами, используемых для подавления мощности смесителя на частоте гетеродина и частотах зеркального канала на сигнальном входе. При экспериментальной проверке были получены результаты, подтверждающие достижение поставленной цели. Фильтры обеспечивали подавление мощности на частоте гетеродина и частотах зеркального канала не менее 35 дБ при дополнительных потерях сигнала не более 0.8 дБ. Таким образом, предлагаемый фильтр, по сравнению с прототипом, обеспечил увеличение затухания при малой отстройке от полосы пропускания и широкой полосе заграждения. При этом, так как фильтр содержал только три «свернутых» резонатора, он занимал малую площадь на плате.