Миниатюрный микрополосковый резонатор со встречно-штыревой структурой

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот и предназначена для создания фильтров, задающих цепей генераторов и др.
Известна конструкция микрополоскового резонатора на квазисосредоточенных емкостных и индуктивных элементах [Jiwen Zhu, Zhenghe Feng Microstrip interdigital hairpin resonator with optimal physical length //IEEE Microwave and wireless component letters, 2006, №12, P.672-674]. Резонатор состоит из емкости, образованной микрополосковой встречно-штыревой структурой (ВШС) и включенной параллельно ей индуктивности, реализованной на основе регулярного отрезка микрополосковой линии передачи.
Недостатком такого резонатора является сравнительно низкая собственная добротность, которая быстро падает с уменьшением размеров резонатора.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является миниатюрный микрополосковый резонатор [Патент РФ №157847, МПК H01P 1/205, опубл. 20.12.2015 бюл. №35], содержащий диэлектрическую подложку, нижняя сторона которой полностью металлизирована и является заземляемым основанием, а на вторую сторону нанесены полосковые металлические проводники, образующие встречно-штыревую структуру. Проводники с нечетными номерами одним концом гальванически соединены с экраном с одного края подложки, а с четными номерами – с противоположного. Такой резонатор имеет более высокую добротность по сравнению с первым аналогом при прочих равных условиях.
Однако в такой конструкции требуется соединение полосковых проводников с экраном, которое выполняется, как правило, припоем, имеющим низкую проводимость, что уменьшает предельно достижимую величину собственной добротности и ухудшает технологичность изготовления.
Еще одним недостатком, как первого, так и второго аналога является малая протяженность полосы заграждения в полосно-пропускающих фильтрах на основе таких резонаторов.
Техническим результатом полезной модели является увеличение собственной добротности микрополоскового резонатора и расширение высокочастотной полосы заграждения фильтров на его основе.
Указанный технический результат достигается тем, что в микрополосковом резонаторе, содержащем диэлектрическую подложку, одна сторона которой полностью металлизирована и является заземляемым основанием, а на вторую сторону нанесены металлические параллельные друг другу полосковые проводники встречно-штыревой структуры, у которой проводники с нечетными номерами одним концом гальванически соединены друг с другом посредством общего проводника с одной стороны, а с четными номерами соединены друг с другом посредством общего проводника с противоположной стороны, новым является то, что проводники выполнены четвертьволновыми, при этом концы проводников встречно-штыревой структуры соединены единым общим проводником и не замкнуты на экран, а встречно-штыревая структура имеет форму квадратной петли.
Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что проводники выполнены четвертьволновыми, при этом концы проводников встречно-штыревой структуры соединены единым общим проводником и не замкнуты на экран, а встречно-штыревая структура имеет форму квадратной петли. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Полезная модель поясняется чертежами:
фиг. 1 – пример реализации топологии полосковых проводников заявляемой конструкции микрополоскового резонатора;
фиг. 2 – зависимость нижайшей резонансной частоты заявляемого резонатора и его собственной добротности от числа проводников встречно-штыревой структуры;
фиг. 3 – рассчитанные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) потерь на прохождение и отражение четырехзвенного полосно-пропускающего фильтра на основе заявляемого резонатора.
Заявляемый резонатор (Фиг. 1) содержит диэлектрическую подложку, нижняя сторона которой полностью металлизирована и является заземляемым основанием, а на вторую сторону нанесены полосковые металлические проводники 1, электромагнитно связанные между собой. Совокупность этих проводников образует встречно-штыревую структуру, у которой проводники с нечетными номерами одним концом гальванически соединены друг с другом общим полосковым проводником 2 с одной стороны, а с четными номерами – с противоположной стороны. При этом все параллельные полосковые проводники встречно-штыревой структуры на резонансной частоте являются четвертьволновыми, а сама ВШС имеет форму квадратной петли.
Как известно, в дециметровом и особенно в метровом диапазоне длин волн одной из наиболее важных проблем является уменьшение размеров электродинамических резонаторов при обеспечении их достаточно высокой собственной добротности. Также известно, что значение собственной добротности микрополосковых резонаторов на практике в этих диапазонах обычно не превышает нескольких сотен, причем она уменьшается с понижением частоты. Это обусловлено несколькими факторами, главными из которых являются малая толщина проводников по сравнению с глубиной скин-слоя, конечная проводимость металла, из которого изготовляются полосковые проводники, и неравномерное распределение токов в поперечном сечении проводников. Кроме того, при реализации миниатюризованных конструкций микрополосковых резонаторов, использующих традиционные подходы к уменьшению размеров, например, применение скачка ширины проводника или использование квази-сосредоточенных емкостных и индуктивных элементов, приводит к снижению собственной добротности. Это объясняется высокой плотностью тока в индуктивной части нерегулярного проводника резонатора, имеющего относительно узкое сечение.
Заявляемая конструкция микрополоскового резонатора позволяет повысить собственную добротность по сравнению с известными конструкциями при сохранении высокой степени миниатюрности, что, в свою очередь, позволяет улучшить характеристики частотно-селективных устройств на ее основе.
Предлагаемый резонатор работает следующим образом. На нижайшей резонансной частоте конструкции, когда каждый полосковый проводник ВШС является четвертьволновым, эти проводники имеют одинаковое распределение высокочастотных токов и напряжений по их длине, т.е. ток в резонаторе поровну делится на все проводники. А так как проводники заявляемого резонатора образуют встречно-штыревую структуру, то при их большом количестве высокочастотный ток более равномерно распределяется по площади резонатора. Проводники заявляемого резонатора имеют сильную электромагнитную связь друг с другом, а высокочастотные токи в проводниках встречно-штыревой структуры на нижайшей резонансной частоте имеют одинаковое направление. Это увеличивает индуктивность колебательной системы и приводит к существенному уменьшению длины резонатора для нижайшей резонансной частоты. В результате уменьшаются «джоулевы» потери в резонаторе, и, соответственно, возрастает его собственная добротность по сравнению с известными аналогами.
Заявляемая конструкция резонатора принципиально отличается от резонатора-прототипа тем, что встречно-штыревая структура 1 имеет форму квадратной петли, а максимум плотности высокочастотного тока приходится на проводник 2, который имеет малую длину и не требует замыкания на экран. Отсутствие замыкания с экраном в местах максимума плотности тока, которое обычно выполняется либо тонкими проволоками, либо высокоомными припоями, позволяет достигнуть более высокой собственной добротности резонатора по сравнению с резонатором прототипом при прочих равных условиях.
Отличительной особенностью предлагаемой конструкции резонатора является то, что увеличение числа проводников встречно-штыревой структуры при ее фиксированной ширине приводит к существенному понижению первой резонансной частоты. Это означает, что при фиксированной резонансной частоте увеличение числа проводников ВШС приводит к уменьшению длины резонатора, то есть к уменьшению его размеров. При этом собственная добротность резонатора изменяется слабо. Сказанное подтверждается результатами электродинамического моделирования.
На Фиг. 2 представлена рассчитанная зависимость нижайшей резонансной частоты f1 заявляемого микрополоскового резонатора от числа полосковых проводников встречно-штыревой структуры. Материал подложки «Поликор» (ε=9.8) толщиной 1 мм. Ширина ВШС резонатора была зафиксирована и составляла W=1 мм. Ширина проводников ВШС изменялась обратно пропорционально их числу при фиксированном расстоянии между ними 20 мкм. Размеры сторон резонатора составляли 4.5мм х 4.5мм. Видно, что с увеличением числа проводников ВШС резонансная частота значительно понижается. Это означает, что на фиксированной резонансной частоте при увеличении числа проводников ВШС заявляемого резонатора его длина будет существенно уменьшаться.
На Фиг.2 также представлена рассчитанная зависимость собственной добротности Q0 нижайшей моды колебаний заявляемого полоскового резонатора от числа полосковых проводников встречно-штыревой структуры. Расчет произведен для фиксированной резонансной частоты 1 ГГц, по известным из литературы формулам приведенной добротности [Leksikov, A.A., Serzhantov, A.M., Govorun, I.V., Ugryumov, A.V., Leksikov, A.A. Miniaturized suspended-substrate two-conductors resonator and a filter on its base // Progress In Electromagnetics Research M, 2019, Vol. 84, p. 127–135]. Остальные конструктивные параметры были такими же, как указано выше. Как видно из представленной зависимости с увеличением количества проводников происходит рост собственной добротности почти в 1.5 раза, в то время как длина резонатора при этом уменьшается почти в два раза, что подтверждает заявляемый технический результат.
Как известно, основной областью применения микрополосковых резонаторов является разработка на их основе различных частотно-селективных устройств, в частности, полосно-пропускающих фильтров. На Фиг. 3 представлены рассчитанные в программе электродинамического анализа амплитудно-частотные характеристики потерь на прохождение (S21) и отражение (S11) четырехзвенного полосно-пропускающего фильтра на основе микрополосковых резонаторов заявляемой конструкции, имеющих форму квадратного петли. Фильтр имеет относительную ширину полосы пропускания Δf3/f0≈10 % (по уровню –3 дБ) с центральной частотой f0=1ГГц. Конструктивные параметры фильтра были следующими: материал подложки «Поликор» (ε=9.8) толщиной 1мм, число проводников встречно-штыревой структуры в каждом резонаторе N=13, ширина полосковых проводников ВШС 50 мкм, зазор между проводниками в резонаторе 20 мкм. Расстояние между внутренними резонаторами в фильтре составляло 0.6 мм, между наружными 0.2 мм.
Достоинствами заявляемой конструкции резонатора являются малые размеры полосковой структуры фильтра на его основе (7 мм × 20 мм), по сравнению с другими известными конструкциями микрополосковых фильтров, резонаторы которых не имеют замыканий полосковых проводников на экран, а также небольшое вносимое затухание в полосе пропускания (менее 2дБ) и высокая селективность, которая обеспечивается двумя близкорасположенными к полосе пропускания нулями коэффициента передачи. Фильтр также имеет протяженную высокочастотную полосу заграждения, которая по уровню ‒30дБ простирается до частоты почти 7f0, что больше, чем у известных аналогов при прочих равных условиях.
Таким образом, заявляемая конструкция резонатора позволяет существенно уменьшить вносимые потери в полосе пропускания фильтров при сохранении высокой степени миниатюрности. Важным преимуществом заявляемого устройства является также и то, что заявляемый резонатор не требует замыкания его полосковых проводников на экран, что повышает технологичность изготовления устройства в интегральном исполнении. Предлагаемый подход может быть использован для создания высокодобротных резонаторов для задающих цепей генераторов и узкополосных полосно-пропускающих фильтров, имеющих малые вносимые потери, для систем связи, радиолокации, радионавигации и специальной радиоаппаратуры.