Монолитный полосковый фильтр
MONOLITHIC STRIP FILTER

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для создания устройств частотной селекции сигналов сверхвысоких частот, фильтров, диплексеров и др.
Известна конструкция полоскового резонатора и фильтра на его основе [Беляев Б. А., Изотов А. В., Лексиков А. А., Сержантов А. М., Сухин Ф. Г. Полосковый резонатор на двойной подвешенной подложке // Патент на полезную модель №99248, опубл. 10.11.2010, Бюл. №31]. Фильтр содержит две диэлектрические подложки, подвешенные между экранами корпуса, на обе поверхности которых нанесены полосковые металлические проводники резонаторов, электромагнитно-связанные между собой и имеющие форму прямоугольника. Фильтр характеризуется миниатюрностью, но имеет значительные недостатки при серийном производстве. Во-первых, процесс изготовления такого фильтра трудозатратен из-за необходимости использования большого количества паяных соединений и плохо совместим с автоматическими процессами производства. Во-вторых, повторяемость характеристик фильтра оказывается низкой из-за необходимости применения ручного труда, снижающего точность изготовления, а также невозможности регулировки устройства без вскрытия корпуса-экрана.
Наиболее близким аналогом является полосковый фильтр, изготовленный по технологии многослойных печатных плат [Лексиков А. А. Многослойные многопроводниковые полосковые резонаторы и устройства частотной селекции сигналов на их основе: дис. докт. техн. наук: 1.3.4. – Сибирский федеральный университет, Красноярск, 2022. – 354 с]. В таком фильтре для исключения влияния материала препрега на характеристики полосковых элементов в фильтре, изготавливаемом по технологии многослойных печатных плат посредством прессования диэлектрических подложек, все полосковые проводники резонаторов выполнены двухслойными, а препрег располагается между этими слоями. При этом двухслойные проводники замкнуты смежными концами с одной стороны на экран, а с другой стороны разомкнуты. В результате на рабочих частотах напряжение на разомкнутых концах имеет одинаковый знак, что делает равным нулю электрическое поле в слое препрега, и тем самым значительно уменьшается его влияние на характеристики резонатора. По сравнению с другими известными конструкциями такой подход уменьшает влияние материала препрега на характеристики резонаторов, что дает возможность повысить собственную добротность резонаторов и улучшить повторяемость характеристик устройств при массовом изготовлении. Недостатком устройства является то, что хорошая повторяемость характеристик устройств обеспечивается только на частотах метрового и дециметрового диапазонов длин волн (рабочие частоты менее 3 ГГц), а также при широких полосах пропускания (относительная ширина полосы 10% и более). На частотах сантиметрового диапазона длин волн повторяемость характеристик значительно ухудшается вследствие ограниченной точности изготовления полосковой структуры фильтра. При этом улучшение повторяемости за счет регулировки после изготовления невозможно, из-за наличия сплошной наружной металлизации, выполняющей функцию экрана.
Техническим результатом изобретения является повышение повторяемости характеристик монолитных полосковых фильтров, изготовленных по технологии многослойных печатных плат.
новым является то, что
s
w
16∙w
w
2
2
2
Указанный технический результат достигается тем, что в монолитном полосковом фильтре, включающем соединенные методом прессования несколько диэлектрических подложек, с расположенными на них металлическими полосковыми двухслойными проводниками резонаторов, между которыми расположен связующий слой препрега, а также экран, выполненный в виде слоя наружной металлизации, при этом двухслойные проводники замкнуты смежными концами с одной стороны на экран, а с другой стороны разомкнуты, в экране на внешней поверхности фильтра выполнены отверстия, причем они располагаются над теми местами, где полосковые проводники резонаторов замкнуты на экран, при этом площадь каждого отверстия  находится в интервале от  до  мм, где  – ширина полоскового проводника в месте размещения отверстия в мм.
s
w
16∙w
w
2
2
2
Существенное отличие заявляемого способа от прототипа заключается в том, что в слое наружной металлизации, являющимся экраном устройства, выполнены отверстия, при этом они имеют такую форму, которая допускает возможность технически простого изменения их площади в процессе регулировки характеристик фильтра после его изготовления. Важным является и то, что отверстия расположены над теми местами, где полосковые проводники резонаторов соединены с экраном, а площадь каждого отверстия  находится в интервале от  до  мм, где  – ширина полоскового проводника в месте размещения отверстия в мм, что позволяет изменять резонансную частоту полосковых резонаторов до ~10%.
Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется следующими рисунками. На Фиг. 1 изображена конструкция монолитного полоскового фильтра заявляемой конструкции, установленного на печатной плате, а на Фиг. 2 показан фильтр отдельно. На Фиг. 3–7 отображены отдельно элементы конструкции заявляемого полоскового фильтра. На Фиг. 8 приведена зависимость резонансной частоты многопроводникового полоскового резонатора от площади отверстий в слое наружной металлизации.
1
2
1
3
4
5
4
6
7
8
6
7
8
9
10
9
11
4,
5
5
s
w
16∙w
w
9
5
5
2
2
2
Заявляемый монолитный полосковый фильтр  изготавливается по технологии многослойных печатных плат иразмещается (Фиг. 1) на печатной плате  целевого устройства. Фильтр  имеет (Фиг. 2) два порта  и снаружи покрыт слоем металлизации – экраном , в котором выполнены отверстия . Под экраном  расположены (Фиг. 3, 4) толстые внешние диэлектрические подложки , между которыми размещены (Фиг. 5) тонкие диэлектрические подложки и связующие слои препрега . Между слоями подложек ,  и препрега  расположены проводники  резонаторов. Над теми местами (Фиг. 6, 7), где полосковые проводники  замкнуты на общие земляные шины , соединенные (Фиг. 2) с экраном  расположены отверстия . Площадь каждого отверстия  находится в интервале от  до  мм, где  – ширина полоскового проводника  в месте размещения отверстия  в мм. Конкретные размеры отверстия  определяются на этапе численного электродинамического моделирования, корректируются в ходе производства опытных серий фильтров и выбираются исходя из требуемого диапазона регулировки частоты резонаторов и отсутствия излучения в электромагнитной энергии в свободное пространство.
Как известно, для проектирования полосно-пропускающих фильтров с уникальными характеристиками, в частности, высокой миниатюрностью, большой шириной полосы заграждения, с высокой повторяемостью характеристик в массовом производстве, можно использовать технологию многослойных печатных плат. В тоже время, известные способы изготовления не позволяют создавать устройства частотной селекции сигналов сантиметрового диапазона длин волн, пригодные для серийного производства, которые могли бы заинтересовать разработчиков, например, гражданских систем радиоэлектроники. При использовании известных способов для изготовления продукции гражданского назначения конечная стоимость устройства кратно возрастает в связи с низким процентом выхода годных изделий и оказывается высокой относительно других известных технологий производства фильтров. Для решения указанной проблемы необходимо в конструкции полоскового фильтра предусмотреть возможность регулировки характеристик устройства после его изготовления. Заявляемая конструкция полоскового фильтра позволяет в значительной мере решить указанную проблему.
Монолитный полосковый фильтр работает следующим образом. Входная и выходная линии передачи подключаются как показано на Фиг. 1. Расстояние от заземленных концов полосковых проводников резонаторов до точек подключения внешних линий передачи определяется заданным уровнем отражений в полосе пропускания фильтра. Сигналы, частоты которых попадают в полосу пропускания, проходят на выход фильтра с минимальными потерями, в то время как на частотах вне полосы пропускания происходит отражение сигналов от входа устройства.
5
4
Заявляемый технический результат достигается следующим образом. Благодаря возможности изменения после изготовления фильтра площади сквозных отверстий  (Фиг. 2) в слое наружной металлизации – экране , например, с помощью известных способов наплавления припоя или нанесения пластичного проводящего материала (индий и др.), имеется возможность регулировать частоты полосковых резонаторов и достигнуть требуемых электрических характеристик устройства без нарушения его целостности.
Как известно [Leferink F. B. J. Inductance calculations; methods and equations // IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, 1995, Pp. 16–22], увеличение высоты экрана в полосковой линии передачи приводит к увеличению ее погонной индуктивности. Таким образом, у полосковых резонаторов, выполненные на основе отрезков полосковой линии передачи, при изменении высоты экрана также будет происходить изменение их эквивалентной индуктивности, что будет приводить к изменению их резонансной частоты. В заявляемой конструкции фильтра наибольшее влияние сквозных отверстий будет достигнуто в случае их расположения вблизи пучности магнитного поля полосковых резонаторов, т. е. в тех областях фильтра, где полосковые проводники замкнуты на экран. Исследования, проведенные в программе электродинамического анализа, показали, что в заявляемой конструкции фильтра увеличение площади сквозных отверстий в слое наружной металлизации эквивалентно увеличению высоты экрана и будет приводить к понижению резонансной частоты. С практической точки зрения максимальные размеры сквозных отверстий ограничены их влиянием на собственную добротность резонаторов. Причем, если на рабочих частотах фильтра размер отверстий много меньше длины волны в вакууме, то их наличие практически не приводит к уменьшению собственной добротности полосковых резонаторов вызванном излучением электромагнитной энергии в свободное пространство.
2
2
2
2
2
2
5∙w
f
w
5∙w
w
16∙w
рез
Для подтверждения заявляемого технического результата на Фиг. 8 представлена зависимость резонансной частоты многопроводникового полоскового резонатора от площади отверстия в слое наружной металлизации. Расчет проведен электродинамическим анализом 3D-моделей резонаторов в пакете программ «CST Studio Suite». Многопроводниковый резонатор состоит из шести полосковых проводников. Пять диэлектрических прослоек между проводниками из материала RO4350BTM с относительной диэлектрической проницаемостью ε=3.66 имели толщину 0.102 мм, а два наружных слоя из такого же материала имели толщину 0.51 мм. Ширина всех полосковых проводников структуры 1 мм, их длина 13.1 мм, при этом полная длина резонатора равна 15 мм. Максимальный размер сквозных отверстий в слое наружной металлизации составлял 1.6×3 мм, при этом в ходе исследования площадь отверстий изменялась от нуля до ~ за счет уменьшения их длины при фиксированной ширине 1.6 мм. Как видно из Фиг. 8, относительное изменение резонансной частоты полоскового резонатора  составило ~3% при изменении площади отверстий в слое наружной металлизации от минимального значения до максимального, что вполне достаточно для регулировки устройств в большинстве практических случаев и подтверждает заявляемый технический результат. При этом наличие сквозных отверстий практически не изменило величину собственной добротности резонатора. Важно отметить, что в диапазоне от  до  зависимость резонансной частоты от площади близка к линейной (Фиг. 8), а при площади менее  зависимость имеет слабо выраженный характер. При площади отверстия примерно до  будет наблюдаться смещение резонансной частоты до ~10%, что с запасом перекрывает диапазон разброса резонансных частот вследствие ограниченной точности изготовления полосковых структур фильтров.
Таким образом, заявляемая конструкция позволяет повысить повторяемость электрических характеристик монолитных полосковых фильтров, изготовленных по технологии многослойных печатных плат, за счет возможности их регулировки после изготовления и, таким образом, увеличить процент выхода годных изделий при массовом производстве.