Многослойный широкополосный СВЧ фильтр
MULTILAYER BROADBAND MICROWAVE FILTER

Изобретение относится к частотно-избирательным устройствам и может применяться в составе радиоприемных и радиопередающих устройств систем радионавигации и радиолокации. Устройство предназначено для работы в качестве полосно-пропускающего СВЧ фильтра, в том числе для частотно-избирательной передачи СВЧ сигнала со своего входа на выход в заданном частотном диапазоне (в полосе пропускания) и для подавления СВЧ сигнала вне заданного частотного диапазона (вне полосы пропускания).
Из существующего уровня техники известен интегральный полосовой LC-фильтр, описанный в патенте на полезную модель (RU 135467 U1, 10.12.2013), выполненный в n диэлектрических слоях, состоящий из печатных проводников, образующих k П-образных секций конденсаторов, выполненных в виде многослойных структур, и (k+1) печатных катушек индуктивности, из двух экранов: одного на верхнем и одного на нижнем слоях и двух контактных площадок на верхнем или нижнем слоях.
Недостатками данного технического решения являются:
- сложность конструкции;
- сложность топологии каждого из слоев,
- необходимость выполнения переходных отверстий между входными LC элементами фильтра, что уменьшает технологичность конструкции.
Известен фильтр СВЧ, описанный в патенте на изобретение (RU 2359371 C1, 20.06.2009), принятый за прототип. Фильтр СВЧ выполнен в виде многослойного модуля параллельно и соосно расположенных друг на друге керамических подложек, на одной из поверхностей которых выполнены отрезки полосковых линий, разомкнутые на концах и связанные электромагнитным полем, при этом один конец первого отрезка полосковой линии является входом, а второй конец последнего - выходом фильтра СВЧ.
Недостатками прототипа являются:
- узкая относительная ширина полосы пропускания, составляющая 10%-15%;
- необходимость смещения полосковых линий друг относительно друга, что означает увеличение габаритных размеров фильтра.
Техническая задача изобретения заключается в увеличении технологичности устройства, в уменьшении его габаритных размеров, в обеспечении широкополосной частотно-избирательной передачи СВЧ сигнала со своего входа на выход, а также в увеличении подавления СВЧ сигнала вне заданной полосы пропускания за счет добавления N частотно-избирательных звеньев, где число N частотно-избирательных звеньев может меняться от 1 до 3. При этом добавление каждого нового частотно-избирательного звена увеличивает подавление СВЧ сигнала вне полосы пропускания не менее чем на 5 дБ.
Техническая задача достигается тем, чтомногослойный широкополосный СВЧ фильтр, содержит первое и второе диэлектрические основания с расположенными на них микрополосковыми линиями, согласно изобретению, на первом и втором диэлектрических основаниях расположены первая и вторая прямые микрополосковые линии, причем первая микрополосковая линия подключена к входу СВЧ сигнала, а вторая к выходу СВЧ сигнала, между диэлектрическими основаниями расположен металлический экран с щелевым резонатором прямоугольной формы, металлический экран расположен в непосредственной близости к первому диэлектрическому основанию,  микрополосковые линии пересекаются под прямым углом с проекцией щелевого резонатора и заканчиваются обрывом на расстоянии четверти длины  волны на центральной частоте от места их пересечения; между металлическим экраном и вторым диэлектрическим основанием расположены частотно-избирательные звенья, количество которых N, где 1≤N≤3, каждое частотно-избирательное звено состоит из двух диэлектрических оснований, между которыми параллельно микрополосковым линиям расположен полосковый резонатор прямоугольной формы с обрывом на обоих концах,  вплотную к второму диэлектрическому основанию частотно-избирательного звена расположен металлический экран, в котором прорезан щелевой резонатор прямоугольной формы, расположенный параллельно щелевому резонатору, расположенному в непосредственной близости к первому диэлектрическому основанию, при этом каждое частотно-избирательное звено имеет заданные амплитудно-частотные характеристики и реализовано в отдельном слое.
Сущность устройства состоит в том, что оносодержит две прямые микрополосковые линии, заканчивающиеся обрывом и размещенные на первом и втором диэлектрических основаниях. При этом первая микрополосковая линия подключена к входу СВЧ сигнала, а вторая к выходу СВЧ сигнала. Между диэлектрическими основаниями расположен металлический экран с щелевым резонатором прямоугольной формы.  При этом металлический экран расположен вплотную к первому диэлектрическому основанию. Проекция щелевого резонатора расположена перпендикулярно к микрополосковым линиям. Микрополосковые линии пересекаются с проекцией щелевого резонатора и заканчиваются обрывом на расстоянии четверти длины волны на центральной частоте от места пересечения. Между металлическим экраном и вторым диэлектрическим основанием расположены частотно-избирательные звенья, количество которых может изменяться от 1 до N, где 1≤N≤3. При этом каждое частотно-избирательное звено имеет заданные амплитудно-частотные характеристики и реализовано в отдельном слое. Каждое частотно-избирательное звено состоит из одного щелевого резонатора, имеющего прямоугольную форму, и одного полоскового резонатора, имеющего прямоугольную форму. Связь между щелевым и полосковым резонаторами осуществляется за счет бесконтактной передачи электромагнитной энергии. Амплитудно-частотные характеристики частотно-избирательных звеньев определяются геометрическими размерами щелевого и полоскового резонаторов, такими как длина и ширина.
Предложенное изобретение поясняется чертежами (фиг. 1-5), где на фиг. 1 изображена конструкция многослойного широкополосного СВЧ фильтра в разобранном состоянии. На фиг. 2 изображена конструкция многослойного широкополосного СВЧ фильтра в собранном состоянии. На фиг. 3 изображена конструкция одного частотно-избирательного звена в разобранном состоянии. На фиг. 4 изображена электрическая схема многослойного широкополосного СВЧ фильтра в виде каскадного соединения частотно-избирательных звеньев, а также входной и выходной цепей. На фиг. 5 изображена электрическая схема одного частотно-избирательного звена.
Электрическая схема многослойного широкополосного СВЧ фильтра (фиг.4) может быть представлена как каскадное соединение частотно-избирательных звеньев, а также входной и выходной цепей, при этом каждое частотно-избирательное звено представляет собой каскадное включение последовательного и параллельного LC контуров,которые способствуют формированию заданных амплитудно-частотных характеристик, а также обеспечивают подавление СВЧ сигнала вне полосы пропускания. В зависимости от требований к подавлению СВЧ сигнала вне полосы пропускания количество частотно-избирательных звеньев в конструкции многослойного широкополосного СВЧ фильтра может меняться. При этом с увеличением числа частотно-избирательных звеньев увеличивается подавление СВЧ сигнала вне полосы пропускания.
Увеличение технологичности многослойного широкополосного СВЧ фильтра достигается тем, что связь между частотно-избирательными звеньями, а также между полосковым и щелевым резонаторами внутри частотно-избирательных звеньев осуществляется за счет электромагнитного поля, без использования переходных отверстий.
Уменьшение габаритов многослойного широкополосного СВЧ фильтра достигается тем, что частотно-избирательные звенья расположены друг над другом без взаимного смещения.
Обеспечение широкополосной частотно-избирательной передачи СВЧ сигнала многослойным широкополосным СВЧ фильтром достигается тем, что его эквивалентная схема представляет собой каскадное включение последовательных и параллельных LC контуров.
Многослойный широкополосный СВЧ фильтр обеспечивает подавление СВЧ сигнала вне заданной полосы пропускания за счет наличия частотно-избирательных звеньев в количестве от 1 до N, где 1≤N≤3. При этом с добавлением каждого нового частотно-избирательного звена не менее чем на 5 дБ увеличивается подавление СВЧ сигнала вне полосы пропускания. При наличии частотно-избирательных звеньев в количестве N>3 происходит увеличение коэффициента отражения по входу и выходу фильтра, что может привести к негативным последствиям таким как: уменьшение устойчивости к электромагнитному пробою; нагревание фидера, соединяющего передающее устройство и фильтр; уменьшение устойчивости к тепловому пробою; ухудшение передаточных амплитудно-частотных характеристик фильтра.
Конструкция устройства (фиг. 1, 2) содержит две прямые микрополосковые линии 1, 2, заканчивающиеся обрывом и размещенные на диэлектрических основаниях 3, 4. Первая микрополосковая линия 1 подключена к входу СВЧ сигнала, а вторая 2к выходу СВЧ сигнала. Между первым 3 и вторым 4 диэлектрическими основаниями расположен металлический экран 5 с щелевым резонатором прямоугольной формы 6.  Металлический экран 5 расположен вплотную к диэлектрическому основанию 3. Проекция щелевого резонатора 6 расположена перпендикулярно к первой 1 и второй 2микрополосковым линиям. Микрополосковые линии 1, 2 пересекаются с проекцией щелевого резонатора 6 и заканчиваются обрывом на расстоянии четверти длины на центральной частоте от места пересечения. Между металлическим экраном 5 и диэлектрическим основанием 4 расположены частотно-избирательные звенья 7, количество которых может изменяться от 1 до N, где 1≤N≤3.
Конструкция каждого частотно-избирательного звена (фиг. 3) состоит из двух диэлектрических оснований 8, 9, между которыми расположен полосковый резонатор прямоугольной формы 10 с обрывом на обоих концах, расположенный параллельно микрополосковым линиям 1, 2. Металлический экран 11 расположен вплотную к диэлектрическому основанию 9. В металлическом экране 11 прорезан щелевой резонатор прямоугольной формы 12. Щелевой резонатор 12 расположен параллельно щелевому резонатору 6.
Электрическая схема многослойного СВЧ фильтра (фиг. 4) состоит из: входной цепи, где последовательно включенное сопротивление R1 13 определяет собой диэлектрические потери при передаче СВЧ энергии от микрополосковой линии 1 к щелевому резонатору 6; последовательный контур L1-C1 14 определяет собой реактивное сопротивление микрополосковой линии 1, параллельно включенный контур С2-L2 15 определяет собой реактивное сопротивление щелевого резонатора 6. Последовательно включенные частотно-избирательные звенья 16 в количестве N, где 1≤N≤3,  представлены как четырехполюсники; выходная цепь состоит из трех элементов, при этом сопротивление R2 17 определяет собой диэлектрические потери при передаче СВЧ энергии от N-го частотно-избирательного звена 7 к микрополосковой линии 2;  последовательный контур С3-L3 18 определяет собой реактивное сопротивление микрополосковой линии 2.
Электрическая схема частотно-избирательного звена (фиг. 5) состоит из пяти элементов: последовательно включенное сопротивление R1 19 определяет собой диэлектрические потери при передаче СВЧ энергии от полоскового резонатора 10 к щелевому резонатору 12; последовательный контур L1-C1 20 определяет собой реактивное сопротивление полоскового резонатора 10; параллельно включенный контур С2-L2 21 определяет собой реактивное сопротивление щелевого резонатора 12.
Устройство работает следующим образом: на вход первой микрополосковой линии 1 поступает СВЧ сигнал, структура электромагнитного поля которого соответствует поперечной электромагнитной волне. За счет обрыва первой микрополосковой линии 1 в месте ее пересечения с проекцией щелевого резонатора 6 создается максимум поверхностного тока, в том числе, максимум магнитного поля.   При этом силовые линии магнитного поля направлены вдоль щелевого резонатора 6. В результате происходит «возбуждение» щелевого резонатора 6. При этом в области щелевого резонатора 6 возникают токи смещения. Таким образом, происходит частотно-избирательная передача СВЧ сигнала от первой микрополосковой линии 1 к щелевому резонатору 6. Аналогичным образом происходит передача СВЧ сигнала от щелевого резонатора 6 к частотно-избирательным звеньям 7, а также внутри частотно-избирательных звеньев 7 (от полоскового резонатора 10 к щелевому резонатору 12) и от частотно-избирательных звеньев 7 к второй микрополосковой линии 2.
Пример. Конструкция заявляемого многослойного широкополосного СВЧ фильтра может быть выполнена с использованием фольгированных диэлектрических пластин марки ARLON AD350. При этом устройство (фиг. 1) содержит две микрополосковые линии 1, 2 длина каждой из которых 100 мм, заканчивающихся обрывом и размещенных на диэлектрических подложках 3, 4. При этом первая микрополосковая линия 1 подключена к входу СВЧ сигнала, а вторая 2 к выходу СВЧ сигнала. Между диэлектрическими основаниями 3, 4 расположен металлический экран 5 с щелевым резонатором 6 длиной 80 мм.  При этом металлический экран 5 расположен вплотную к диэлектрическому основанию 3. Микрополосковые линии 1, 2 пересекаются с проекцией щелевого резонатора 6 и заканчиваются обрывом на расстоянии 45 мм от места пересечения. Между металлическим экраном 5 и диэлектрическим основанием 4 расположены частотно-избирательные звенья 7 (фиг. 2), количество которых может изменяться от 1 до 3, в зависимости от требований к подавлению СВЧ сигнала вне полосы пропускания. Так при наличии одного частотно-избирательного звена подавление СВЧ сигнала вне заданной полосы пропускания составляет не менее 20 дБ, при наличии двух частотно-избирательных звеньев не менее 25 дБ, при наличии трех частотно-избирательных звеньев не менее 30 дБ. Конструкция каждого частотно-избирательного звена состоит из двух диэлектрических оснований 8, 9, между которыми расположен полосковый резонатор 10 длиной 80 мм с обрывом на обоих концах. Металлический экран 13 расположен вплотную к диэлектрическому основанию 9. В металлическом экране 11 прорезан щелевой резонатор 12 длиной 80 мм. Щелевой резонатор 12 расположен параллельно щелевому резонатору 6.
Таким образом, предлагаемое изобретение способствует увеличению технологичности устройства, уменьшению его габаритных размеров, обеспечивает широкополосную частотно-избирательную передачу СВЧ сигнала со своего входа на выход, а также увеличивает подавление СВЧ сигнала вне заданной полосы пропускания за счет добавления N частотно-избирательных звеньев, где 1≤N≤3. При этом добавление каждого нового частотно-избирательного звена увеличивает подавление СВЧ сигнала вне полосы пропускания не менее чем на 5 дБ.