СВЧ ДВУХПОЛОСНЫЙ МИКРОПОЛОСКОВЫЙ ФИЛЬТР

Заявляемая полезная модель относится к области радиотехники, в частности к СВЧ-устройствам, и может быть использована в радиоприемных и радиопередающих устройствах систем связи, например Wi-Fi, для выделения сигналов в двух не смежных диапазонах частот, а также в аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем Glonass, GPS для выделения сигналов поддиапазонов L1 и L2.
Известно большое количество двухполосных фильтров для фильтрации сигналов двух диапазонов. Эти фильтры имеют один вход, например от общей антенны, и один выход, на котором выделяются сигналы, лежащие только в каждом из двух рабочих поддиапазонов, остальные отфильтровываются. Эти фильтры могут быть реализованы в разном исполнении. Например, один из них выполнен на двухчастотных ступенчатых микрополосковых резонаторах на многослойной диэлектрической подложке. Такое устройство описано в патенте США - SU 7102470, опубликованном 05.09.2006. Другие варианты фильтров выполнены в микрополосковом исполнении на однослойной подложке с использованием λ/4 или 3λ/4 короткозамкнутых отрезков линии передачи. Такие устройства описаны, например, в статьях: IEEE Microwave and wireless components letters, vol.21, NO.10, October 2011 - "Compact and high-selectivity Microstrip bandpass filters using Triple-/Quad-mode stub loaded resonators"; IEEE Microwave and wireless components letters, vol.21, NO.12, December 2011, "Dual-Band Multi-Pole Directional Filter for Microwave Multiplexing Applications"; IEEE Microwave and wireless components letters, vol.22, NO.5, May 2012, "Dual-Mode Dual-Band Bandpass Filter Using а Single Slotted Circular Patch Resonator".
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели является устройство, описанное в патенте USA - SU 7102470 от 05.09.2006.
Известный двухполосный микрополосковый фильтр реализован на ступенчатых резонаторах и включает в себя: многослойную диэлектрическую подложку; входной и выходной порты, расположенные на среднем слое подложки для принятия сигнала и передачи отфильтрованного сигнала далее; и два или большее число ступенчатых микрополосковых резонаторов, резонирующих на центральных частотах двух полос пропускания фильтра.
Многослойная диэлектрическая подложка представляет собой не менее чем трехслойную подложку, причем резонаторы располагаются на среднем ее слое. Резонаторы выполнены в виде двух одинаковых по форме плоских ступенчатых металлических фрагментов, встречно нанесенных на различных сторонах среднего слоя диэлектрической подложки и соединенных по обращенным друг к другу узким концам металлизированными отверстиями связи, проходящими через упомянутый средний слой диэлектрической подложки. При этом более широкие концы плоских металлических фрагментов, образующих резонаторы, расположенные на различных сторонах среднего слоя подложки, разомкнуты и образуют две области связи. Первая область связи первого резонатора электрически связана с входным портом, а вторая область связи первого резонатора электрически связана с первой областью связи второго резонатора. Вторая область связи второго резонатора электрически связана с выходным портом. Входной и выходные порты расположены на нижней и верхней сторонах среднего слоя подложки, соответственно, либо с помощью металлизированных отверстий могут расположены на одной из сторон. Ступенчатые микрополосковые резонаторы могут иметь две не кратных резонансных частоты.. Ширины и длины плоских металлических фрагментов, образующих микрополосковые резонаторы, выбираются исходя из требуемых двух центральных частот полос пропускания, электрическая связь резонаторов друг с другом и входным и выходным портами определяется расстоянием между металлическими фрагментами соседних резонаторов и выбирается из наилучшего согласования в рабочих полосах частот фильтра.
В силу того, что на среднем слое подложки располагаются два или более электрически связанных ступенчатых микрополосковых резонаторов, резонирующих одновременно на двух частотах, у итогового полосно-пропускающего фильтра формируются две полосы пропускания. Возбуждение фильтра на двух частотах осуществляется через входной порт, который находится в электрической связи с первым резонатором. Первый резонатор также электрически связан через область связи со вторым резонатором, и значит последовательно на этих же двух частотах происходит возбуждение второго резонатора. Второй резонатор электрически связан с выходным портом также через область связи и отфильтрованный в двух полосах сигнал поступает в выходной порт. Тем самым получается, что передаточная характеристика фильтра имеет две полосы пропускания, центральные частоты которых соответствуют резонансным частотам ступенчатых резонаторов.
Ключевым недостатком описанного устройства является то, что у ступенчатых резонаторов при изменении длин и ширин плоских металлических фрагментов, образующих микрополосковые резонаторы, будут одновременно изменяться обе резонансные частоты. Кроме того, при изменении геометрических размеров резонаторов, одновременно будет изменяться и электрическая связь резонаторов друг с другом, а также с входным и выходным портами, что будет приводить к искажению амплитудно-частотных характеристик двухчастотного фильтра. Поэтому, как на уровне синтеза двухчастотного фильтра, так и на уровне его настройки, будет крайне затруднительно настроить амплитудно-частотные характеристики фильтра на требуемые частоты и коэффициенты связи в каждой из рабочих полос. Перестройка одной центральной частоты и полосы пропускания двухчастотного фильтра, приведет к изменению второй центральной частоты характеристики и ее полосы пропускания.
Технической задачей, решаемой в предлагаемой полезной модели, является создание двухчастотного фильтра, у которого резонансные частоты и коэффициенты связи резонаторов в каждом диапазоне частот можно изменять независимо друг от друга.
Это достигается за счет того, что заявляемая полезная модель, также как и описанный известный фильтр, содержит симметричную многослойную диэлектрическую подложку, состоящую не менее чем из трех слоев, входной и выходной порты, расположенные на среднем слое подложки, двухчастотные микрополосковые резонаторы, выполненные в виде двух одинаковых по форме плоских металлических фрагментов, встречно расположенных на различных сторонах среднего слоя подложки и соединенных по обращенным к друг другу концам металлизированным отверстием связи через средний слой диэлектрической подложки, причем разомкнутые концы упомянутых плоских металлических фрагментов электрически связаны с фрагментами соседних резонаторов, а у крайних резонаторов электрически связаны с портами.
Но в отличие от известного устройства, в заявляемой полезной модели плоские металлические фрагменты выполнены V-образной формы из двух проводников различной длины, металлизированное отверстие связи двух плоских фрагментов каждого микрополоскового резонатора находится в точке соединения проводников, расположенные на различных сторонах среднего слоя подложки проводники одинаковой длины двух плоских металлических фрагментов одного резонатора попарно соосны, а разомкнутые концы проводников одинаковой длины у плоских металлических фрагментов соседних микрополосковых резонаторов расположены на различных сторонах среднего слоя подложки друг над другом.
Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в развязке резонаторов для каждой из двух полос пропускания фильтра по СВЧ сигналу, настройка резонансных частот и коэффициентов связи резонаторов, а значит и амплитудно-частотных характеристик, для каждой из полос пропускания осуществляется независимо путем подбора геометрических размеров соосных пар проводников двух плоских металлических фрагментов, образующих каждый из резонаторов.
На фиг.1 схематически показана конструкция проводников СВЧ двухполосного микрополоскового фильтра, расположенных на среднем слое многослойной подложки, на фиг.2 показан поперечный разрез фильтра. На фиг.1 сплошными линиями обозначены проводники металлических фрагментов, расположенных на верхней стороне среднего слоя подложки, пунктирными линиями - проводники, расположенные на нижней стороне. Заявляемый СВЧ двухполосный микрополосковый фильтр содержит многослойную диэлектрическую подложку, на нижней стороне среднего слоя 1 которой расположены входной порт 2, соединенные с входным портом два отрезка микрополосковых линий передачи 3 и 4, на верхней стороне среднего слоя подложки 1 расположен первый V-образный плоский металлический фрагмент первого резонатора, образованный из двух проводников различной длины 5 и 6, второй V-образный плоский металлический фрагмент первого резонатора, образованный из проводников 7 и 8, расположен на нижней стороне среднего слоя подложки, металлизированное отверстие связи 9, соединяющее через средний слой подложки оба плоских фрагмента 5, 6 и 7, 8 первого резонатора расположено в точках соединения проводников, первый V-образный плоский фрагмент второго микрополоскового резонатора, образованный проводниками 10 и 11, расположен на верхней стороне среднего слоя подложки, второй плоский У-образный фрагмент второго резонатора, образованный проводниками 12 и 13, расположен на нижней стороне среднего слоя подложки 1, металлизированное отверстие связи 14, соединяющее через средний слой подложки два плоских фрагмента 10, 11 и 12, 13 второго резонатора расположено в точках соединения проводников 10, 11, 12, 13, два отрезка микрополосковых линий передачи 15 и 16, которые расположены на верхней стороне среднего слоя подложки 1, соединены с выходным портом 17.
Проводники 5, 8 и 6, 7, входящие в плоские металлические фрагменты первого резонатора попарно равны по геометрическим размерам и сосны; точно также попарно равны по геометрическим размерам и сосны пары проводников 10, 13 и 11, 12, образующие второй микрополосковый резонатор.
Проводники первого плоского металлического фрагмента первого резонатора 5, 6 и связанные с входным портом 2 два отрезка микрополосковых линий передачи 3, 4 расположены на различных сторонах среднего слоя подложки 1 друг над другом, образуя области связи первого мирополоскового резонатора с входным портом. Проводники второго фрагмента первого резонатора 7, 8 и первого фрагмента второго микрополоскового резонатора 10, 11 также расположены на различных сторонах среднего слоя подложки друг над другом, образуя области связи первого резонатора со вторым. Также на различных сторонах среднего слоя подложки расположены и перекрываются проводники второго плоского металлического фрагмента второго резонатора 12, 13 и связанные с выходным портом два отрезка линий передачи 15, 16, образуя области связи второго резонатора с выходным портом 17.
На фиг.2 линия сечения условно проходит через осевую линию фильтра и показаны верхний 18 и нижний 19 слои многослойной диэлектрической подложки, нижний 20 и верхний 21 металлические экраны симметричной микрополосковой линии, а также проводники 5, 7, 11, 13, образующие резонаторы, и металлизированные отверстия связи 9, 14.
Фильтр может быть выполнен и с любым другим числом двухчастотных микрополосковых резонаторов, проводники входного 2 и выходного 17 портов могут быть расположены как на одной стороне среднего слоя подложки 1, так и на различных. Возможны и другие варианты выполнения областей электрической связи резонаторов друг с другом и входным и выходным портами, например с параллельным расположением пар проводников 4 и 6, 3 и 5, 8 и 10, 7 и 11, 12 и 15, 13 и 16 на различных сторонах среднего слоя подложки. Проводники резонаторов фильтра могут быть выполнены, как в прототипе, ступенчатыми для сокращения размеров фильтра. Фильтр может быть выполнен как на многослойной диэлектрической подложке с нечетным числом слоев, не менее трех, так и использованием многослойной керамики с низкой температурой обжига (LTCC технологии). В последнем случае возможно существенно сократить габаритные размеры фильтра. Возможно выполнение фильтра и на несимметричной микрополосковой линии с двухслойной подложкой. Эти варианты выполнения будут ясны специалисту после прочтения описания.
Проводники резонаторов, расположенные на различных сторонах среднего слоя подложки, накрытые сверху и снизу верхним 18 и нижним 19 диэлектрическими слоями многослойной диэлектрической подложки и металлическими экранами 20 и 21 и эквивалентны по СВЧ сигналу отрезкам симметричных микрополосковых линий передачи. Расположенные на разных сторонах среднего слоя подложки попарно соосные проводники 6, 7, 11 и 12 имеют одинаковую геометрическую, а значит и электрическую длину, соответствующую четверти длины волны на первой рабочей частоте фильтра. Отрезки линий 6 и 7, соединенные металлизированным отверстием 9 образуют разомкнутый полуволновый резонатор для средней частоты первого рабочего диапазона двухполосового фильтра. По аналогии отрезки линий, образованных проводниками 11 и 12, соединенные металлизированным отверстием связи 14, также образуют разомкнутый полуволновый резонатор для средней частоты первого рабочего диапазона двухполосового фильтра. Разомкнутый первый полуволновый резонатор, образованный отрезками линий 6, 7 и отверстием 9, электрически связан за счет емкости между расположенными друг над другом на различных сторонах среднего слоя подложки проводников 6 и 4 с входным портом 2. Второй полуволновый резонатор для средней частоты первого рабочего диапазона, составленный из проводников 11 и 12, соединенных металлизированным отверстием 14 электрически связан с первым резонатором за счет емкости между расположенными друг над другом на различных сторонах среднего слоя подложки проводниками 7 и 11. Этот же резонатор будет связан с выходным портом 17 за счет емкости между расположенными друг над другом на различных сторонах среднего слоя подложки проводниками 12 и 15, последний из которых соединен с выходным портом 17.
Отрезки линий, образованные проводниками, 5, 8, 10 и 13 имеют электрическую длину, соответствующую четверти длины волны на второй рабочей частоте фильтра. Следовательно, отрезки линий 5 и 8 совместно с отверстием 9, а также 10, 13 совместно с отверстием 14 образуют разомкнутые полуволновые резонаторы для средней частоты второго рабочей частоты двухполосового фильтра. Первый полуволновый резонатор для второй рабочей частоты, образованный проводниками 5, 8 и отверстием 9 электрически связан с входным портом 2 за счет емкости между лежащими друг над другом на различных сторонах среднего слоя подложки проводниками 5 и 3, который соединен с входным портом 2. Одновременно этот же первый резонатор электрически связан со вторым резонатором за счет емкости между проводниками 8 и 10, расположенными на различных сторонах среднего слоя подложки 1 друг над другом. Второй резонатор для второй рабочей частоты, состоящий из проводников 10, 13 и металлизированного отверстия 14, электрически связан с выходным портом 17 за счет емкости между перекрывающимися концами проводников 13 и 16, последний из которых соединен с выходным портом 17.
Таким образом, на каждой из рабочих частот фильтра мы имеем по два электрически связанных между собой и с входным и выходным портами полуволновых резонатора, которые при правильно выбранных электрических связях обеспечат двугорбые амплитудно-частотные характеристики передачи в каждой из рабочих полос пропускания.
Поскольку электрические длины линий 6, 7 и 11, 12 равны и равны электрические длины пар линий 5, 8 и 10, 13, то проводники, образующие полуволновые резонаторы для двух рабочих частоты фильтра, пересекаются и соединяются металлизированными в отверстиями связи 9 и 14 в точках, в которых СВЧ напряжение на каждой из двух рабочих частот равно нулю и, следовательно, резонаторы для различных диапазонов частот будут электрически развязаны друг с другом. Перемежение проводников в парах 5 и 8, 10 и 13, 6 и 7, 11 и 12 с расположением их на различных сторонах среднего слоя подложки требуется, чтобы улучшить развязку резонаторов, т.к. в этом случае картина поля в полуволновых резонаторах будет более симметричной с четко выраженным нулем напряжения на обеих частотах в точках 9 и 14.
Если в процессе проектирования и настройки СВЧ двухполосного микрополоскового фильтра будет соблюдаться центральная симметрия полуволновых резонаторов, составленных из проводников 5 и 8, 10 и 13 относительно металлизированных отверстий 9 и 14, то при симметричном изменении их геометрических размеров будут изменяться резонансная частота и коэффициенты связи резонаторов на второй рабочей частоте фильтра. Эти изменения не скажутся на резонансной частоте и коэффициентах связи резонаторов 6 и 7, 11 и 12 на первой рабочей полосе фильтра, поскольку при центральной симметрии проводников 5 и 8, 10 и 13 относительно металлизированных отверстий 9 и 14 на этих отверстиях всегда будет нулевое напряжение СВЧ сигнала второй рабочей частоты. Справедливо и обратное утверждение: при центральной симметрии проводников 6 и 7, 11 и 12 относительно металлизированных отверстий 9 и 14 на этих отверстиях всегда будет нулевое напряжение СВЧ сигнала первой рабочей частоты. Таким образом резонаторы будут развязаны по СВЧ сигналам первого и второго рабочих полос фильтра. Расположенные друг над другом на различных сторонах среднего слоя подложки разомкнутые концы проводников плоских фрагментов соседних резонаторов образуют области связи, величиной перекрытия проводников в которых можно независимо регулировать коэффициенты связи для каждой из полос пропускания фильтра и, таким образом, независимо настраивать амплитудно-частотные характеристики в полосах пропускания фильтра.
Эти свойства микрополосковых резонаторов заявляемой полезной модели позволяют по отдельности подбирать электрические длины и коэффициенты связи резонаторов на различных частотах рабочего диапазона без влияния их друг на друга, соблюдая при этом только условие, чтобы резонаторы пересекались в средней точке, т.е. центральную симметрию полуволновых резонаторов относительно металлизированных отверстий 9 и 14.
За счет предлагаемой структуры фильтра и пересечения полуволновых резонаторов в точке нулевого потенциала мы добиваемся того, что электрически развязываем полуволновые резонаторы на рабочих частотах двухполосового фильтра и даем возможность на уровне синтеза и изготовления двухчастотного фильтра настраивать центральные частоты и полосы пропускания двухчастотного фильтра независимо друг от друга, что сокращает время синтеза и его настройки при производстве, а также обеспечивает высокую повторяемость экземпляров фильтров.