Полосно-заграждающий фильтр

Полезная модель относится к области радиотехники СВЧ, к устройствам частотной селекции сигнала, и может быть использована для подавления помехи, частота которой находится внутри широкого рабочего диапазона частот.
Известен полосно-запирающий фильтр (см. Маттей Д.Л. и др. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, т. 2, М; Связь, 1972, стр. 179, 194-198, 218), содержащий проводник полосковой линии, соединяющий вход и выход, к которому на четвертьволновом расстоянии друг от друга подключены через зазоры четвертьволновые отрезки линий, закороченные на конце. Фильтр имеет узкую полосу пропускания выше по частоте от полосы запирания, так как содержит дополнительные полосы запирания на нечетных гармониках, а также высокий КСВН на второй гармонике. Кроме того фильтр имеет большие габариты, обусловленные использованием четвертьволновых отрезков линий.
Известен полосно-заграждающий фильтр (патент РФ №2498464 МПК Н01Р 1/203, опубл. 10.11.2013), состоящий из высокодобротных керамических резонаторов и содержащий основной токонесущий проводник, расположенный на одной стороне диэлектрической подложки, на второй поверхности которой размещены отрезки полосковых проводников, имеющие лицевую связь с основным проводником, и которые имеют гальваническую связь с керамическими резонаторами. Причем расположение паразитной полосы заграждения зависит от толщины диэлектрической подложки. Недостатком фильтра является узкая полоса пропускания из-за наличия дополнительных полос запирания на нечетных гармониках. Кроме того, фильтр имеет большие габариты, обусловленные использованием четвертьволновых отрезков линий и керамических резонаторов.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является микрополосковый фильтр (см. Патент РФ на полезную модель №163500, МПК Н01Р 1/203 опубл. 20.07.16), взятый за прототип. Прототип содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой размещено металлическое основание, а на другой стороне размещены первый проводник, концы которого являются входом и выходом, и дополнительные проводники, разомкнутые на концах. Дополнительные проводники одним концом подключены к кромкам первого проводника через витые проволочные катушки, выполненные с малым диаметром намотки. Длины дополнительных проводников много меньше четверти длины волны на частоте запирания. Между точками подключения катушек в первом проводнике выполнены разрывы, в которые установлены конденсаторы, нормированное реактивное сопротивление которых на частоте запирания примерно равно единице.
В прототипе используются однотипные запирающие резонаторы в виде емкостного шлейфа и витой катушки индуктивности, не имеющие паразитных полос запирания в широком диапазоне частот. Для связей между резонаторами, с целью формирования АЧХ фильтра, используются конденсаторы малой емкости. При этом полоса пропускания фильтра находится только выше частоты заграждения. На частотах ниже частоты заграждения прототип имеет большие потери. Таким образом, прототип может быть использован для подавления помехи, если ее частота меньше рабочего диапазона частот и не может быть использован, если рабочий диапазон частот расположен выше и ниже этой частоты.
Задачей полезной модели является расширение полосы пропускания фильтра.
Техническим результатом является создание полосно-заграждающего фильтра с широкой полосой пропускания, лежащей выше и ниже полосы запирания.
Для достижения указанного результата в полосно-заграждающем фильтре содержащем диэлектрическую подложку, на одной стороне которой размещено металлическое основание, а на другой стороне размещены первый проводник, концы которого являются входом и выходом фильтра, и дополнительные проводники длиной меньше четверти длины волны на частоте запирания, одни концы которых разомкнуты, а другие концы через витые проволочные катушки подключены к первому проводнику, согласно полезной модели, дополнительно в металлическом основании выполнена поперечная щель, длина которой меньше четверти длины волны, при этом щель расположена в между дополнительными проводниками таким образом, что в центральной части пересечена проекцией первого проводника в середине между точками подключения катушек, а между кромками щели в месте этого пересечения подключен конденсатор.
Введение между резонаторами из коротких отрезков линий и проволочных катушек, подключенных к линии передачи параллельно, резонаторов, включенных в линию передачи последовательно и выполненных в виде коротких щелей в металлическом основании с конденсатором, позволяет реализовать полосно-запирающий фильтр с широкой полосой пропускания ниже и выше частоты запирания.
В результате поиска не обнаружено информации, позволяющей сделать вывод об известности отличительных признаков заявляемого устройства, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию новизны.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 условно изображена конструкция полосно-заграждающего фильтра (а - вид сверху, б - вид снизу); на фиг. 2 приведена схема предлагаемого фильтра; на фиг. 3 приведена расчетная амплитудно-частотная характеристика предлагаемого фильтра (сплошная линия - ослабление, шкала слева, пунктирная линия - КСВН, шкала справа).
Предлагаемый фильтр (фиг. 1) содержит диэлектрическую пластину 1, одна сторона 2 которой металлизирована, а на другой расположены первый проводник 3, соединяющий вход и выход и образующий линию передачи, а также дополнительные проводники 4, 5, разомкнутые на концах. К проводнику 3 поочередно подключены одним концом проволочные катушки 6, 7, к другому концу которых подключены разомкнутые проводники 4, 5. При этом образуются два резонатора. Резонаторы расположены по разные стороны от проводника 3 и параллельно подключены к нему. В металлическом основании 2 выполнена поперечная щель 8, которая расположена между резонаторами и в центральной части пересекается проекцией проводника 3 в середине между точками подключения к проводнику 3 катушек 6, 7. В месте пересечения между кромками щели 8 подключен конденсатор 9. Щель 8 с конденсатором 9 образуют резонатор, который последовательно подключен к первому проводнику 3. Фильтр может быть выполнен многозвенным.
Длина проводников 4, 5 и величина индуктивности катушек 6,7 определяются из резонансной частоты и нагруженной добротности резонатора, образованного емкостью разомкнутого проводника 4 (5) и индуктивностью катушки 6 (7). Входное сопротивление Z этого резонатора равно:
ш
ш
где: f - частота; L - индуктивность катушки; Z - волновое сопротивление полосковой линии, образованной разомкнутым проводником 4 (5); Q, - электрическая длина полосковой линии, образованной разомкнутым проводником 4 (5).
3
На частоте запирания f сопротивление резонатора равно нулю Z=0, при этом электрическая длина разомкнутого проводника равна:
ш
Ширина полосы запирания фильтра определяется нагруженной добротностью резонатора, следовательно, индуктивностью катушки 6, 7. При уменьшении ширины полосы запирания индуктивность катушки увеличивается, при этом, как следует из формулы (2), длина разомкнутого проводника уменьшается. При этом Q много меньше 90 градусов, т.е. длина проводников 4, 5 много меньше четверти длины волны.
Длина щели 8 и емкость конденсатора 9 определяются из резонансной частоты и нагруженной добротности резонатора на щелевой линии с конденсатором. Входная проводимость Y резонатора равна:
щ
щ
где: С - емкость конденсатора 9; Y - волновая проводимость щели 8; Q, - электрическая длина щелевой линии 8, рад.
На частоте запирания проводимость щелевого резонатора равна нулю, при этом электрическая длина щелевой линии 8 равна:
Ширина полосы запирания фильтра определяется нагруженной добротностью щелевого резонатора, следовательно, емкостью конденсатора 9. При уменьшении ширины полосы запирания емкость конденсатора 9 увеличивается, длина щели 8 уменьшается, при этом длина ее много меньше четверти длины волны.
з
ш
щ
Фильтр работает следующим образом. СВЧ сигнал, поступающий на вход, проходит по проводнику 3 на выход. В точках подключения катушек 6, 7 к линии передачи параллельно подключены резонаторы, образованные индуктивностью катушек 6, 7 и емкостью разомкнутых проводников 4, 5 (см. фиг. 2). Между ними последовательно включен резонатор на щелевой линии 8 с конденсатором 9. На резонансной частоте fрезонаторы отражают СВЧ сигнал, так как параллельно включенные резонаторы закорачивают линию передачи, последовательно включенный щелевой резонатор разрывает линию передачи. При отстройке в обе стороны от этой частоты фильтр пропускает СВЧ сигнал, так как параллельные сопротивления и последовательные проводимости резонаторов разного типа компенсируют друг друга. Фильтр (см. фиг. 3) согласован в широкой полосе частот, лежащих ниже и выше частоты запирания, до частот, где контура имеют следующую резонансную частоту. Так как для узкополосного запирающего контура, электрическая длина полосковых проводников Q и щелевой линии Q малы, длина проводников 4, 5 и щели 8, реализующие эту величину, много меньше четверти длины волны на частоте заграждения. Вторая резонансная частота возможна там, где длина отрезка примерно равна половине длины волны (электрическая длина равна 180 град), т.е. много больше, чем частота заграждения. Практически диапазон частот фильтра определяется рабочим диапазоном частот катушек индуктивности 6,7 и конденсатора 9. Широкий рабочий диапазон частот имеют витые безкорпусные катушки с малым диаметром намотки и высокодобротные однослойные конденсаторы типа К10-71- M1500.
Технико-экономический эффект предлагаемого полосно-запирающего фильтра состоит в следующем. Использование укороченного конденсатором резонатора на щелевой линии, включенного между резонаторами на коротких отрезках с витыми катушками, позволяет обеспечить высокий уровень запирания при согласовании в широком диапазоне частот по обе стороны от частоты запирания.
На предприятии изготовлен макет полосно-запирающего фильтра. Микрополосковая плата выполнена из материала Ro4350B, размер платы 12×7.5 мм. Катушки индуктивности выполнены из провода диаметром 0.08 мм, 6 витков диаметром намотки 0.5 мм. Тип конденсатора в щелевом резонаторе К10-71-2-М1500. Макет обеспечивал затухание на частоте запирания не менее 40 дБ. Ослабление фильтра при отстройке на 7% в обе стороны от частоты запирания не более 2.0 дБ. Полоса пропускания фильтра от нуля до семи частот запирания.