МИКРОПОЛОСКОВЫЙ СВЧ ДИПЛЕКСОР
MICROSTRIP SHF DIPLEXER

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к СВЧ-устройствам, и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах систем связи, в том числе в аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем Glonass, GPS для разделения сигналов, принятых общей антенной приемника, на поддиапазоны L1 и L2.
Частотные диплексоры для разделения сигналов на два поддиапазона имеют один вход, например от общей антенны, и два выхода, на каждом из которых выделяются сигналы одного из двух рабочих поддиапазонов. Диплексоры могут быть реализованы в различном исполнении. Наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются несколько вариантов диплексоров. Первый из них содержит два двухрезонаторных микрополосковых фильтра, выполненных на однослойной диэлектрической подложке. Такие устройства описаны в патентах США - US 6597258, опубликованном 22.07.2003, и US 6771222 В1, опубликованном 03.08.2004. В этих устройствах фильтры выполнены на двух отрезках связанных короткозамкнутых линий передачи, нагруженных планарными встречно-штыревыми конденсаторами. Подключение фильтров к общему входу осуществляется с помощью двух отрезков линий с 50-омным волновым сопротивлением, каждый из которых имеет электрическую длину, соответствующую четверти длины волны (к/4) на частоте пропускания второго фильтра. Недостатком такого решения являются большие габариты платы диплексора, дополнительные потери за счет наличия короткозамыкателей типа VIA через слой диэлектрика в месте максимальных токов у связанных линий передачи и встречно-штыревых конденсаторов. Подобное же решение с У 4 линиями используется и в заявке Pub.N US 2003/0054775А1 от 20.03.2003 и естественно, что заявляемый в ней диплексор будет иметь те же недостатки. В заявке Pub.N US 2012/0313727А1 от 13.12.2012 предлагается балансный диплексор, реализованный на отрезках пяти связанных λ/4 линий передачи с соединением у двух портов пар λ/4 линий с помощью коротких микрополосковых проводников или воздушных мостиков по типу ответвителей Ланге. Это устройство также имеет большие габариты и заметные потери за счет невозможности реализовать в широкой полосе частот 3-дБ связь. Известны также микрополосковые СВЧ диплексоры, у которых два полосовых фильтра выполнены на параллельно связанных полуволновых (λ/2) резонаторах. Основополагающим для таких устройств является диплексор, описанный в патенте США US 4168479, опубликованном 18.09.1979. Поскольку в фильтрах с параллельно связанными λ/2 отрезками линий передачи отсутствуют короткозамыкатели, то потери в таких диплексорах будут меньше. Однако габариты фильтров на параллельно связанных λ/2 линиях весьма велики, поэтому велики и габариты диплексора.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому устройству является устройство, описанное в патенте US 4168479.
Известный диплексор для разделения сигналов от общего входа на два поддиапазона содержит два фильтра, каждый из которых имеет полосу пропускания в одном из поддиапазонов диплексора и не пропускает сигнал второго поддиапазона. Диплексор включает в себя однослойную диэлектрическую подложку с нижним металлическим экранирующим слоем, либо многослойную подложку с нижним и верхним экранирующими слоями, причем микрополосковые проводники, образующие фильтры, расположены на верхней стороне нижнего слоя диэлектрика. Два полосно-пропускающих фильтра диплексора выполнены на параллельно связанных λ/2 резонаторах, резонирующих на центральных частотах полос пропускания первого F1 и второго фильтров F2. Электромагнитная связь соседних резонаторов за счет общего поля осуществляется на участках резонаторов длиной λ/4.
Входной и два выходных порта также расположены на том же слое подложки, что и резонаторы фильтров, и служат, соответственно, для принятия входного сигнала, содержащего сигналы в обеих поддиапазонах, и передачи разделенных сигналов в каждом поддиапазоне на свой выходной порт. Для связи входного порта с первым и вторым фильтрами к нему подключены два согласующих отрезка микрополосковых линий передачи, первый из которых электромагнитно связан с крайним λ/2 резонатором первого фильтра и обеспечивает совместно с ним бесконечное входное сопротивление на рабочей частоте второго фильтра F2, а второй отрезок согласующей линии передачи электромагнитно связан с крайним резонатором второго фильтра и обеспечивает вместе с ним бесконечное входное сопротивление на рабочей частоте первого фильтра F1. Этим обеспечивается развязка фильтров. К каждому выходному порту подключено по одному отрезку согласующих линий передачи, связанных с крайними резонаторами, соответственно, первого и второго фильтров. Длины и ширины согласующих линий передачи для каждого фильтра выбираются исходя из обеспечения максимальной передачи мощности на резонансной частоте в соответствующее плечо диплексора.
В силу того, что на диэлектрической подложке располагаются два параллельно включенных относительно входного порта полосно-пропускающих фильтра, настроенных на разные центральные частоты и имеющих различные полосы пропускания, а каждый из полосно-пропускающих фильтров имеет отдельный выходной порт, сигнал в котором может появиться только в полосе пропускания фильтра, в устройстве будет осуществляться частотное разделение сигналов, поступивших на входной порт, на два поддиапазона. В силу развязности фильтров возможны одновременная фильтрация и разделение входных сигналов на два поддиапазона.
Ключевым недостатком описанного устройства являются большие габариты платы диплексора, поскольку фильтры на параллельно связанных λ/2 резонаторах имеют большие размеры, кроме того, полосно-пропускающие фильтры для улучшения развязки не должны располагаться вблизи друг от друга, т.к. с торцов λ/2 микрополосковых резонаторов фильтров возможно возникновение сильной связи между ними. Это затрудняет его применение в миниатюрной аппаратуре. Казалось бы, размеры платы можно было бы уменьшить за счет использования подложек с высокой диэлектрической проницаемостью (ε=40 и более), но при этом уменьшается ширина проводников λ/2 резонаторов и, как следствие, возрастают потери в них. Практически не дает эффекта и минимизация размеров за счет использования многослойной керамики с низкой температурой обжига (LTCC технологии), т.к. у такой керамики ε=7-8, а добавление верхнего слоя керамики над проводниками фильтров и верхнего экрана мало изменяет эффективное значение диэлектрической проницаемости.
Технической задачей, решаемой в предлагаемом устройстве, является уменьшение габаритов при сохранении малого уровня потерь сигнала.
Это достигается за счет того, что заявляемый диплексор, также как и известный прототип, содержит входной и два выходных порта, диэлектрическую подложку с нижним и верхним экранирующими металлическими слоями, а также два полосно-пропускающих фильтра, выполненных на параллельно связанных полуволновых резонаторах, при этом с помощью отрезков согласующих линий крайние резонаторы первого из упомянутых фильтров электрически связаны с входным и первым выходным портом, а крайние резонаторы второго фильтра электрически связаны с входным и вторым выходным портами.
Но в отличие от известного устройства, в заявляемом устройстве диэлектрическая подложка содержит не менее трех слоев, нечетные и четные по номеру полуволновые резонаторы обоих фильтров расположены на различных сторонах среднего слоя подложки, причем разомкнутые концы проводников соседних резонаторов каждого фильтра расположены на различных сторонах среднего слоя подложки друг над другом, пары проводников полуволновых резонаторов первого и второго фильтров выполнены пересекающимися в средних точках, а отрезки согласующих линии расположены на различных сторонах среднего слоя подложки с крайними резонаторами фильтров.
Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в том, что в заявляемом диплексоре, в отличие от известного устройства, резонаторы фильтров расположены друг над другом на разных сторонах среднего слоя подложки, тем самым уменьшается площадь, занимаемая фильтрами, а значит, и габариты диплексора, при этом ширина проводников резонаторов и толщины слоев диэлектрической подложки могут быть выбраны из условия минимума потерь в диплексоре.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 2 формулы, характеризует диплексор, в котором мирокополосковые полуволновые резонаторы первого и второго фильтров поочередно выполнены S-образной формы и зеркально обратной S-формы относительно продольной оси диплексора, причем порядок выполнения у первого и второго фильтров инверсный.
Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в том, что при выполнении части λ/2 резонаторов полосно-пропускающих фильтров S-образной формы, а части резонаторов зеркально инверсной S-формы относительно продольной оси диплексора улучшается электрическая развязка первого и второго фильтров за счет минимума электрических неоднородностей в микрополосковых проводниках полуволновых резонаторов при плавном их изгибе и пересечения проводников первого и второго фильтров взаимно ортогонально.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 3 формулы, характеризует диплексор, в котором точки пересечения полуволновых микрополосковых резонаторов первого и второго фильтров соединены с нижним и верхним экранирующими металлическими слоями с помощью металлизированных отверстий связи через слои диэлектрической подложки.
Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в том, что подавляются паразитные полосы пропускания у первого и второго полосно-пропускающих фильтров, выполненных на параллельно связанных λ/2 резонаторах, за счет того, что заземление точек пересечения λ/2 резонаторов первого и второго фильтров не скажется на резонансе на основном тоне колебаний, у которого СВЧ напряжение для обеих частот в этих точках равно нулю, но сделает невозможным резонанс на частотах, у которых вдоль резонатора укладывается нечетное число полуволн.
На фиг.1 схематически показана топология проводников микрополоскового СВЧ диплексора, расположенных на верхней и нижней сторонах среднего слоя многослойной подложки. Здесь рассмотрен пример выполнения диплексора по пункту 2 формулы с S-образными резонаторами, черным цветом показаны проводники, расположенные на верхней стороне среднего слоя подложки, а серым цветом - проводники, расположенные на нижней стороне среднего слоя. На фиг.2 схематически показан поперечный разрез диплексора при выполнении его с использованием слоистой керамики с низкой температурой обжига (LTCC технологии). Здесь для примера приведен случай трехслойной подложки. Заявляемое устройство содержит входной порт 1, соединенные со входным портом первый и второй отрезки согласующих микрополосковых линий передачи 2 и 3, которые расположены на верхней стороне среднего слоя подложки; первый полосно-пропускающий фильтр, настроенный на центральную частоту F1, состоящий из параллельно связанных λ/2 микрополосковых резонаторов 4, 5, 6, при этом проводники резонаторов 4 и 6 расположены на нижней стороне среднего слоя подложки, а проводник λ/2 микрополоскового резонатора 5 расположен на верхней стороне среднего слоя подложки; второй полосно-пропускающий фильтр, настроенный на центральную частоту F2, состоящий из параллельно связанных λ/2 микрополосковых резонаторов 7, 8, 9, при этом проводники резонаторов 7 и 9 расположены на нижней стороне среднего слоя подложки, а проводник резонатора 8 расположен на верхней стороне среднего слоя; третий согласующий отрезок микрополосковой линии 10, расположенный на верхней стороне среднего слоя подложки над крайним резонатором первого фильтра 6 и соединенный с первым выходным портом 11; четвертый согласующий отрезок микрополосковой линии 12, также расположенный на верхней стороне среднего слоя подложки над крайним резонатором второго фильтра 9 и соединенный со вторым выходным портом 13; металлизированные отверстия связи точек пересечения λ/2 микрополосковых резонаторов первого и второго фильтров с экранами 14.
На фиг.2 линия сечения условно проходит через осевую линию диплексора и показаны металлизированные отверстия связи 14; средний слой многослойной диэлектрической подложки 15, на сторонах которого расположены λ/2 микрополосковые резонаторы фильтров; верхний слой многослойной диэлектрической подложки 16; нижний слой диэлектрической подложки 17; нижний экранирующий металлический слой 18; верхний экранирующий металлический слой 19. При виде сбоку резонаторы одного фильтра перекрывают резонаторы другого, в связи с этим на фиг.2 изображается двойная нумерация этих частей диплексора.
Длины микрополосковых резонаторов 4, 5, 6 равны λ/2 на центральной частоте полосы пропускания первого фильтра F1, причем половины пар резонаторов 4 и 5, 5 и 6 расположены друг над другом, образуя ~λ/4 области связи. Длины микрополосковых резонаторов 7, 8, 9 равны λ/2 на центральной частоте полосы пропускания второго фильтра F2, причем половины пар резонаторов 7 и 8, 8 и 9 расположены друг над другом, образуя ~λ/4 области связи. Резонаторы 5, 7 и 9 выполнены S-образной формы, а резонаторы 4, 6 и 8 выполнены зеркально инверсной S формы относительно продольной оси диплексора. Отверстия связи 14 могут быть выведены только на верхний или нижний экраны или могут вообще отсутствовать.
Диплексор может быть выполнен и с любым другим числом резонаторов, возможен и другой порядок расположения резонаторов на верхней и нижней сторонах среднего слоя подложки, резонаторы могут быть выполнены не только S-образной, но и другой формы, обеспечивающей пересечение микрополосковых проводников по возможности взаимно ортогонально. Диплексор может быть выполнен не только по технологии керамики с низкой температурой обжига, но и с использованием несимметричной микрополосковой линии с двухслойной подложкой с одним нижним экраном, либо подложки с большим нечетным числом слоев. Эти варианты выполнения будут ясны специалисту после прочтения описания.
Двухчастотный диплексор содержит три порта, входной 1, на который поступают сигналы обеих поддиапазонов F1 и F2, и два выходных, из которых в первом выходном порту 11 выделяется сигнал частоты F1, а во втором, соответственно, сигнал частоты F2. Первый и второй полосно-пропускающие фильтры, входящие в состав диплексора, состоят из параллельно связанных λ/2 резонаторов, настроенных на центральную частоту F1 для первого фильтра 4, 5, 6 и резонаторов второго фильтра 7, 8, 9, настроенных частоту F2, и имеют многогорбые передаточные характеристики с высокой избирательностью. Так, на фиг.1 каждый фильтр состоит из трех резонаторов, два из которых расположены на нижней стороне среднего слоя подложки, а один - на верхней стороне. Крайние резонаторы первого и второго фильтров электрически связаны с входным портом 1 с помощью первого и второго согласующих отрезков линий передачи 2 и 3, соответственно. Электрическая связь между ними обеспечивается за счет расположения согласующих отрезков линий передачи 2 и 3 над крайними резонаторами первого и второго фильтров 4 и 7. Таким образом, входной сигнал, содержащий сигналы обоих диапазонов поступает на входные резонаторы обоих фильтров. В первом полосно-пропускающем фильтре, состоящим из полуволновых резонаторов 4, 5, 6, будет выделяться сигнал частоты F1, который далее поступит в первый выходной порт 11, связанным со вторым крайним резонатором первого фильтра 6, расположенным на нижней стороне среднего слоя подложки 15, с помощью третьего согласующего отрезка линии 10, расположенного на верхней стороне среднего слоя подложки 15 над резонатором 6, образуя область ~λ/4 связи на частоте F1. Во втором полосно-пропускающем фильтре, состоящем из полуволновых резонаторов 7, 8, 9, будет выделяться сигнал частоты F2, который далее поступит во второй выходной порт 13, связанный со вторым крайним резонатором второго фильтра 9, расположенным на нижней стороне среднего слоя подложки 15, с помощью четвертого согласующего отрезка 12, который расположен на верхней стороне среднего слоя подложки 15 над резонатором 9, образуя область ~λ/4 связи на частоте F2.
Таким образом, радиосигнал, поступающий на входной порт 1, возбуждает сразу оба резонатора 4 и 7 и по пути электрической связи проходит через все остальные резонаторы первого и второго фильтров, при этом сигнал частоты F1, пройдя первый полосно-пропускающий фильтр из резонаторов 4, 5, 6, поступает на первый выходной порт 11, а сигнал частоты F2, пройдя второй полосно-пропускающий фильтр из резонаторов 7, 8, 9, поступает на второй выходной порт 13, т.е. происходит частотное разделение сигналов. Длины и ширины первого и второго согласующих отрезков линий передачи 2 и 3 выбираются из условий, чтобы на частоте F1 входное сопротивление отрезка линии 3 в месте его подключения ко входному порту 1 совместно с резонаторами второго полосно-пропускающего фильтра 7, 8, 9 было близким к бесконечному, а входное сопротивление отрезка линии передачи 2 в месте подключения к входному порту 1 совместно с резонаторами первого полосно-пропускающего фильтра 4, 5, 6 было близким к бесконечному на частоте F2, тем самым обеспечивается частотная развязка выходных портов.
Проводники λ/2 микрополосковых резонаторов первого и второго фильтров 4 и 7, 5 и 8, 6 и 9 попарно пересекаются в центральных точках для каждого из резонаторов, в которых СВЧ напряжение на каждой из двух рабочих частот равно нулю и, следовательно, резонаторы первого и второго фильтров будут электрически развязаны друг с другом. Для улучшения электрической развязки пар резонаторов необходимо, чтобы их пересечение происходило под прямым углом (взаимно ортогонально), а электрические неоднородности по длине резонаторов были минимальными. Для этого резонаторы 7, 5 и 9 выполнены S-образной формы, а резонаторы 4, 8, 6 выполнены зеркально инверсной S-формы относительно продольной оси диплексора. Кроме того, для улучшения развязки и подавления паразитных полос пропускания у полосно-пропускающих фильтров, выполненных на параллельно связанных λ/2 резонаторах точки пересечения λ/2 резонаторов первого и второго фильтров, в которых СВЧ напряжение для обеих частот равно нулю, соединены с экранами с помощью металлизированных отверстий связи 14, проходящих через слои диэлектрической подложки 15, 16, 17.
Выполнение проводников резонаторов фильтров на параллельно связанных λ/2 отрезках линий на различных сторонах среднего слоя подложки, пересечение их в средней точке, где СВЧ напряжение для обеих частот равно нулю, позволило расположить резонаторы фильтров друг над другом и тем самым уменьшить габариты диплексора. Выполнение части λ/2 резонаторов полосно-пропускающих фильтров S-образной формы, а части резонаторов зеркально инверсной S-формы относительно продольной оси диплексора позволило улучшить электрическую развязку фильтров за счет отсутствия электрических неоднородностей в микрополосковых проводниках резонаторов за счет их плавных изгибов и пересечения проводников первого и второго фильтров взаимно ортогонально. Соединение с экранами точек пересечения λ/2 резонаторов первого и второго фильтров позволило подавить паразитные полосы пропускания у полосно-пропускающих фильтров, выполненных на параллельно связанных λ/2 резонаторах, т.к. теперь резонаторы могут возбуждаться лишь на частотах, на которых их длина кратна четному числу полуволн. Соединение с экранами точек пересечения λ/2 резонаторов первого и второго фильтров не увеличивает потерь в диплексоре, поскольку СВЧ напряжение в этих точках равно нулю и через короткозамыкатели СВЧ токи не текут.
За счет предлагаемой структуры диплексора и соединения полуволновых резонаторов в точке нулевого потенциала мы добиваемся того, что электрически развязываем полуволновые резонаторы и даем возможность на уровне синтеза диплексора настраивать полосы пропускания каждого из фильтров в составе диплексора независимо друг от друга, что сокращает время синтеза и выхода на производство, а также высокую повторяемость экземпляров фильтров.