ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ СВЧ ФИЛЬТР
BANDPASS MICROWAVE FILTER

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано в селективных трактах приемных и передающих систем.
Известен микрополосковый полосно-пропускающий фильтр (Патент РФ №2227350, Н01Р 1/203), содержащий диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое металлизированное основание, а на вторую сторону нанесены полосковые проводники двух П-образных резонаторов, причем одна из сторон каждого из П-образных резонаторов размещена между сторонами другого П-образного резонатора и дополнительно связана с другой его стороной, при этом проводник каждого из упомянутых резонаторов в средней его части соединен с заземляемым основанием отрезком полосковой линии. В полосе пропускания фильтра возбуждаются связанные колебания на резонансных частотах двух мод колебаний каждого резонатора, энергия которых благодаря электромагнитному взаимодействию передается на «выход». В результате полоса пропускания фильтра формируется четырьмя резонансами. Благодаря замыканию проводника резонатора на «землю» увеличивается затухание в обеих полосах заграждения, а вторая паразитная полоса пропускания сдвигается вверх по частоте более чем на октаву.
Недостатком описанного микрополоскового полосно-пропускающего фильтра, состоящего из пары резонаторов, является слабое подавление мощности на частотах полос заграждения, а также сравнительно узкая высокочастотная полоса заграждения.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является трехрезонаторный полосно-пропускающий фильтр (Патент РФ №2480867, Н01Р 1/203, Фиг. 6), содержащий диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое металлизированное основание, а на вторую сторону нанесен полосковый проводник, частично расщепленный продольной щелью с одного конца, в фильтре используются двухмодовые микрополосковые резонаторы, связанные между собой электромагнитно. Данный фильтр различается взаимной ориентацией соседних резонаторов. Паразитная полоса пропускания фильтра располагается приблизительно на удвоенной частоте основной полосы пропускания.
К недостаткам прототипа относятся слабое подавление мощности на частотах полос заграждения, а также сравнительно узкая высокочастотная полоса заграждения.
Техническим результатом изобретения является улучшение частотно-селективных свойств полосно-пропускающего сверхвысокочастотного (СВЧ) фильтра.
Технический результат достигается благодаря тому, что в полосно-пропускающем СВЧ фильтре, содержащем диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое металлизированное основание, а на вторую сторону нанесены полосковые проводники трех электромагнитно связанных микрополосковых резонаторов, согласно техническому решению, соединенные последовательно узкие и широкие прямоугольные полосковые проводники, заземленные на основание со стороны свободного конца входного (выходного) полоскового проводника, трижды свернуты в форме нерегулярного меандра.
А также тем, что полосковые проводники свернуты р раз в форме нерегулярного меандра, где р=5, 7, 9, … .
А также тем, что полосно-пропускающий СВЧ фильтр содержит n электромагнитно связанных резонаторов, где n=4, 5, 6, … .
21
11
Изобретение поясняется чертежами: Фиг.1 - пример выполнения трехрезонаторного полосно-пропускающего СВЧ фильтра с трижды свернутыми в форме нерегулярного меандра полосковыми проводниками. Фиг. 2 - измеренные амплитудно-частотные характеристики (S, S) изготовленного трехрезонаторного СВЧ фильтра.
Полосно-пропускающий СВЧ фильтр (Фиг.1) содержит диэлектрическую подложку 1, на одну сторону которой нанесено заземляемое металлизированное основание, а на вторую - нанесены полосковые проводники 2-19, все вместе они образуют микрополосковые линии, которые являются одним из типов линий передачи. Отрезки микрополосковых линий обладают собственными частотами колебаний и представляют собой микрополосковые резонаторы. Так соединенные друг с другом полосковые проводники 2-10, расположенные на диэлектрической подложке с заземляемым металлизированным основанием, являются многомодовым резонатором (первым и третьим) заявляемого фильтра. Аналогично, соединенные друг с другом полосковые проводники 11-19, расположенные на этой же диэлектрической подложке с заземляемым металлизированным основанием, являются вторым многомодовым резонатором в фильтре.
В первом (третьем) резонаторе узкие прямоугольные полосковые проводники 2, 4, 5, 7, 8, 10 и широкие прямоугольные полосковые проводники 3, 6, 9 последовательно соединенные друг с другом в следующем порядке: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 в форме трижды (р=3) свернутого нерегулярного меандра. При этом полосковые проводники 2-7 соединены друг с другом в форме дважды (р=2) свернутого нерегулярного меандра. А полосковые проводники 2-4 в форме одиночно (р=1) свернутого меандра, т.е. в форме шпильки.
Во втором резонаторе, аналогично, узкие прямоугольные полосковые проводники 11, 13, 14, 16, 17, 19 и широкие прямоугольные полосковые проводники 12, 15, 18 последовательно соединены друг с другом в следующем порядке: 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 в форме трижды свернутого нерегулярного меандра. Аналогично, полосковые проводники 11-16 соединены друг с другом в форме дважды свернутого нерегулярного меандра. А полосковые проводники 11-13 в форме одиночно свернутого меандра.
Число сворачиваний полосковых проводников p в форме нерегулярного меандра несложно увеличить, добавляя в каждом резонаторе фильтра к уже имеющимся проводникам по три последовательно соединенных полосковых проводника. При этом по частотно-селективным свойствам фильтры с четным числом сворачиваний полосковых проводников p=2, 4, 6… существенно уступают, в частности по ширине высокочастотной полосы заграждения, фильтрам с использованием нечетного числа сворачиванийр=3, 5, 7, … . Число резонаторов n в фильтре наращивается дублированием центрального резонатора.
Полосковые проводники 2, 6, 10, 11, 15, 19 фильтра заземлены на металлизированное основание со стороны свободного конца входного (выходного) полоскового проводника 2. При этом все полосковые проводники трехрезонаторного фильтра обладают осевой симметрией, а расположенные в ряд, сонаправленно друг другу, либо встречно-направленно, резонаторы электромагнитно связаны друг с другом.
Принцип действия полосно-пропускающего СВЧ фильтра заключается в следующем. Сигнал подается на входной полосковый проводник 2 (Фиг. 1, вход). В первом (третьем) резонаторе соединенные между собой и заземленные на металлизированное основание полосковые проводники 2-6, а также проводники 6-10, расположенные на диэлектрической подложке с заземляемым металлизированным основанием, можно представить как пару полуволновых резонаторов, причем нижайшая мода колебаний и первого и второго участвует в формировании полосы пропускания фильтра, поэтому, по сути, такой резонатор - многомодовый, а точнее двухмодовый. Второй резонатор аналогично является двухмодовым, всего резонаторов в СВЧ фильтре три, поэтому его полосу пропускания формируют шесть резонансов (Фиг. 2, вставка). Сигнал снимается с выходного полоскового проводника 2 (Фиг. 1, выход).
Улучшение таких частотно-селективных свойств фильтра как крутизна склонов полосы пропускания и подавление мощности на частотах низкочастотной и высокочастотной полос заграждения, достигается как за счет наращивания числа n резонаторов (n=4, 5, 6, …), так и за счет увеличения числа p сворачиваний (р=5, 7, 9, …) полосковых проводников в форме нерегулярного меандра, что пропорционально увеличивает количество резонансов от каждого резонатора, участвующих в формировании рабочей полосы пропускания.
Расширение высокочастотной полосы заграждения полосно-пропускающего СВЧ фильтра (Фиг. 2) обусловлено большим скачком волновых сопротивлений отрезков микрополосковых линий. А усилению подавления мощности на частотах низкочастотной и высокочастотной полос заграждения способствуют расположенные на амплитудно-частотной характеристике (Фиг. 2) многочисленные полюса затухания СВЧ мощности. Происхождение полюсов затухания связано с тем, что на этих частотах емкостное и индуктивное взаимодействие резонаторов взаимно компенсируют друг друга.
2
Пример выполнения: фильтр был изготовлен на подложке из традиционного материала СВЧ техники (материал - поликор) толщиной 1 мм с диэлектрической проницаемостью ε≈9.8. Длина и ширина полосковых проводников фильтра в мм: (2) - 13.40×0.70, (3) - 9.60×7.70, (4, 5) - 3.25×1.00, (6) - 6.90×5.90, (7, 8) - 3.30×0.90, (9) - 9.50×7.60, (10) - 13.50×0.90, (11, 19) - 13.70×1.00, (12, 18) - 9.20×7.10, (13, 14, 16, 17) - 3.40×0.50, (15) - 6.90×6.00. Зазоры между резонаторами - 0.60 мм. Площадь подложки, с учетом отступа 0.50 мм от трех ее краев до проводников, составила 60.00×23.50 мм.
21
11
0
min
0
0
Амплитудно-частотные характеристики прямых и обратных потерь (потерь на прохождение S и на отражение S) заявляемого полосно-пропускающего СВЧ фильтра, снятые в широкой и узкой (на вставке) полосе частот, показаны на Фиг. 2. Фильтр имеет относительную ширину полосы пропускания Δƒ/ƒ≈17%, измеренную по уровню -3 дБ от уровня минимальных потерь, которые составляли величину L≈1.4 дБ на центральной частоте полосы пропускания ƒ≈0.94 ГГц. Ширина расширенной высокочастотной полосы заграждения ~3ƒ с подавлением мощности на ее частотах не менее 50 дБ.
Преимуществами такого СВЧ фильтра являются наблюдаемые как на частотах низкочастотной, так и на частотах высокочастотной полосы заграждения многочисленные полюса затухания мощности, которые значительно усиливают подавление СВЧ мощности, и тем самым улучшают частотно-селективные свойства фильтра.
Таким образом, заявляемый полосно-пропускающий СВЧ фильтр с улучшенными частотно-селективными свойствами имеет более сильное подавление мощности на частотах низкочастотной и расширенной высокочастотной полос заграждения.