ПОЛОСКОВЫЙ ДВУХСПИРАЛЬНЫЙ РЕЗОНАТОР
TWO-SPIRAL STRIP RESONATOR

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для создания устройств частотной селекции сигналов сверхвысоких частот, задающих цепей автогенераторов и др.
Известна конструкция полоскового спирального резонатора [Положенцев Е.А., Волков М.И., Рычков В.А., Зайцев А.Б. Полосковый спиральный резонатор А.С.№1394281 от 07.05.88, бюл. №17]. Полосковый спиральный резонатор содержит корпус, в котором размещена диэлектрическая подложка. На обеих сторонах подложки расположены один под другим спиральные проводники, разомкнутые на внутренних концах, закороченные на внешних концах. С целью уменьшения габаритов внутренние концы спиральных проводников расширены и выполнены в форме гребенки.
Также известна конструкция спирального полоскового резонатора и полосно-пропускающего фильтра на его основе [Gye-An Lee, М. A. Megahed and F. De Flaviis Low-cost compact spiral inductor resonator filters for system-in-a-package // IEEE Transactions on Advanced Packaging, Nov. 2005, vol. 28, no. 4, pp. 761-771]. Фильтр состоит из полосковых резонаторов, каждый из которых образован проводником, свернутым в форму плоской прямоугольной спирали. Спиральный проводник расположен между двумя диэлектрическими слоями, наружная поверхность, одного из которых металлизирована и является экраном, при этом внутренний конец полосковой спирали через диэлектрический слой замкнут на экран.
Недостатками как первого, так и второго аналога являются сравнительно большие размеры на частотах дециметрового и метрового диапазона длин волн, а также недостаточная разреженность спектра резонансных частот, что не позволяет реализовывать на основе таких резонаторов полосно-пропускающие фильтры с протяженной высокочастотной полосой заграждения.
Наиболее близким аналогом является двухпроводниковый полосковый резонатор и полосно-пропускающий фильтр на основе [Aleksandr A. Leksikov, Alexey М. Serzhantov, Ilya V. Govorun, Aleksey О. Afonin, Andrey V. Ugryumov, and Andrey A. Leksikov Miniaturized Suspended-Substrate Two-Conductors Resonator and a Filter on Its Base // Progress In Electromagnetics Research M, 2019, Vol. 84, pp. 127-135 (Прототип)]. Полосковый резонатор содержит подвешенную между экранами диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесен короткозамкнутый на экран с одного торца подложки П-образный полосковый проводник, а на вторую сторону подложки также нанесен короткозамкнутый на экран с другого торца подложки П-образный полосковый проводник. Такой резонатор при прочих равных условиях имеет значительно меньшие размеры и более разреженный спектр частот по сравнению с первым аналогом. Это позволяет реализовать миниатюрные полосно-пропускающие фильтры дециметрового диапазона длин волн с более протяженной, чем у первого аналога высокочастотной полосой заграждения.
Недостатком резонатора-прототипа являются сравнительно большие размеры на частотах метрового диапазона длин волн, в особенности на частотах ниже 100 МГц, что не позволяет создавать компактные полосно-пропускающие фильтры на его основе.
Техническим результатом изобретения является уменьшение размеров полоскового резонатора.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом полосковом двухспиральном резонаторе, содержащем диэлектрическую подложку и пару полосковых проводников, расположенных на разных поверхностях подложки и закороченных с одного конца с противоположных сторон, новым является то, что подложка является многослойной, а на поверхностях слоев нанесены полосковые проводники плоских витков двух многослойных спиралей, связанные между собой межслойными гальваническими соединениями, в виде металлизированных отверстий.
Отличие заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключается в том, что полосковые резонаторы имеют форму многослойной спирали и выполнены с применением межслойных гальванических соединений.
Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется рисунками:
На фиг. 1 изображен полосковый двухспиральный резонатор заявляемой конструкции.
На фиг. 2 изображена конструкция полосно-пропускающего фильтра четвертого порядка на резонаторах заявляемой конструкции.
21
11
На фиг. 3 изображены рассчитанные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) коэффициента передачи S и коэффициента отражения S фильтра четвертого порядка на полосковых двухспиральных резонаторах.
Конструкция заявляемого двухспирального резонатора показана на фиг. 1, а на фиг. 2 изображен вариант реализации полосно-пропускающего фильтра четвертого порядка на основе таких резонаторов. Резонатор образован двумя многослойными спиралями, которые с одного конца замкнуты на экран, а с другого разомкнуты. Полосковые проводники 1 плоских витков спирали, расположенные между тонкими диэлектрическими слоями 3 (фиг. 2), связаны между собой межслойными гальваническими соединениями 2, выполненными, в виде металлизированных отверстий. Многослойная полосковая двухспиральная структура размещается между двумя дополнительными диэлектрическими слоями 4, наружные поверхности которых металлизированы и играют роль экранов 5. Для обеспечения хорошего гальванического контакта проводников резонаторов с наружным экраном по периметру фильтра расположены проводящие полосковые шины 6.
Заявляемый полосковый двухспиральный резонатор работает следующим образом. На нижайшей резонансной частоте конструкции, когда спиральные проводники в резонаторе имеют одинаковое распределение высокочастотных токов и напряжений по их длине, ток в резонаторе поровну делится на оба проводника. Благодаря взаимному расположению витков многослойных спиралей в рассматриваемой конструкции резонатора, на его нижайшей моде колебаний напряжения на его разомкнутых концах проводников противоположны по знаку, а токи имеют одинаковый знак во всех проводниках спиралей, то есть текут в одном направлении. Это приводит к существенному уменьшению его размеров при фиксированной частоте резонатора.
В полосно-пропускающем фильтре на основе заявляемого резонатора, входная и выходная линии передачи подключаются к проводникам наружных резонаторов (фиг. 2), например, через копланарный переход 7, причем расстояние от замкнутых на экран концов проводников до точек подключения внешних линий передачи определяется заданным минимальным уровнем отражений в полосе пропускания фильтра. Сигналы, частоты которых попадают в полосу пропускания, проходят на выход фильтра с минимальными потерями, в то время как на частотах вне полосы пропускания происходит отражение сигналов от входа устройства.
21
11
r
На фиг. 3 приведены рассчитанные частотные зависимости коэффициента передачи S и отражения S для полосно-пропускающего фильтра четвертого порядка, состоящего из четырех полосковых двухспиральных резонаторов заявляемой конструкции. Фильтр (фиг. 2) имеет следующие конструктивные параметры. Толщина внутренних диэлектрических слоев 3 составляет 0.102 мм, толщина наружных слоев 4 составляет 1.524 мм. Диэлектрические слои имеют параметры, соответствующие материалу RO4350B™ (относительная диэлектрическая проницаемость ε=3.66 и tg δ=0.003).
Ширина полосковых проводников спиральных резонаторов составляет 1 мм, материал проводников - медь толщиной 18 мкм. Внутренний зазор между резонаторами составляет 0.65 мм, внешние зазоры 0.7 мм.
0
0
0
Фильтр имеет центральную частоту полосы пропускания f=60 MHz при относительной ширине полосы пропускания по уровню -3 дБ Δf/f=18%. Минимальное вносимое затухание в полосе пропускания фильтра составляет 2.9 dB при максимальном уровне отражений -15 dB. Важным достоинством фильтра на основе резонаторов заявляемой конструкции является протяженная высокочастотная полоса заграждения, верхний край которой по уровню -30 дБ простирается до частоты 16f.
При указанных выше конструктивных параметрах фильтра габариты каждого из его резонаторов составляют 15.5 мм × 7.2 мм × 4.3 мм, т.е. наибольший размер резонатора в 320 раз меньше длины волны в вакууме на указанной резонансной частоте. Результаты расчета 3D-модели в программе электродинамического анализа показали, что при прочих равных условиях заявляемый полосковый двухспиральный резонатор занимает объем в 2 раза меньший по сравнению с резонатором-прототипом. Это позволяет конструировать на основе резонаторов заявляемой конструкции миниатюрные фильтры, что подтверждает заявляемый технический результат. Так габариты разработанного фильтра (фиг. 2) на двухспиральных резонаторах составляют всего 34 мм × 16.5 мм × 4.3 мм.
Предложенная миниатюрная конструкция полоскового двухспирального резонатора и полосно-пропускающего фильтра на его основе может быть достаточно просто реализована с применением хорошо отработанной технологии многослойных печатных плат, что позволяет обеспечить не только хорошие массогабаритные показатели, но и отличную повторяемость, что очень важно при массовом производстве.