ФИЛЬТР СВЧ
MICROWAVE FILTER

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в качестве фильтра СВЧ для селекции частоты в радиотехнических устройствах СВЧ.
По мере роста требований к радиотехническим устройствам СВЧ возрастают требования и к параметрам фильтров СВЧ, таким как
- потери СВЧ,
- крутизна или коэффициент прямоугольности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ),
- габаритные характеристики,
- технологичность.
В настоящее время существует большое разнообразие типов фильтров СВЧ, перекрывающих весь используемый на практике диапазон СВЧ.
Среди них особенно в интегральных схемах СВЧ наибольшее применение нашли фильтры СВЧ на связанных полосковых линиях.
Известен фильтр СВЧ на связанных полосковых линиях плоскостного типа, содержащий керамическую подложку, на одной из поверхностей которой выполнены отрезки полосковых линий с длиной, равной половине длины волны, расположенные на расстоянии друг от друга и смещенные друг относительно друга на величину, равную четверти длины волны [1]. Связь между отрезками полосковых линий осуществляется посредством электромагнитного поля.
Недостатками данного фильтра СВЧ являются большие потери СВЧ, низкий коэффициент прямоугольности амплитудно-частотной характеристики вследствие излучения электромагнитного поля в свободное пространство, а также большие габариты из-за выполнения отрезков полосковых линий открытыми и в одной плоскости соответственно.
Известен фильтр СВЧ на связанных полосковых линиях объемного типа, выполненный в виде многослойного модуля, параллельно и соосно расположенных друг на друге керамических подложек, на одной из поверхностей которых выполнены отрезки полосковых линий, разомкнутые на концах и связанные электромагнитным полем, при этом один конец первого отрезка полосковой линии является входом, а второй конец последнего - выходом фильтра СВЧ [2 - прототип]. При этом отрезки полосковых линий выполнены в виде металлических слоев, нанесенных на упомянутую поверхность керамических подложек, например, напылением.
В конструкции фильтра СВЧ объемного типа в отличие от плоскостного типа все отрезки полосковых линий при любом их выполнении закрыты керамическими подложками, что частично исключает излучение электромагнитного поля в свободное пространство, и, следовательно, позволяет несколько снизить потери СВЧ и увеличить коэффициент прямоугольности амплитудно-частотной характеристики.
Кроме того, конструкция фильтра СВЧ объемного типа позволила существенно снизить его габариты по сравнению с плоскостным типом.
Однако, как указано выше, в конструкции фильтра СВЧ объемного типа, как и плоскостного отрезки полосковых линий выполнены на поверхности керамических подложек нанесением металлических слоев тем или иным методом, что, как правило, обуславливает возникновение воздушных зазоров между керамическими подложками и отрезками полосковых линий и вследствие разности диэлектрических постоянных воздуха и керамической подложки приводит к излучению электромагнитного поля через эти зазоры, и, следовательно, потерям СВЧ и уменьшению коэффициента прямоугольности амплитудно-частотной характеристики.
Технический результат - снижение потерь СВЧ в рабочей полосе частот, увеличение коэффициента прямоугольности амплитудно-частотной характеристики, уменьшение габаритов, повышение технологичности.
Технический результат достигается тем, что в предложенном фильтре СВЧ на связанных полосковых линиях объемного типа, выполненном в виде многослойного модуля параллельно и соосно расположенных друг на друге керамических подложек, на одной поверхности каждой из них выполнен отрезок полосковой линии, разомкнутый на концах, отрезки полосковых линий в модуле связанны электромагнитным полем, при этом первый конец первого отрезка полосковой линии является входом, а второй конец последнего - выходом фильтра СВЧ.
При этом
- каждая керамическая подложка модуля и отрезок полосковой линии на упомянутой ее поверхности выполнены монолитно в виде керамической подложки из нитрида алюминия и отрезка полосковой линии из алюминия, последний выполнен заглубленно, одинаковой толщиной в результате сканирования лучом лазера упомянутой поверхности керамической подложки из нитрида алюминия в месте его расположения,
- при этом отрезки полосковых линий модуля выполнены одинаковой ширины, длиной каждый, равной половине длины волны на центральной частоте фильтра СВЧ,
- при этом отрезок полосковой линии на каждой последующей упомянутой поверхности керамической подложки модуля смещен вдоль нее и относительно первого конца предыдущего на расстояние, равном половине его длины,
- при этом расположение каждой керамической подложки в модуле исключает гальванический контакт отрезков полосковых линий.
Количество в модуле керамических подложек с отрезками полосковых линий на упомянутой их поверхности определяет заданные параметры фильтра СВЧ.
Отрезки полосковых линий выполнены, например, прямоугольной формы.
Модуль фильтра СВЧ может быть расположен в корпусе.
Выполнение керамической подложки из нитрида алюминия, обладающего свойством оставлять в результате переплава только один металл - алюминий, позволит выполнять каждую керамическую подложку и отрезок полосковой линии монолитно и одновременно отрезок полосковой линии заглубленно, что в совокупности с другими признаками формулы изобретения позволит:
во-первых, исключить наличие соединения между керамической подложкой и отрезком полосковой линии и, следовательно, снизить потери СВЧ,
во-вторых, в модуле в принципе исключить возможность возникновения воздушных зазоров между керамическими подложками и, как следствие, максимально исключить возможность излучения электромагнитного поля, и, следовательно, существенно снизить потери СВЧ и увеличить коэффициент прямоугольности амплитудно-частотной характеристики,
в-третьих, повысить надежность:
а) благодаря идеальной изоляции металла отрезков полосковых линий, максимально исключить возможность электрического пробоя,
б) благодаря исключению возможности разрыва металла отрезков полосковых линий вследствие снижения напряжений между материалами керамической подложки и отрезка полосковой линии, поскольку нитрид алюминия - материал керамических подложек и алюминий - материал отрезков полосковых линий имеют близкие по значению коэффициенты теплового линейного расширения,
в-четвертых, уменьшить его габариты благодаря выполнению отрезков полосковых линий заглубленно, что делает конструкцию фильтра СВЧ более компактной,
в-пятых, благодаря представившейся возможности использовать высокотехнологичную лазерную технологию повысить технологичность.
Выполнение отрезков полосковых линий модуля одинаковой ширины, длиной каждый, равной половине длины волны на центральной частоте фильтра СВЧ обеспечивает минимальные потери СВЧ как на центральной частоте, так и в пределах полосы пропускания, которая может составлять 10-15 процентов относительно центральной частоты.
Выполнение отрезков полосковых линий на каждой последующей упомянутой поверхности керамической подложки модуля со смещением относительно первого конца предыдущего на расстоянии, равном половине его длины, обеспечивает более сильную связь вертикально расположенных отрезков полосковых линий в однородной керамической подложке, что повышает крутизну или коэффициент прямоугольности амплитудно-частотной характеристики.
Таким образом, предлагаемый фильтр СВЧ представляет собой надежную, компактную конструкцию в виде многослойного модуля параллельно и соосно расположенных друг на друге керамических подложек из нитрида алюминия с заглубленными отрезками полосковых линий из алюминия на одной их поверхности, выполненных каждая монолитно.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1а, б дан разрез предложенного фильтра СВЧ и вид сверху соответственно, в виде модуля, из пяти монолитно выполненных слоев керамической подложки из нитрида алюминия и отрезка полосковой линии из алюминия на ее поверхности.
Фильтр СВЧ содержит:
- керамические подложки, выполненные из нитрида алюминия - 1,
- отрезки полосковых линий из алюминия - 2.
На фиг.2 дана амплитудно-частотная характеристика фильтра СВЧ.
Пример конкретного выполнения.
Изготавливают заготовки для керамических подложек из нитрида алюминия 1 толщиной, шириной и длиной, равной 0,5 мм, 2 мм и 8 мм соответственно.
Для чего порошок нитрида алюминия, полученный высокотемпературным синтезом смешивают со связкой на основе смеси каучука и бензина в соотношении 1:1, затем прессуют и спекают в атмосфере азота при температуре 2100-2200 К и выдерживают в течение часа.
Производят обработку и очистку их поверхностей.
На одной из поверхностей каждой керамической подложки из нитрида алюминия выполняют отрезок полосковой линии из алюминия - 2 толщиной, шириной и длиной, равной 50 мкм, 0,4 мм и 4 мм соответственно.
2
Для чего каждую керамическую подложку, выполненную из нитрида алюминия, размещают на столе лазерной установки «Контата» на базе СО (двуокиси углерода) - лазера мощностью 800 Вт с длиной волны генерируемого излучения 10,6 мкм упомянутой поверхностью вверх и закрепляют на рабочем участке стола с помощью вольфрамовых пружин.
В компьютер лазерной установки вводят топологический рисунок, например прямоугольного отрезка полосковой линии с его смещением.
Включают лазерную установку.
Далее каждую монолитно выполненную керамическую подложку из нитрида алюминия с отрезком полосковой линии из алюминия располагают друг на друге параллельно и соосно, при этом исключая гальванический контакт отрезков полосковых линий, например поверхностью керамической подложки, на которой выполнены отрезки полосковых линий, вверх.
Выполненный модуль фильтра СВЧ может быть расположен в корпусе.
Работа устройства.
Сигнал на рабочей частоте поступает в фильтр СВЧ через входную линию на конец первого отрезка полосковой линии, посредством электромагнитного поля возбуждается электромагнитная волна во втором отрезке полосковой линии и далее до последнего отрезка полосковой линии. Ослабленный сигнал на рабочей частоте снимется с конца последнего отрезка полосковой линии и поступает на выходную линию.
На выполненном фильтре СВЧ была измерена амплитудно-частотная характеристика, представленная на фиг.2.
Как видно из фиг.2:
во-первых, в пределах полосы пропускания от 9,5 ГГц до 10,5 ГГц фильтр имеет потери СВЧ сигнала не более 0,5 дБ, что в полтора раза меньше, чем в прототипе;
во-вторых, за пределами полосы заграждения с границами от 9 ГГц до 11 ГГц фильтр имеет затухание СВЧ сигнала более 20 дБ. При этом коэффициент прямоугольности амплитудно-частотной характеристики равен двум, что в два раза меньше, чем в прототипе.
Таким образом, предложенный фильтр СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом
- снижение потерь СВЧ в рабочей полосе частот более чем в полтора раза,
- увеличение коэффициента прямоугольности амплитудно-частотной характеристики более чем в два раза,
- уменьшение габарита,
- повышение технологичности.
Таким образом, высокие технические характеристики предложенного фильтра СВЧ в сочетании с простотой, высокой технологичностью конструктивного выполнения и малыми габаритами обуславливают хорошую практическую применимость изобретения и особенно в микроэлектронике.
Источники информации
1. Л.Г.Гассанов, А.А.Липатов, В.В.Марков, Н.А.Могильченко. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М., Радио и связь, 1988, с.56.
2. В.Н.Гридин, Е.И.Нефедов, Т.Ю.Черникова. Электродинамика структур крайне высоких частот. М., Наука, 2002, с.332.