Фильтр СВЧ
MICROWAVE FILTER

Изобретение относится к устройствам СВЧ, а именно - к полосно-пропускающим фильтрам СВЧ.
Фильтры СВЧ предназначены для пропускания сигнала СВЧ с частотой, лежащей внутри рабочей полосы частот, и заграждения сигнала СВЧ с частотой, лежащей вне рабочей полосы частот.
Известен фильтр СВЧ, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа сигнала СВЧ, другая - для выхода, два отрезка линии передачи, при этом, один конец первого отрезка линии передачи первого звена соединен с линией передачи на входе, другой - с одним концом второго отрезка линии передачи, другой конец второго отрезка линии передачи соединен с линией передачи на выходе.
При этом длины первого и второго отрезков линии передачи кратны нечетному числу четвертей длин волн, распространяющихся в этих отрезках линии передачи на центральной частоте рабочей полосы пропускания фильтра СВЧ, и имеют волновые сопротивления, отличающиеся на порядок [Алмазов-Долженко К.И., Королев А.Н. Техническая электродинамика Рис. 4.124].
В таком фильтре СВЧ отрезок линии передачи с большой величиной волнового сопротивления эквивалентен последовательной индуктивности, а отрезок линии передачи с малой величиной волнового сопротивления эквивалентен параллельной емкости, поэтому он имеет низкие потери СВЧ на низких частотах и высокие потери - на высоких частотах.
c
1
2
Такой фильтр позволяет осуществить фильтрацию сигнала только на низких частотах (от частоты f=0 до частоты среза f) и не позволяет осуществить фильтрацию в рабочей полосе частот, ограниченной нижней f и верхней f частотами рабочей полосы.
В аналоге входной сигнал СВЧ с частотой, лежащей вне рабочей полосы частот, отражается от входа фильтра СВЧ.
Известен фильтр СВЧ, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа сигнала СВЧ, другая - для выхода, элементы, каждый из которых выполнен из двух отрезков связанных линий передачи одинаковой длины, кратной нечетному числу четверти длины волны, распространяющейся в отрезках связанных линий передачи на центральной частоте рабочей полосы пропускания фильтра СВЧ соответственно, при этом первый конец первого отрезка связанных линий передачи первого элемента соединен с линией передачи на входе, второй конец его разомкнут, второй конец второго отрезка связанных линий передачи первого элемента соединен с первым концом первого отрезка связанных линий передачи второго элемента, первый конец второго отрезка связанных линий передачи второго элемента разомкнут, второй его конец соединен с линией передачи на выходе [Алмазов-Долженко К.И., Королев А.Н. Техническая электродинамика Рис. 4.125] - прототип.
1
2
Наличие в таком фильтре СВЧ элементов из двух отрезков связанных линий передачи длиной кратной соответственно нечетному числу четверти длин волн обеспечивает малые потери СВЧ вблизи центральной частоты и большие вдали от этой частоты и тем самым позволяет осуществить фильтрацию сигнала СВЧ в рабочей полосе частот, ограниченной нижней f и верхней f частотами рабочей полосы.
Однако, как и в аналоге, в этом фильтре входной сигнал СВЧ с частотой, лежащей вне рабочей полосы частот, отражается от входа фильтра СВЧ. Поскольку в подавляющем большинстве случаев фильтр СВЧ используется не сам по себе, а в составе различных устройств СВЧ (усилителей, преобразователей частоты, генераторов и т.п.), то такое отражение сигнала СВЧ от входа фильтра с последующим многократным его переотражением приводит к нежелательным (паразитным) колебаниям в конечном счете - к возбуждению устройств, содержащих этот фильтр СВЧ.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является подавление отражений сигнала СВЧ вне рабочей полосы частот фильтра СВЧ при сохранении малых потерь СВЧ в рабочей полосе частот фильтра СВЧ.
Указанный технический результат достигается предлагаемым фильтром СВЧ, содержащим входную и выходную линии передачи, между которыми расположен связанный резонатор, выполненный из двух каскадно-соединенных элементов, каждый из которых содержит два отрезка линии передачи одинаковой длины, связанных электромагнитно, при этом входная линия передачи соединена с концом первого отрезка первого элемента, а второй конец отрезка разомкнут, второй конец второго отрезка первого элемента соединен с первый концом первого отрезка второго элемента, первый конец второго отрезка второго элемента разомкнут, а второй его конец соединен с выходной линией передачи. Резонатор дополнительно содержит два одинаковых резистора, один из концов каждого резистора заземлен через отрезок линии передачи, а второй конец первого резистора подключен к первому концу второго отрезка первого элемента, а второй конец второго резистора подключен ко второму концу первого отрезка второго элемента, при этом длина каждого отрезка линии передачи кратна нечетному числу четверти длины волны, распространяющейся в этом отрезке линии передачи на центральной частоте рабочей полосы пропускания фильтра СВЧ.
Подавление отражений вне рабочей полосы частот фильтра СВЧ основано на физических законах поглощения сигнала СВЧ резисторами и преобразования его в тепловую энергию.
Заявленный фильтр СВЧ, его существенные признаки, а именно введение дополнительно двух резисторов и двух отрезков линии передачи, каждый и в их совокупности, а так же в совокупности с известными признаками, а также в совокупности с предложенным соединением элементов фильтра СВЧ обеспечит, а именно:
- во-первых, наличие дополнительных резисторов, как элементов поглощения сигнала СВЧ и преобразования его в тепловую энергию, обеспечивает подавление отражений сигнала СВЧ от фильтра;
- во-вторых, предложенное заземление резистора через отрезок линии передачи, длиной кратной соответственно нечетному числу четверти длин волн, обеспечивает активное включение резистора, как элемента поглощения сигнала СВЧ, только на частотах, лежащих вне рабочей полосы частот фильтра СВЧ, и как следствие подавление отражений сигнала СВЧ вне рабочей полосы частот фильтра СВЧ;
- в-третьих, предложенная длина отрезков линии передачи обеспечивает отключение резисторов на центральной частоте и частотах в пределах рабочей полосы частот и тем самым реализацию условий отсутствия влияния резистора на распространение сигнала с частотой, лежащей внутри полосы частот, и как следствие сохранение малых потерь СВЧ в рабочей полосе частот;
- в-четвертых, подключение одинаковых резисторов и отрезков линии передачи обеспечивает симметрию зависимости от частоты потерь СВЧ относительно центральной частоты и как следствие сохранение малых потерь СВЧ в рабочей полосе частот.
Итак, заявленная совокупность существенных признаков реализует указанный технический результат, а именно подавление отражений сигнала СВЧ вне рабочей полосы частот фильтра СВЧ при сохранении малых потерь СВЧ в рабочей полосе частот фильтра СВЧ.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг 1. показана топология предлагаемого фильтра СВЧ, где
- линии передачи на входе - 1,
- линии передачи на выходе - 2,
- первый элемент резонатора - 3,
- второй элемент резонатора - 4
- первый отрезок линий передачи первого элемента- 5,
- второй отрезок линий передачи первого элемента - 6,
- первый отрезок линий передачи второго элемента - 7,
- второй отрезок линий передачи второго элемента - 8,
- первый резистор - 9,
- второй резистор - 10,
- отрезок линии передачи, через который заземлен резистор 9-11,
- отрезок линии передачи, через который заземлен резистор 10-12.
На фиг. 2 показана электрическая схема заявленного фильтра СВЧ, где
1
Э - схема первого элемента,
Э2 - схема второго элемента.
На фиг. 3 показаны графики зависимости от частоты сигнала СВЧ модулей коэффициентов передачи Кпер., отражения Котр. и поглощения Кпогл.
Пример конкретного выполнения предлагаемого фильтра СВЧ с выходными параметрами:
- центральная частота фильтра 3 ГГц,
- рабочая полоса частот 0,3 ГГц,
Фильтр СВЧ выполнен в гибридном интегральном исполнении на подложке из диэлектрика - поликора - с относительной диэлектрической проницаемостью равной 9,6 и толщиной равной 0,5 мм с использованием классической тонкопленочной технологии с толщиной пленки меди равной 5 мкм.
Линии передачи на входе 1 и выходе 2, отрезки линии передачи 5, 6, 7, 8, каждого элемента 3 и 4 связанного резонатора выполнены с волновым сопротивлением, равным 50 Ом, что соответствует ширине проводников 0,48 мм.
Одинаковые резисторы 9 и 10 имеют сопротивление равное 50 Ом и выполнены из пленки тантала толщиной 5 мкм, шириной 0,48 мм и длиной 0,48 мм.
Заземление отрезков линии передачи 11 и 12 осуществляется через металлизированные отверстия в диэлектрической подложке диаметром 1 мм.
Длина волны, распространяющейся в отрезках линии передачи на центральной частоте рабочей полосы фильтра СВЧ, равна 40 мм.
Длина каждого отрезка линии передачи 5, 6, 7, 8, 11, 12 равна 10 мм.
Заявленный фильтр СВЧ работает следующим образом.
Если на вход фильтра подают сигнал с частотой, лежащей внутри рабочей полосы частот, то такой сигнал в фильтре не поглощается и не отражается, поэтому на выход фильтра этот сигнал проходит практически без изменения.
Если на вход фильтра подают сигнал с частотой, лежащей вне рабочей полосы частот, то такой сигнал в фильтре не отражается, как это имело место в прототипе, а поглощается и поэтому на выход фильтра этот сигнал практически не проходит.
Измеренные характеристики предлагаемого фильтра представлены на графиках фиг. 3.
Графики зависимости от частоты сигнала СВЧ модулей коэффициентов передачи, отражения и поглощения показывают (фиг. 3), что:
- в рабочей полосе частот (2,85-3,15 ГГц) квадрат модуля коэффициента передачи приметно равен 0,75, а вне полосы он резко снижается практически до нуля, то есть со входа на выход фильтра передается 75% мощности сигнала СВЧ, а 25% мощности сигнала СВЧ теряется;
- в рабочей полосе частот квадрат модуля коэффициента поглощения не превышает 0,15, а вне полосы он повышается до 1, то есть в рабочей полосе частот сигнал СВЧ практически не поглощается, а за пределами полосы практически весь сигнал СВЧ поглощается;
- квадрат модуля коэффициента отражения как в рабочей полосе частот, так и за ее пределами не превышает 0,1, то есть отраженный сигнал СВЧ практически отсутствует.
Таким образом, предлагаемая конструкция фильтра СВЧ по сравнению с прототипом позволяет подавить отраженный сигнала СВЧ вне рабочей полосы частот фильтра СВЧ и сохранить малые потери СВЧ в рабочей полосе частот фильтра СВЧ.