Полосно-пропускающий СВЧ-фильтр
BAND-PASS MICROWAVE FILTER

Изобретение относится к области СВЧ-техники и может быть использовано в приемных и передающих устройствах для фильтрации импульсных СВЧ-сигналов с повышенным уровнем проходящей мощности.
Известен полосно-пропускающий СВЧ-фильтр (ППФ) на дисковых диэлектрических резонаторах, выполненных из керамического материала с высокой термостабильностью и добротностью [1], выбранный за аналог.
Конструктивно ППФ (фиг. 1) представляет собой установленные в экранированном корпусе (поз. 1 на фиг. 1) на диэлектрических подставках (поз. 2 на фиг. 1) дисковые диэлектрические резонаторы (поз. 3 на фиг. 1), связь между которыми обеспечивается по электромагнитному полю, а с внешними устройствами - штыревыми возбудителями (поз. 4 на фиг. 1). Наличие подобных элементов связи обеспечивает требуемые для электрической прочности расстояния и позволяет пропускать СВЧ-сигналы с импульсной мощностью не менее 100 Вт.
Устройство [1] имеет следующие недостатки:
- низкая стойкость к механическим воздействиям;
- наличие паразитных полос пропускания вблизи основной частоты;
- низкие массогабаритные характеристики.
01δ
Приведенные выше недостатки обусловлены применением в качестве колебательных систем, работающих на низшем типе колебаний Н, дисковых диэлектрических резонаторов, диаметр которых сопоставим с 1/2 длины волны в диэлектрике, способом крепления дисковых диэлектрических резонаторов и необходимостью размещения всех элементов устройства в экранированном объеме с заданными расстояниями токопроводящих стенок корпуса до дисковых диэлектрических резонаторов и штыревых возбудителей.
Известен ППФ на четвертьволновых коаксиальных керамических резонаторах производства фирмы LORCH MICROWAVE [2].
Конструктивно ППФ (фиг. 2) представляет собой размещаемые на металлическом основании (поз. 5 на фиг. 2) четвертьволновые коаксиальные керамические резонаторы (ККР) (поз. 6 на фиг. 2) и закрепленную на них согласующую плату (поз. 7 на фиг. 2), на которой сформированы конденсаторы связи между смежными коаксиальными керамическими резонаторами и конденсаторы связи крайних коаксиальных керамических резонаторов с внешними устройствами. Конструкция ППФ [2] допускает применение в одном изделии коаксиальных керамических резонаторов различной длины из керамических материалов с различными электрофизическими параметрами, что расширяет возможности улучшения электрических характеристик ППФ.
ППФ [2] имеет следующие недостатки:
- низкую стойкость к механическим воздействиям;
- низкий уровень пропускаемой мощности (не более 1 Вт согласно справочным данным).
Первый недостаток обусловлен креплением согласующей микроплаты только на опорные стойки (поз. 8 на фиг. 2), вставленные в отверстия коаксиальных керамических резонаторов и гальванически соединенные с их внутренними проводниками, без крепления этой согласующей платы к основанию. При наличии механических вибраций эта плата начинает колебаться, что может, как показала практика их применения, приводить к обрыву полосковых выводов связи с внешними устройствами.
Второй недостаток обусловлен низким пробивным напряжением конденсаторов связи на согласующей плате, выполненных в виде зазоров между контактными площадками, к которым припаяны внутренние проводники коаксиальных керамических резонаторов.
Известен ППФ на керамических монолитных блоках [3] производства ОАО «Транстроника» (г. Санкт-Петербург).
Конструктивно ППФ (фиг. 3) представляет собой размещаемый на металлическом основании (поз. 9 на фиг. 3) керамический монолитный блок (поз. 10 на фиг. 3), эквивалентный установленным вплотную четвертьволновым ККР без смежных проводящих стенок, при этом конденсаторы связи (поз. 11 на фиг. 3) выполнены непосредственно на открытом конце керамического монолитного блока в виде зазоров между токопроводящими площадками, соединенными с его внутренними проводниками.
ППФ [3] отличается высокой стойкостью к механическим воздействиям, малыми габаритами и массой, малым количеством деталей.
ППФ [3] имеет следующие недостатки:
- низкий уровень пропускаемой мощности (не более 1 Вт согласно ТУ [3]);
- высокие требования к технологической отработке техпроцессов изготовления керамических монолитных блоков в условиях массового производства;
- исключение возможности применения в одном устройстве керамических материалов с различной диэлектрической проницаемостью, что ограничивает возможности улучшения его электрических характеристик.
Первый недостаток обусловлен низким пробивным напряжением емкостей связи, выполненных в виде зазоров между токопроводящими площадками, соединенными с внутренними проводниками керамического монолитного блока.
Второй недостаток обусловлен необходимостью получения высокой однородности по объему электрофизических параметров керамического материала, из которого изготавливается керамический монолитный блок.
Третий недостаток обусловлен моноблочностью конструкции керамического монолитного блока.
Известен ППФ [4] на четвертьволновых коаксиальных керамических резонаторах квадратного сечения разработки ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова» (г. Нижний Новгород), выбранный за прототип.
Конструктивно ППФ (фиг. 4) представляет собой размещаемые на металлическом основании (поз. 12 на фиг. 4) четвертьволновые коаксиальные керамические резонаторы квадратного сечения (поз. 13 на фиг. 4) и согласующую плату (поз. 14 на фиг. 4), на которой конденсаторы связи между смежными коаксиальными керамическими резонаторами и связи крайних из них с внешними устройствами выполнены в виде зазоров между контактными площадками, к которым припаяны внутренние проводники коаксиальных керамических резонаторов.
Параметры емкостных элементов С1, С2 и С3 ППФ прототипа, схема которого приведена на фиг. 5, могут быть получены при решении системы уравнений вида
где
K - комплексный коэффициент передачи, который определяется для двухре-зонаторного ППФ в соответствии с методикой [5];
0р
ω - резонансная частота ККР;
0
ω - резонансная частота ППФ;
1
2
ω и ω - граничные частоты полосы пропускания ППФ.
Из всех возможных выбирается решение, обеспечивающее максимальное значение коэффициента передачи на центральной частоте. Рассматривая для примера ППФ на основе резонаторов, изготовленных из керамического материала с относительной диэлектрической проницаемостью ε=100, при центральной частоте амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ППФ  и полосе пропускания  (по уровню минус 3 дБ) емкости связи С1,С2 и С3 будут иметь следующие значения:
С1=С3=0,9 пФ; С2=0,23 пФ.
п
При реализации данных емкостей связи в виде зазоров в контактных площадках согласующей платы, изготовленной из керамического материала с относительной диэлектрической проницаемостью ε=10 и толщиной подложки h=1 мм, как это сделано в ППФ-прототипе фиг. 4, их ширина может быть определена с помощью графика зависимости отношения погонной емкости к диэлектрической проницаемости подложки от отношения ширины зазора к толщине подложки при заданном отношении ширины контактной площадки к толщине подложки [6]. Для приведенных значений емкостей связи, длине и ширине контактных площадок l=3 мм и w=2 мм ширина зазоров S составляет:
для С1 и С3-S1=0,075 мм, для С2-S2=0,7 мм.
п
Согласно [2, 3], предельный уровень пропускаемой мощности составляет 1 Вт для конструкции ППФ с конденсаторами связи, выполненными в виде зазоров между токопроводящими площадками на керамическом основании с диэлектрической проницаемостью ~ 100 и минимальной шириной зазора ~ 0,3 мм. Таким образом, уровень пропускаемой мощности ППФ-прототипа, для которого емкости связи реализованы в виде зазоров в контактных площадках согласующей платы с меньшей диэлектрической проницаемостью (ε=10) и минимальной шириной зазора ~ 0,075 мм, не превысит 1 Вт.
ППФ [4] отличается возможностью применения в одном ППФ коаксиальных керамических резонаторов, изготовленных из различных керамических материалов для улучшения электрических характеристик, удобством регулировки, стойкостью к механическим воздействиям, а также малыми габаритами и массой.
ППФ [4] имеет следующие недостатки:
- наличие большого уровня радиационных потерь;
- большое количество комплектующих деталей;
- низкая технологичность изготовления и сборки;
- низкий уровень пропускаемой мощности (не более 1 Вт).
Первый недостаток обусловлен излучением СВЧ-мощности с открытого конца резонаторов и ленточными перемычками (поз. 15 на фиг. 4), соединяющими внутренние проводники резонаторов с контактными площадками на согласующей плате.
Второй недостаток обусловлен конструкцией, в которой, кроме резонаторов, используются основание, согласующая плата и ленточные перемычки.
Третий недостаток обусловлен необходимостью применения фотолитографии при изготовлении согласующей платы и пайки ленточных перемычек к внутренним проводникам резонаторов.
Четвертый недостаток обусловлен низким пробивным напряжением конденсаторов связи на согласующей плате, выполненных в виде зазоров между контактными площадками, к которым припаяны внутренние проводники резонаторов и внешние устройства.
Техническим результатом предложенного изобретения является создание малогабаритного ППФ с лучшими частотными, мощностными, прочностными и массо-габаритными характеристиками при высокой технологичности изготовления.
Технический результат достигается тем, что в полосно-пропускающем СВЧ-фильтре, содержащем установленные на металлическое основание и гальванически соединенные между собой боковыми поверхностями четвертьволновые резонаторы, изготовленные на основе коаксиальных керамических линий квадратного сечения, каждый резонатор и емкости связи его с другим резонатором или внешним устройством изготовлены как один конструктивный элемент, при этом емкости связи отделены от резонатора зазором в металлизации внешней поверхности коаксиальной керамической линии и выполнены в виде керамических конденсаторов, обкладками которых являются внутренний проводник и боковые поверхности отрезка коаксиальной керамической линии от зазора до открытого торца коаксиальной керамической линии, причем на горизонтальных поверхностях этого отрезка коаксиальной керамической линии отсутствует металлизация.
Ширина зазора, отделяющего резонатор от емкостей связи, определена из величины напряжения поверхностного пробоя, соответствующей заданному значению максимального уровня импульсной мощности входного сигнала.
Формирование емкостей связи в виде керамических конденсаторов, обкладками которых являются боковые поверхности и внутренний проводник коаксиальной керамической линии, обеспечивает у них высокие значения напряжения пробоя.
Выполнение резонатора и емкостей связи в виде одной детали обеспечивает высокие прочностные и массо-габаритные характеристики ППФ при минимальном количестве в нем сборочных единиц и высокой технологичности при изготовлении, сборке и регулировке.
Предлагаемый ППФ поясняют фигуры 1-6.
На фиг. 1 приведена конструкция ППФ на основе дисковых диэлектрических резонаторов, приведенная в [1]. На фиг. 1 показаны: 1 - корпус ППФ; 2 - диэлектрическая подставка; 3 - дисковый диэлектрический резонатор; 4 - штыревой возбудитель.
На фиг. 2 приведена конструкция ППФ производства фирмы LORCH MICROWAVE [2]. На фиг. 2 показаны: 5 - металлическое основание; 6 - четвертьволновый коаксиальный керамический резонатор квадратного сечения; 7 - согласующая плата с емкостями связи; 8 - металлическая опора.
На фиг. 3 приведена конструкция ППФ производства ОАО «Транстроника» [3]. На фиг. 3 показаны: 9 - металлическое основание; 10 - керамический блок; 11 - емкостные зазоры связи.
На фиг. 4 приведена конструкция ППФ разработки ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова» [4]. На фиг. 4 показаны: 12 - металлическое основание; 13 - четвертьволновый коаксиальный керамический резонатор квадратного сечения; 14 - согласующая плата с емкостями связи; 15 - ленточная перемычка.
На фиг. 5 приведена эквивалентная схема ППФ, конструкции которых приведены на фиг. 2-4 и предлагаемого ППФ фиг. 6. На фиг. 5 показаны: Z1, Z2 - резонаторы; С1, С3 - конденсаторы связи с внешними устройствами; С2 - конденсатор связи резонаторов между собой.
На фиг. 6 приведена предлагаемая конструкция ППФ. На фиг. 6 показаны: 16 - металлическое основание; 17 - коаксиальный керамический резонатор квадратного сечения; 18 - конденсатор связи между соседними резонаторами; 19 - конденсатор связи с внешними устройствами; 20 - места пайки; 21 - места выборки металлизации при регулировке частоты; 22 - места выборки металлизации при регулировке связи между резонаторами; 23 - места выборки металлизации при регулировке связи с внешними устройствами; 24 - зазор в металлизации внешнего проводника.
В предлагаемом ППФ (фиг. 6) емкости связи между резонаторами (поз. 18 на фиг. 6) и связи крайних резонаторов с внешними устройствами (поз. 19 на фиг. 6) реализованы конденсаторами, обкладками которых являются внутренний проводник коаксиальной керамической линии и ее боковые поверхности, а изолятором керамический материал коаксиальной линии. Минимальная толщина изолятора b составляет
где
а - ширина коаксиальной линии квадратного сечения (внешнего проводника);
d - диаметр отверстия коаксиальной линии квадратного сечения (внутреннего проводника).
В соответствии с (2), при а=6 мм, d=2,5 мм минимальная толщина изолятора b составляет
b=1,75 мм.
Согласно данным [7], электрическая прочность керамического материала составляет не менее Е≥10 кВ/мм, т.е. для предлагаемого ППФ пробивное напряжение емкостей связи с внешними устройствами С1, С3 составит не менее 17,5 кВ, для емкости связи между резонаторами С2 - не менее 35 кВ (емкость С2 образована двумя включенными последовательно конденсаторами). Таким образом, емкостные элементы предлагаемого ППФ обеспечивают прохождение СВЧ-мощности не менее 100 Вт.
Ширина зазора в металлизации внешней поверхности коаксиальной керамической линии, разделяющего эту линию на резонатор и емкостные элементы связи (поз. 24 на фиг. 6), выбирается из условия отсутствия поверхностного пробоя на центральной частоте АЧХ ППФ и мало влияет на характеристики резонаторов и емкостей связи.
Длины отрезков коаксиальных керамических линий от зазора до открытого торца резонатора с отсутствующей на горизонтальных поверхностях металлизацией, формирующие емкости связи, могут быть определены:
- для емкостей связи крайних резонаторов с внешними устройствами С1 и С3, образованных внутренним проводником и внешней вертикальной металлизированной поверхностью отрезка коаксиальной керамической линии [8]
- для емкости связи между соседними резонаторами С2, образованной двумя включенными последовательно емкостями между внутренними проводниками и внутренними вертикальными металлизированными поверхностями [8]
Изготовление, сборка и регулировка ППФ осуществляются в следующей последовательности.
1. В исходной заготовке в виде короткозамкнутого отрезка коаксиальной керамической линии квадратного сечения (поз. 17 на фиг. 6) на расстоянии, соответствующем ¼ длины волны в керамическом материале, с внешней поверхности снимается механическим способом, например фрезой бор-машины, металлизация с образованием перпендикулярного оси внутреннего отверстия зазора (поз. 24 на фиг. 6). Ширина зазора определяется уровнем максимальной импульсной мощности входного СВЧ-сигнала.
2. С помощью соотношений (3) и (4) определяется длина отрезка коаксиальной керамической линии от зазора до открытого торца, на котором формируются емкости связи (поз. 18 и поз. 19 на фиг. 6), и далее заготовка укорачивается до полученных расчетным путем значений длины обрезкой или шлифовкой.
3. С двух противоположных сторон отрезка коаксиальной керамической линии, на котором формируются емкости связи (поз. 18 и поз. 19 на фиг. 6), снимается механическим путем металлизация, оставшиеся металлизированные поверхности и внутренний проводник будут являться обкладками конденсаторов связи.
4. Из металла с минимальным коэффициентом линейного расширения изготавливается основание ППФ (поз. 16 на фиг. 6), размеры которого обеспечивают отсутствие его под отрезком коаксиальной керамической линии, на котором выполняются емкости связи.
5. Установка резонаторов на основание осуществляется пайкой, также пайкой соединяются боковые поверхности соседних резонаторов и конденсаторов связи между резонаторами (поз. 20 на фиг. 6).
6. Регулировка частоты резонатора осуществляется путем частичного снятия механическим путем металлизации (например, фрезой бормашины) с его верхней горизонтальной поверхности со стороны зазора (поз. 21 на фиг. 6).
7. Регулировка связи между резонаторами осуществляется путем уменьшения площади гальванического контакта спаянных боковых поверхностей с помощью фрезы бор-машины (поз. 22 на фиг. 6).
8. Регулировка связи резонатора с внешним устройством осуществляется путем частичного снятия металлизации с его боковой поверхности (поз. 23 на фиг. 6).
По сравнению с прототипом предлагаемый ППФ имеет следующие преимущества:
- простоту конструкции, обусловленную малым количеством комплектующих деталей;
- высокую механическую прочность, обусловленную отсутствием навесных элементов в конструкции;
- высокую пропускаемую СВЧ-мощность, обусловленную применением в качестве емкостей связи керамических конденсаторов вместо емкостных зазоров;
- высокую технологичность изготовления, сборки и регулировки, обусловленную простотой конструкции, отсутствием согласующей платы и ленточных перемычек, удобством доступа к местам регулировки;
- низкие потери в полосе пропускания, обусловленные отсутствием излучения открытого конца резонатора и ленточных перемычек.
Литература
1. Диэлектрические резонаторы / Под ред. М.Е. Ильченко. - М.: Радио и связь, 1989. - 224 с.
2. Керамические фильтры типа 4DF4-975/10-M производства фирмы LORCH MICROWAVE, http://www.lorch.com.
3. Керамические фильтры типа ФС(3)-975/20 производства ОАО «Транстроника». УЖМК.434834.003ТУ.
4. Антенны и функциональные узлы СВЧ- и КВЧ-диапазонов. Методы расчета и технология изготовления / Под ред. А.Ю. Седакова. - М.: Радиотехника, 2011. - 101 с.
5. Седаков А.Ю., Светлаков Ю.А., Ивойлова М.М. Математическое моделирование в проектировании и технологии фильтров СВЧ на коаксиальных керамических резонаторах // Антенны, 2016. вып. 1(221). - С. 8-17.
6. Леонченко В.П., Фельдштейн А.Л., Шепелянский Л.А. Расчет полосковых фильтров на встречных стержнях. Справочник. - М.: Связь, 1975. - 44 с.
7. Справочник по электротехническим материалам. Том 2. / Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 242 с.
8. Мейнке X., Гунлах Ф.В. Радиотехнический справочник. Том 1. – М.: Госэнергоиздат, 1961. - 49 с., 136 с.