ПОЛОСОВОЙ ФЕРРИТОВЫЙ ФИЛЬТР СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ
SHF BANDPASS FERRITE FILTER

Устройство относится к области СВЧ техники, а именно к фильтрам с использованием ферритовых резонаторов, частота которых управляется внешним постоянным магнитным полем, и может быть использовано для построения магнитоуправляемых пассивных и активных устройств: фильтров, усилителей, генераторов.
На основе подобных устройств возможно создание синтезаторов частот, датчиков слабых магнитных полей, датчиков малых механических смещений, дефектоскопов и др. Для создания рабочего режима ферритового резонатора (ФР) необходимо осуществить его эффективное взаимодействие с линией передачи на частоте ферромагнитного резонанса (ФМР). ФМР возникает при помещении ФР (сферической формы) в постоянное магнитное поле. При этом собственный вектор намагниченности ФР начинает прецессировать (вращаться) вокруг вектора индукции внешнего магнитного поля. Возникающие высокочастотные колебания вектора намагниченности необходимо преобразовать в энергию электромагнитной волны в линии передачи. Полосовой ферритовый фильтр СВЧ является устройством для преобразования индукции магнитного поля (УПИ), представляет собой участок линии передачи с включенным в него ФР и служит для управления уровнем выходной мощности при помощи внешнего магнитного поля. При проектировании УПИ необходимо учитывать конкретные технические требования: тип линии передачи, диапазон рабочих частот, уровни входной и выходной мощности.
Конструкции УПИ с двумя сферическими ФР, охваченными проволочными полувитками (в угловом измерении относительно геометрического центра - 180°), для использования в комбинированном генераторе с магнитной перестройкой частоты предложены в патенте US 5200713 (МПК H01P 1/217).
Основные недостатки данной конструкции - нетехнологичность и недостаточный уровень взаимодействия линии передачи с ФР, т.к. проволочный виток охватывает только половину окружности сферического ФР.
Из уровня техники известен полосовой магнитоуправляемый запирающий фильтр с несколькими сферическими ФР, предложен в патенте US 5221912 (МПК H01P 1/218). Связь сферических ФР с линией передачи выполнена при помощи объемных проволочных витков (в угловом измерении относительно геометрического центра - 360°), охватывающих ФР.
Такое техническое решение позволяет достичь максимально возможного уровня взаимодействия между линией передачи и ФР, однако оно нетехнологично, т.к. требует индивидуального изготовления и настройки. При этом невозможно получить повторяемость характеристик от одного образца к другому.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является решение, изложенное в патенте US 6348840 B2 (МПК H01P 1/20), представленное в двух возможных вариантах исполнения УПИ, выполненные на микрополосковых основаниях с установленными ферритовыми сферами. Конструкции отличаются ориентацией плоскостей, в которых лежат проволочные витки, относительно плоскости микрополоскового основания. В первой конструкции эти плоскости совмещены, а во второй - перпендикулярны.
Недостаток конструкций заключается в возможности охвата проволочным витком только половины экватора (в угловом измерении относительно геометрического центра - 180°) сферического ФР. Кроме того, вторая конструкция требует использования ручного монтажа и, следовательно, нетехнологична. Варианты конструкций предполагают использование ФР в качестве поглотителя мощности электромагнитной волны, распространяющейся в микрополосковой линии передачи (МПЛ), на частоте ФМР. Однако конструкции УПИ не являются оптимальными для достижения наилучших характеристик ввиду недостаточной индуктивной связи проволочного полувитка с ФР. Вследствие этого взаимодействие МПЛ со сферическим ФР по магнитному полю не обеспечивает высокий уровень поглощения мощности электромагнитной волны (заграждения, режекции). Недостаточный уровень режекции на частоте ФМР (при компьютерном моделировании получены значения поглощения от минус 2 до минус 4 дБ по отношению к уровню входного сигнала) приводит к дополнительным сложностям в использовании таких УПИ в магнитоуправляемых устройствах.
Задачей настоящего решения является увеличение уровня режекции УПИ до минус 10 - минус 15 дБ.
Техническим результатом является повышение технологичности и улучшение электрических характеристик УПИ при разработке магнитоуправляемых устройств, совместимость с современными микрополосковыми технологиями.
Поставленная задача решается тем, что полосовой ферритовый фильтр сверхвысоких частот, содержащий диэлектрическую подложку с установленным на ней сферическим ферритовым резонатором и с нанесенными на поверхность подложки входной и выходной микрополосковыми линиями, соединенными между собой микрополосковым проводником, согласно изобретению, дополнительно содержит диэлектрический элемент в виде тонкого слоя, микрополосковый проводник выполнен в виде витка, охватывающего сферический ферритовый резонатор, при этом диэлектрический элемент расположен на подложке с возможностью обеспечения электрического контакта входной и выходной микрополосковых линий через виток микрополоскового проводника и с одновременным исключением непосредственного электрического контакта входной и выходной микрополосковых линий.
Кроме того, часть витка микрополоскового проводника со стороны входной микрополосковой линии расположена под диэлектрическим элементом, а часть витка микрополоскового проводника со стороны выходной микрополосковой линии расположена над диэлектрическим элементом.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена топология проводников УПИ, на фиг.2 - внешний вид УПИ с установленным сферическим ФР.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - вход СВЧ-сигнала, 2 - место расположения ферритовой сферы, 3 - диэлектрическая прокладка с напыленным проводником МПЛ, 4 - выход СВЧ-сигнала, 5 - основание МПЛ. Стрелками показаны направления высокочастотных токов, проходящих по проводникам МПЛ.
Предлагаемый полосовой ферритовый фильтр сверхвысоких частот (устройство для преобразования индукции магнитного поля) состоит из основания МПЛ 5 (см. Фиг.1, 2), сферического ФР 2, входного 1 и выходного 4 проводников МПЛ, витка проводника МПЛ, диэлектрического слоя с нанесенным отрезком проводника МПЛ 3. Поставленная задача решается за счет использования полного витка 360° проводника МПЛ вокруг сферического ФР, установленного в углублении основания МПЛ. В области схождения образующих виток проводников МПЛ нанесен слой диэлектрического материала (например, оксида кремния) толщиной в несколько микрон. Диэлектрический слой необходим для исключения гальванического контакта сходящихся проводников МПЛ. Поверх слоя диэлектрика по обычной микрополосковой технологии наносится отрезок МПЛ, завершающий виток проводника МПЛ вокруг сферического ФР. Таким образом в УПИ реализуются условия для эффективного использования ФР в режиме ФМР.
Устройство работает следующим образом. При внесении УПИ в постоянное магнитное поле возникают колебания вектора намагниченности ФР, которые за счет индуктивной связи ФР с витком проводника МПЛ вызывают избирательное поглощение энергии электромагнитных колебаний, поступающей на вход УПИ, на частоте ФМР. В результате на выходе УПИ формируется амплитудно-частотная характеристика полосно-запирающего типа с повышенным по сравнению с прототипом уровнем заграждения (от минус 10 до минус 15 дБ), что позволяет использовать предложенную конструкцию УПИ для создания магнитоуправляемых устройств.
Использование диэлектрического слоя с нанесенным отрезком проводника МПЛ позволяет создать технологичную планарную конструкцию полного витка 360° МПЛ вокруг сферического ферритового резонатора и повышает эффективность взаимодействия сферического ФР с МПЛ, что упрощает изготовление и улучшает электрические свойства устройства для преобразования индукции магнитного поля в различных магнитоуправляемых устройствах.