ДВУХПОЛОСНЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР
DUAL-BAND CERAMIC FILTER

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано в радиопередающих устройствах спутниковых систем связи и спутниковых радионавигационных систем, а также в других устройствах СВЧ для выделения сигналов в двух поддиапазонах, преимущественно дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн.
Известно большое количество двухполосных фильтров для фильтрации сигналов двух диапазонов. Эти фильтры имеют один вход и один выход в отличие от близких по принципу действия и конструктивному исполнению дуплексеров и диплексеров, имеющих один вход и два выхода. Реализация двухполосной частотной селекции возможна в фильтрах на основе двухмодовых и двухчастотных резонаторов, фильтрах с перекрестными связями, формирующими разделительную полосу заграждения внутри полосы пропускания, и в фильтрах, состоящих из двух полосовых фильтров, конструктивно объединенных в один блок с помощью общих входного и выходного элементов связи.
Широко представлены двухполосные фильтры в микрополосковом и полосковом исполнении. Например, фильтр, выполненный на двухчастотных ступенчатых микрополосковых резонаторах на многослойной диэлектрической подложке (патент US 7102470 от 05.09.2006 г.), фильтр на расщепленных микрополосковых двухмодовых резонаторах (частотно-селективные устройства на оригинальных двухмодовых микрополосковых резонаторах - Письма в ЖТФ, 2012. Т. 38, №16, с. 25-33; №18, с. 31-40), фильтр на двухчастотной системе ортогональных микрополосковых резонаторов (патент РФ на полезную модель №131902 от 27.08.2013 г.).
Двухполосные фильтры на базе объемных резонаторов (в том числе и металлокерамических резонаторов) реализованы в виде фильтров на двухмодовых резонаторах (патент US 20060176129 А1 от 10.08.2007 г.), фильтров с перекрестными связями (Cameron R.J. Microwave filters for communication systems: fundamentals, design, and applications / R.J.Cameron, Ch.M.Kudsa, R.R. Mansour. - Hoboken: Wiley, 2007. - xxxi, 771 p.ill. - Incl. bibl. ref. - Ind.: p. 625-669. - ISBN 978-0-471-45022-1) и фильтров на ортогональных коаксиальных резонаторах в керамическом блоке (патент US 5731746 от 24.03.1998 г.).
К недостаткам приведенных вариантов реализации двухполосных фильтров можно отнести:
- малую добротность микрополосковых резонаторов и, как следствие, проблемы с обеспечением избирательности и малого затухания в полосах пропускания фильтров в микрополосковом исполнении, особенно в случае узкополосных систем;
- сложность изготовления и настройки фильтров на объемных двухмодовых резонаторах;
- трудности получения широких разделительных полос заграждения и высокого уровня заграждения в фильтрах с перекрестными связями.
В качестве примера двухполосных фильтров, конструктивно объединенных в один блок с помощью одного общего входного элемента связи, можно привести диплексер (патент US 6879222 от 12.04.2005 г., патент US 8294532 от 23.10.2012 г.). Такие частотно-избирательные устройства имеют три входа/выхода, которые комбинируются в зависимости от назначения.
Ближайшим аналогом заявляемого изобретения, взятым за прототип, является двухполосный фильтр, описанный в патенте US 5191305 от 02.03.1993 г. В данном патенте представлен моноблочный керамический двухполосный фильтр на гребенчатых и встречно-стержневых цепочках связанных коаксиальных резонаторов с общими для обеих цепочек входными и выходными коаксиальными элементами связи.
Недостатками прототипа являются ограничение диапазона реализуемых отношений центральных частот и величин относительных полос пропускания фильтра, а также наличие паразитных полос пропускания объемных мод керамического блока вблизи основных полос пропускания.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение диапазона соотношений центральных частот и ширины полос пропускания, обеспечение высокой развязки ветвей фильтра для каждой из двух полос пропускания фильтра, возможность независимой настройки резонансных частот и коэффициентов связи резонаторов ветвей фильтра, а значит, и коррекции амплитудно-частотных характеристик для каждой из полос пропускания.
Указанный технический результат достигается заявленным двухполосным фильтром, состоящим из двух настроенных на заданные полосы пропускания параллельно включенных ветвей в виде цепочек, связанных через отверстия в общих стенках коаксиальных резонаторов из термостабильной высокодобротной керамики с укорачивающими емкостями. Параллельное включение ветвей двухполосного фильтра с копланарной или микрополосковой линией обеспечивается топологией входного и выходного элементов связи, выполненных в виде отрезков копланарных линий на боковых гранях входных и выходных резонаторов ветвей фильтра и имеющих общую часть после соединения ветвей фильтра по смежным боковым граням.
а
Входной элемент связи предлагаемого двухполосного фильтра представляет собой встречно-стержневую структуру связанных линий, образованных входными резонаторами фильтра и короткозамкнутыми отрезками копланарных линий, сформированных на торцевых и боковых гранях входных резонаторов фильтра. Выходной элемент связи аналогичен входному. Конструкция входного и выходного элементов связи двухполосного фильтра позволяет за счет изменения размеров короткозамкнутых отрезков копланарных линий (размер  и b фиг. 1) обеспечить необходимое согласование с входной и выходной линией передачи в обеих полосах пропускания при различных соотношениях центральных частот и относительных полос пропускания.
В сравнении с моноблочным вариантом прототипа предлагаемый двухполосный фильтр обладает большими возможностями по диапазону реализуемых отношений центральных частот и величин относительных полос пропускания фильтра, поскольку разные полосы пропускания формируются цепочками металлокерамических коаксиальных резонаторов с различными значениями диэлектрической проницаемости керамики, разными размерами и существенно отличающимися значениями укорачивающих емкостей.
Предлагаемая встречно-стержневая структура элементов связи вследствие суммирования емкостной и магнитной связей обеспечивает согласование в широких полосах пропускания. Определенным преимуществом предлагаемой конструкции, в сравнении с моноблочной, является отсутствие паразитных колебаний объемных мод.
Сущность изобретения поясняется фигурами 1, 2, 3. На фиг. 1 представлен двухполосный фильтр на металлокерамических коаксиальных резонаторах в сборе, на фиг. 2 показаны составные части фильтра и схема сборки. На фиг. 3 показана расчетная амплитудно-частотная характеристика модели фильтра. Следует отметить, несмотря на то что на фиг. 1 и 2 изобретение проиллюстрировано изображением двухполосного фильтра, имеющего четыре резонатора в каждой ветви фильтра, количество резонаторов может быть другим. Число резонаторов определяется требуемой характеристикой фильтра и ограничивается допускаемыми потерями фильтра.
На фигурах 1, 2 и далее по тексту:
поз. 1 - металлокерамические коаксиальные резонаторы;
поз. 2 - металлизированные керамические пластины укорачивающих емкостей;
поз. 3 - металлизированные площадки, формирующие укорачивающие емкости коаксиальных резонаторов;
поз. 4 - отрезки копланарных линий, формирующие входной и выходной элементы связи;
поз. 5 - отверстия связи между резонаторами;
поз. 6 - плата с контактными площадками для установки фильтра.
Предлагаемый двухполосный керамический фильтр (фиг. 1, 2) состоит из двух цепочек коаксиальных резонаторов (поз. 1) в форме прямоугольного параллелепипеда из термостабильного керамического материала со сквозными отверстиями, на всех гранях и отверстиях которого нанесена металлизация, и металлизированных керамических пластин (поз. 2).
В металлизации резонаторов на боковых гранях сформированы отверстия связи между резонаторами (поз. 5), на верхних гранях сформированы площадки нижней обкладки укорачивающей емкости (поз. 3). На боковых гранях входных и выходных резонаторов сформированы компоненты «входного» и «выходного» элементов связи в виде отрезков копланарной линии (поз. 4). Керамические пластины (поз. 2) имеют металлизацию боковых и верхних граней, формирующую верхнюю обкладку укорачивающей емкости.
Двухполосный керамический фильтр работает следующим образом.
После поступления СВЧ сигнала на частоте одной из полос пропускания на объединенный входной элемент связи осуществляется эффективный ввод энергии через отрезок копланарной линии на входном резонаторе ветви фильтра, настроенной на данную полосу пропускания. Связь с входным резонатором ветви фильтра, настроенной на другую полосу пропускания, отсутствует, поскольку на частоте сигнала поле в нем не возбуждается и, следовательно, отсутствует взаимная емкость и взаимная индуктивность копланарной линии элемента связи и коаксиальной линии входного резонатора. Вывод энергии осуществляется в обратном порядке посредством выходного элемента связи. Вид характеристики фильтра определяется распределением нагруженных добротностей, входящих в цепочку связанных резонаторов, которые, в свою очередь, определяются размером отверстий связи между резонаторами.
а
Настройка резонаторов цепей двухполосного керамического фильтра на центральную частоту соответствующей полосы пропускания осуществляется посредством корректировки размеров емкостных площадок (поз. 3). Настройка согласования фильтра с входной и выходной линией передачи обеспечивается корректировкой размера  отрезков копланарных линий элемента связи соответствующей цепи (поз. 4).