МИКРОПОЛОСКОВЫЙ ФИЛЬТР НИЗКИХ ЧАСТОТ НА МЕТАЛЛОДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЗИГЗАГ-ЛИНИИ
LOW FREQUENCY MICROSTRIP FILTER ON METAL-DIELECTRIC ZIGZAG-LINE

Изобретение относится к радиотехнике и технике СВЧ и может быть использовано в радиоэлектронной аппаратуре.
Известны фильтры низких частот на основе Г-, Т- или П-образных ячеек, содержащих катушки индуктивности, подключаемые последовательно нагрузке, и конденсаторы, подключаемые параллельно нагрузке [Изюмов Н.М., Линде Д.П. Основы радиотехники. М.: Радио и связь, 1983. - 376 с.; Микроэлектронные устройства СВЧ. / Под ред. Г.И.Веселова. М.: Высшая школа, 1988. - 280 с.]. Недостатком таких фильтров с сосредоточенными постоянными являются большие потери и их малая собственная добротность в СВЧ диапазоне.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является плоская замедляющая система лампы с бегущей волной, содержащая, по крайней мере, два зигзагообразных проводника, расположенных на расстоянии друг от друга, не превышающем ширины системы, образованной одним проводником, причем соседние проводники соединены между собой в точках с одинаковой фазой поля. [Авт. свид. СССР №594545. Плоская замедляющая система. // Ю.Н.Пчельников, Ю.Г.Кристев. Опубл. в БИ №7, 1978]. Такая замедляющая система позволяет уменьшить периодичность структуры, расширить область взаимодействия электронного потока с полем волны, а также предотвратить возбуждение на несинфазных видах колебаний. К недостаткам ее свойств как фильтра низких частот относится протяженный спад характеристики коэффициента затухания с отсутствием фиксированной частоты отсечки.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание миниатюрного фильтра низких частот с размерами, меньшими центральной длины волны полосы пропускания, и четкой фиксацией частоты отсечки, отсутствием высших паразитных полос пропускания, обладающего малыми потерями и высокой собственной добротностью в диапазоне СВЧ.
Решение технической задачи достигается тем, что микрополосковый фильтр низких частот содержит подложку с относительной диэлектрической проницаемостью ε и толщиной d, с одной стороны которой выполнен изотропный металлический экран, а с другой стороны, по крайней мере, два идентичных металлических проводника в виде отрезков зигзаг-линий, расположенных на расстоянии друг от друга, не превышающем ширины системы, образованной одним проводником, между которыми симметрично расположена прямоугольная диэлектрическая зигзагообразная вставка. Согласно предложенному изобретению ширина микрополоскового фильтра равна четверти замедленной длины волны, а диэлектрическая вставка выполнена из материала с относительной диэлектрической проницаемостью (8…10)ε, с шириной, равной ширине металлических проводников, и толщиной, равной (1,5…2)d. Металлические проводники отрезков зигзаг-линий могут быть электрически соединены между собой и с диэлектрической вставкой в точках с одинаковой фазой поля замедленной волны.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является четкая фиксация частоты отсечки полосы пропускания фильтра, отсутствие высших паразитных полос пропускания при малых потерях и высокой собственной добротности структуры в диапазоне СВЧ, что позволяет обеспечить его габаритные размеры меньше центральной рабочей длины волны.
Предлагаемый микрополосковый фильтр низких частот иллюстрируется чертежами (фиг.1-4), на которых представлены изометрия устройства (фиг.1), выполненного на диэлектрической подложке с габаритными размерами 96,5×64, варианты топологии фильтра (фиг.2, 3), на фиг.4 - результаты численного моделирования характеристик фильтра.
Конструкция микрополоскового фильтра низких частот на металлодиэлектрической зигзаг-линии (фиг.1) содержит диэлектрическую подложку 1, металлические проводники в виде параллельных отрезков зигзаг-линий 2 и расположенную симметрично между ними диэлектрическую зигзагообразную вставку 3.
Работа микрополоскового фильтра низких частот на отрезке металлодиэлектрической зигзаг-линии осуществляется следующим образом.
Металлические проводники замедляющей системы, выполненной в виде параллельных зигзаг-линий, при последовательном включении в линию передачи пропускают электромагнитные волны, начиная с нулевой частоты - и до частоты отсечки, которая определяется свойствами замедляющей системы. В то же время, расположенная симметрично между металлическими проводниками зигзагообразная диэлектрическая вставка с толщиной, превышающей почти вдвое толщину подложки, также является замедляющей системой, имеющей свою, более низкую, частоту среза, что объясняется несколько большими, чем у металла, потерями. За счет большой разницы (8…10) между относительными диэлектрическими проницаемостями подложки и зигзагообразной диэлектрической вставки последняя ведет себя подобно отрезку металлической зигзаг-линии, практически не поглощая электромагнитные волны, а отражая их. Этот физический эффект, присущий замедленным электромагнитным волнам, описан в книге [Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем. - М.: Радио и связь, 2002, с.18-23]. Таким образом, суперпозиция волн зигзагообразных металлических проводников и диэлектрической периодической структуры, образующих фильтр, позволяет четко зафиксировать частоту отсечки, являющуюся граничной частотой отсечки фильтра. Кроме того, за счет использования в конструкции фильтра отрезков периодических замедляющих систем удается обеспечить отсутствие высших паразитных полос пропускания, а также его габаритные размеры меньше центральной рабочей длины волны при достаточно высокой собственной добротности структуры в диапазоне СВЧ.
Возможность достижения поставленной цели подтверждается результатами численного эксперимента, полученными с помощью программных средств AWR Design Environment (Microwave Office v.6.53).
21
21
На фиг.4 показаны характеристики комплексного коэффициента передачи (параметр S в дБ) от частоты в ГГц для одиночного отрезка металлической зигзаг-линии (кривая 1), для фильтра на отрезке зигзаг-линии, состоящего из трех параллельных металлических проводников (кривая 2), и для фильтра на металлодиэлектрической зигзаг-линии (фиг.2), выполненого на подложке из поликора с габаритными размерами 96,5×64 (кривая 3). Поскольку топология металлических проводников всех трех структур идентична, то они имеют практически равные частоты отсечек 2,0…2,2 ГГц, но сильно отличаются по величине коэффициента затухания (S) и крутизне фронта амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Из анализа данных кривых следует, что крутизна АЧХ 3 фильтра, в отличие от 1 и 2, вблизи частоты отсечки максимальна, частота среза на уровне 3 дБ составляет 2,2 ГГц, а на частоте 2,25 ГГц затухание уже более 30 дБ. В случае когда металлические проводники отрезков зигзаг-линий электрически соединены между собой и с диэлектрической вставкой в точках с одинаковой фазой поля (фиг.3), частота отсечки фильтра понижается до 1,8 ГГц на уровне 3 дБ, а крутизна фронта АЧХ при этом практически не изменяется.
Достоинством изобретения является возможность четкой фиксации частоты отсечки фильтра при отсутствии высших паразитных полос пропускания, малых потерях и высокой собственной добротности структуры в диапазоне СВЧ, что позволяет обеспечить его габаритные размеры меньше центральной рабочей длины волны.