ПОЛОСКОВЫЙ РЕЗОНАТОР НА ДВОЙНОЙ ПОДВЕШЕННОЙ ПОДЛОЖКЕ

Изобретение относится к технике высоких и сверхвысоких частот и предназначено для создания на его основе частотно-селективных устройств, например, полосовых фильтров и диплексеров, а также задающих цепей генераторов и др.
Известна конструкция полосковых резонаторов на подвешенной подложке, используемая для создания полосовых фильтров [Д.Л.Матей, Л. Янг, Е.М.Т. Джонс // Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. T.I. - М.: Связь, 1971. - 439 с.]. Резонаторы образованы полуволновыми отрезками полосковых линий, разомкнутых на обоих концах. Полосковые проводники резонаторов находятся в сплошном диэлектрическом окружении на одинаковых расстояниях от нижней и верхней поверхностей экрана. Недостатками таких резонаторов и фильтров на их основе являются очень большие размеры на частотах дециметровых и метровых длин волн и сложность изготовления сплошного диэлектрического окружения проводников.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является полосковый резонатор [Патент РФ №2237320, МПК7 Н01Р 1/203, опубл. 27.09.2004, Бюл. №27 (Прототип)]. Резонатор выполнен на подвешенной диэлектрической подложке, на одну сторону которой нанесен короткозамкнутый на экран с одного торца подложки полосковый проводник, а на вторую сторону подложки вместо заземляемого основания также нанесен короткозамкнутый на экран с другого торца подложки полосковый проводник. Резонатор такой конструкции и фильтр на его основе имеет значительно меньшую длину полосковых проводников по сравнению с первым аналогом, а значит и меньшие размеры подложки. Это позволяет конструировать полосковые фильтры на более низкие частоты.
Недостатками такой конструкции резонатора являются большие размеры и сравнительно невысокая добротность в метровом диапазоне длин волн, что затрудняет разработку миниатюрных частотно-селективные устройств в этом диапазоне на основе планарных технологий.
Техническим результатом изобретения является уменьшение размеров и увеличение собственной добротности полосковых резонаторов.
Указанный технический результат достигается тем, что в полосковом резонаторе, содержащем подвешенную диэлектрическую подложку, на обе поверхности которой нанесены короткозамкнутые с одного конца полосковые проводники, новым является то, что параллельно указанной подложке подвешена еще одна подложка, на обе поверхности которой также нанесены короткозамкнутые с одного конца полосковые проводники.
Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что резонатор сформирован полосковыми проводниками, размещенными на двух подвешенных параллельно друг другу подложках. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами: Фиг.1 - конструкция предлагаемого полоскового резонатора на двойной подвешенной диэлектрической подложке. Фиг.2 - эквивалентная схема заявляемого резонатора для первой моды колебаний. Фиг.3 - зависимость собственной добротности полоскового резонатора на двойной подвешенной подложке от расстояния между подложками. Фиг.4 - вариант конструкции предлагаемого полоскового резонатора на двойной подвешенной диэлектрической подложке. Фиг.5 - амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) потерь на прохождение двухзвенных попоено-пропускающих фильтров на основе заявляемого резонатора и резонатора-прототипа.
Заявляемое устройство (Фиг.1), содержит две диэлектрические подложки 1, подвешенные, например, между экранами корпуса 3, на обе поверхности которых нанесены полосковые металлические проводники 2, электромагнитно связанные между собой и имеющие, например, форму прямоугольника.
Как известно, одним из методов повышения добротности полосковых резонаторов является увеличение ширины их проводников, однако это приводит к существенному увеличению их габаритов, особенно в случае многорезонаторных устройств. Предложенная конструкция полоскового резонатора на двойной подвешенной подложке позволяет повысить собственную добротность и уменьшить размеры по сравнению с резонатором-прототипом при прочих равных условиях.
Известно, что значение собственной добротности любого электродинамического резонатора можно выразить через параметры эквивалентного ему колебательного контура:
где L и С - эквивалентная индуктивность и емкость, a R - эквивалентное активное сопротивление, характеризующие тепловые потери в резонаторе.
a
d
Для заявляемого полоскового резонатора на двойной подвешенной подложке (Фиг.1) эквивалентная схема на сосредоточенных элементах вблизи частот первой (нижайшей) моды колебаний показана на Фиг.2. На данной схеме не учтены воздушные емкости проводников на экран и воздушные емкости между полосковыми проводниками, что справедливо при H>h и большой диэлектрической проницаемости подложки (ε>>1).
Резонансная частота первой моды заявляемого резонатора, соответствующая структуре электромагнитного поля с одинаково направленными токами во всех полосковых проводниках, может быть выражена через параметры эквивалентного контура следующим образом:
а добротность резонатора определяется выражением:
ij
В приведенных формулах L - взаимные индуктивности i и j проводников согласно их нумерации на Фиг.2.
Для резонатора прототипа, выполненного на одиночной подложке, формулы имеют следующий вид:
Тогда, отношение добротности заявляемого резонатора к добротности резонатора прототипа будет определяться формулой:
Выигрыш в увеличении добротности и понижении резонансной частоты заявляемого резонатора по отношению к прототипу возрастает при уменьшении толщины подложек и расстояния между ними, причем:
Таким образом, использование заявляемого полоскового резонатора на двойной подвешенной подложке позволяет в предельном случае получить повышение добротности и понижение резонансной частоты примерно в 1.4 раза.
Заявляемый полосковый резонатор работает следующим образом. На резонансной частоте конструкции, когда на длине каждого полоскового проводника укладывается четверть длины волны электромагнитного колебания, токи в четырех полосковых проводниках резонатора имеют одинаковое направление, т.е. магнитное взаимодействие токов в резонаторе максимально. Следовательно, возрастает энергия, запасенная магнитным полем заявляемого резонатора по сравнению с резонатором-прототипом, в котором взаимодействуют только два полосковых проводника. В то же время, в заявляемом резонаторе по сравнению с прототипом емкостное взаимодействие проводников практически не изменяется, так как вклад емкости воздушного промежутка между подложками незначителен при высокой диэлектрической проницаемости подложек. В результате эквивалентная индуктивность заявляемого резонатора значительно выше, чем у прототипа, а, следовательно, выше его собственная добротность и ниже резонансная частота.
0
s
a
На Фиг.3 представлена рассчитанная зависимость собственной добротности заявляемого полоскового резонатора Q от расстояния между подложками h, для следующих конструктивных параметров: ширина прямоугольных полосковых проводников 2 мм, диэлектрическая проницаемость подложек ε=80, толщина подложек 0.5 мм, расстояние от поверхности подложек до экрана H=4 мм, материал проводников медь толщиной 20 мкм. Видно, что с уменьшением расстояния между подложками собственная добротность полоскового резонатора возрастает.
s
0
d
Возможный вариант реализации заявляемого резонатора показан на Фиг.4. В этом варианте на внутренние поверхности подложек нанесено по одному разомкнутому полосковому проводнику 2, а на внешние поверхности - по два, причем они замкнуты одним концом на корпус с противоположных краев подложек 1. Такой вариант предусматривает соединение полосковых проводников 2 с экраном 3 только с внешних сторон подложек, что упрощает технологию изготовления. Экспериментально изготовленный полосковый резонатор на двойной подвешенной подложке из керамики поликор (ε=9.8), с расстоянием между подложками h=0.5 мм и резонансной частотой f=649 МГц имел собственную добротность Q≈506 и длину 34 мм, в то время как резонатор прототип, содержащий только одну подложку, имел добротность Q≈451 и длину 44.2 мм. Остальные конструктивные параметры экспериментального макета заявляемого резонатора и резонатора прототипа были одинаковы: толщина подложек h=0.5 мм, ширина полосковых проводников 2 мм. Габариты корпуса для заявляемого резонатора составили 15х12.5х34 мм, а для резонатора-прототипа 15х12.5х44.2 мм, что в 1.3 раза больше.
a
3
На Фиг.5 приведены рассчитанные амплитудно-частотные характеристики двухзвенного попоено-пропускающего фильтра на основе заявляемого резонатора (сплошная линия) и резонатора-прототипа (штриховая линия). Фильтры имели следующие конструктивные параметры: диэлектрическая проницаемость подложки ε=80, ширина полосковых проводников 2 мм, толщина подложки 0.5 мм, расстояние от поверхности подложки до экрана Н=5 мм, материал проводников медь толщиной 20 мкм, расстояние между подложками в заявляемом фильтре 0.1 мм. Габариты корпуса в обоих случаях были одинаковы 30х20х11.1 мм.
0
Видно, что использование заявляемого резонатора позволяет понизить резонансную частоту в 1.35 раза и уменьшить минимальные потери в полосе пропускания фильтра с 0.85 дБ до 0.55 дБ. При этом относительная ширина полосы пропускания фильтров по уровню - 3 дБ была одинаковой Δf/f=6%.
Таким образом, использование полоскового резонатора на двойной подвешенной подложке позволяет получить более высокую собственную добротность и меньшие габариты по сравнению с резонаторами традиционных конструкций в метровом и дециметровом диапазоне длин волн. Важным преимуществом изобретения является то, что повышение добротности не только не связано с увеличением размеров и массы устройства, а наоборот позволяет их уменьшить. Предлагаемый подход может быть использован для создания миниатюрных попоено-пропускающих фильтров и других частотно-селективных устройств имеющих небольшие вносимые потери в дециметровом и метровом диапазоне длин волн.