СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ НАПРАВЛЕННЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 2002 года по МПК H01P1/20 

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники сверхвысоких частот и может быть использовано в радиотехнических системах различного назначения в качестве элементной базы полосковых антенных переключателей, устройств суммирования сигналов двух разных частот в общей антенне, многоканальных мультиплексеров, согласованных полосовых фильтров и прочее.

Актуальность совершенствования таких фильтров обусловлена дальнейшим ужесточением требований к сверхвысокочастотным узлам систем связи, радиолокации и радионавигации в отношении их широкополосности, избирательности и уровня потерь в полосе пропускания. Для реализации приемлемых на сегодняшний день в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн показателей устройств необходимо реализовать коаксиально-полосковые фильтры, обеспечивающие направленное распределение мощности источника сигнала на два развязанных между собой частотных канала с полосой пропускания не менее октавы (соответствующий коэффициент перекрытия диапазона не менее 2).

Известен сверхвысокочастотный направленный фильтр, реализованный на связанных полосковых линиях, описанный в работе: Алексеев Л.В., Кузьминых Е.С. "Направленные фильтры петлевого типа на полосковых линиях", Вопросы радиоэлектроники, серия Общетехническая, 1967, 11, стр.116-134. В этом фильтре содержатся идентичные входная и выходная линии передачи, связанные через кольцевой резонатор бегущей волны. Конструктивно связь линий реализуется двумя способами: а) по широким сторонам полосковых линий; б) с частичным перекрытием широких сторон линий. В результате удается реализовать направленные фильтры с полосой пропускания порядка 35 - 40%.

Однако большей широкополосности эти фильтры обеспечить не в состоянии, так как при расширении полосы пропускания связь линий увеличивается до значений, которые уже не могут быть технологически реализованы из-за чрезмерно узких полосок или невыполнимо малых расстояний между линиями и кольцевым проводником.

Известны также сверхвысокочастотные направленные фильтры, описанные в работе: Машковцев Б.М., Ткаченко К.А. "Волновой метод синтеза однопетлевых направленных фильтров на полосковых линиях", Электросвязь, 1969, 6, стр. 21-26. В этих фильтрах идентичные входная и выходная линии передачи связаны между собой через кольцевой резонатор бегущей волны с неодинаковыми в общем случае сторонами. Если стороны резонатора равны четверти длины средней волны, то такие фильтры обладают свойствами, описанными в предыдущей работе Л. В. Алексеева и Е.С. Кузьминых. Если же стороны резонатора неодинаковы, то такие фильтры могут быть применены при необходимости увеличения крутизны скатов одной из ветвей частотной характеристики (крутизна другой ветви в этом случае уменьшается).

Однако полоса пропускания описанных фильтров практически не зависит от степени несимметрии кольцевого резонатора и определяется только степенью связи обеих линий передачи с кольцевым проводником-резонатором. К тому же в работе рекомендуется допускать несимметрию резонатора лишь в небольших пределах из-за недопустимого снижения крутизны другой ветви характеристики.

Таким образом, описанные фильтры также не в состоянии перекрыть полосу частот свыше 40%.

Известен также сверхвысокочастотный направленный фильтр, содержащий идентичные входную и выходную линии передачи, связанные через кольцевой резонатор бегущей волны, описанный в АС СССР 501438, МПК Н 01 Р 1/20, 1977 г. В этом фильтре с целью увеличения крутизны амплитудно-частотной характеристики к линиям передачи на конце области связи по одну сторону от резонатора подключены одинаковые реактивные нагрузки с фазой коэффициента отражения, равной целому числу π/2. При этом величина полосы пропускания определяется, как и в ранее упомянутых работах, степенью связи входной и выходной линий передачи с кольцевым резонатором. Поэтому в этом фильтре достижимая полоса пропускания при использовании серийных листовых фольгированных диэлектриков также не превышает 35 -40 %.

Таким образом, описанный в АС СССР 501438 фильтр характеризуется недостаточно широкой полосой пропускания, что ограничивает сферы его использования в диапазоне сверхвысоких частот.

Известен также полосковый сверхвысокочастотный направленный фильтр, содержащий идентичные входную и выходную линии передачи, связанные за счет резонатора, описанный в АС СССР 886105, МПК Н 01 Р 1/20, 1982 г. В этом фильтре резонатор образован не замкнутым петлевым проводником, а двумя электромагнитно связанными проводниками, один из которых разомкнут, а другой - короткозамкнут на обоих концах. При этом входная и выходная линии передачи электромагнитно связаны с разомкнутым проводником. Если электрическая длина входной и выходной линий равна π/2, то наступает резонанс, при котором сигнал из входной линии полностью передается в выходную линию.

Однако в описанном фильтре разомкнутый проводник резонатора электромагнитно связан сразу с тремя линиями: входной, выходной и короткозамкнутой. Поэтому при реализации фильтра разомкнутый проводник получается существенно меньше по величине поперечных размеров (ширина, толщина линий), чем линии в ранее упомянутых фильтрах при одной и той же полосе пропускания. В результате при практической реализации описанного фильтра на листовых фольгированных диэлектриках удается обеспечить полосы пропускания не более 50%.

Известен также сверхвысокочастотный направленный фильтр, описанный в патенте Российской Федерации 1272380, МПК Н 01 Р 1/213, 1994 г. В этом фильтре идентичные входная и выходная линии передачи электромагнитно связаны с полосковым петлевым проводником, периметр которого равен длине средней волны, на противоположных участках, длина которых равна четверти длины средней волны. Свободные участки петлевого проводника, длина которых также равна четверти длины средней волны, электромагнитно связаны между собой. В результате конструкция фильтра имеет ярко выраженную продольную реализацию и небольшой поперечный размер. За счет электромагнитной связи между собой противоположных сторон петлевого проводника удается повысить избирательность фильтра по соседнему каналу.

Однако рабочая полоса частот полосно-пропускающего канала практически не зависит от степени связи противоположных сторон петлевого проводника и определяется степенью связи входной и выходной линий передачи с упомянутым проводником. В результате, несмотря на компактность конструкции, удается достичь на серийно выпускаемых листовых диэлектрических материалах лишь 40-процентную полосу пропускания, что явно недостаточно для широкополосных селективных устройств сверхвысоких частот.

Прототипом предлагаемого изобретения является сверхвысокочастотный направленный фильтр из ранее упомянутого АС СССР 501438, МПК Н 01 Р 1/20, 1977 г. Как уже отмечалось, полоса пропускания такого фильтра не превышает 40%, хотя этот фильтр сравнительно просто реализуется в полосковом исполнении.

Задачей предлагаемого изобретения является создание высокоэффективного сверхвысокочастотного направленного фильтра, имеющего более широкие полосы пропускания.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известном сверхвысокочастотном направленном фильтре, содержащем размещенные в плоском металлическом корпусе идентичные входную и выходную линии передачи, электромагнитно связанные с петлевым проводником, периметр которого равен длине средней волны, соответствующей центральной частоте рабочего диапазона, петлевой проводник выполнен в форме прямоугольника, минимальный размер которого равен высоте корпуса, а максимальный составляет половину длины средней волны, при этом обе линии передачи состоят из двух половин, длина которых равна четверти длины средней волны, расположенных в объеме максимальных по длине сторон петлевого проводника противоположно друг другу, причем смежные выводы половин в центре петлевого проводника соединены вне его между собой, а оставшиеся выводы образуют рабочие плечи фильтра.

На фиг. 1 изображен предлагаемый сверхвысокочастотный направленный фильтр; на фиг. 2 - его частотные характеристики для конкретных значений электрических параметров; на фиг. 3 - графические зависимости оптимальных электрических параметров предлагаемого фильтра; на фиг.4 - топология полосковых печатных плат предлагаемого направленного фильтра.

Предлагаемый направленный фильтр (фиг.1) содержит идентичные входную 1 и выходную 2 линии передачи, электромагнитно связанные с петлевым проводником 3, периметр которого равен длине средней волны λ₀, соответствующей центральной частоте f₀ рабочего диапазона. Обе линии передачи и петлевой проводник размещены в плоском металлическом корпусе 4 высотой b_N. При этом петлевой проводник выполнен в форме прямоугольника, минимальный размер которого равен высоте b_N корпуса, а максимальный составляет половину длины λ₀ средней волны. Каждая из линий передачи 1 и 2 состоит соответственно из двух половин 5, 6 и 7, 8, длина которых равна четверти длины λ₀ средней волны. Эти половины расположены в объеме максимальных по длине сторон петлевого проводника противоположно друг другу. Смежные выводы 9, 10 и 11, 12 соответствующих половин 5, 6 и 7, 8 в центре петлевого проводника соединены вне его между собой. Оставшиеся выводы 13, 14, 15 и 16 упомянутых половин в парах с эквипотенциальными (имеющими нулевой потенциал "земли") выводами корпуса 4 образуют рабочие плечи фильтра, к которым подключаются генераторы и нагрузки в зависимости от того, в каком режиме - селекции или мультиплексирования по частоте - используется направленный фильтр в радиоаппаратуре.

Принцип действия заявляемого сверхвысокочастотного направленного фильтра состоит в следующем.

Пусть к входному плечу с выводом 13 фильтра от источника с ЭДС Е и внутренним сопротивлением R, равным величине вещественных нагрузок R₁₄, R₁₅ и R₁₆, подключенных к плечам с выводами 14, 15 и 16, подводится мощность сверхвысокочастотного сигнала. Предполагается, что величина ЭДС Е остается неизменной в весьма широкой полосе частот. Тогда при соответствующем выборе электрических параметров фильтра сигнал перераспределяется между нагрузками R₁₄ и R₁₅ плеч с выводами 14 и 15 и практически не ощущается на нагрузке R₁₆ диагонального по отношению к входному плечу плеча с выводом 16. Если обозначить через U₁₄, U₁₅ и U₁₆ напряжения, выделяющиеся соответственно на нагрузках R₁₄, R₁₅ и R₁₆, то заявляемый сверхвысокочастотный направленный фильтр целесообразно охарактеризовать следующими показателями:
а) коэффициент передачи К_ППК полосно-пропускающего канала от вывода 13 к выводу 15(13←→15): K_ППК = |2U₁₅/E|;
б) коэффициент предачи К_ПЗК полосно-заграждающего канала от вывода 13 к выводу 14(13←→14): K_ПЗК = |2U₁₄/E|;
в) развязка I диагональных плеч с выводами 13, 16 или с выводами 14, 15: I = 20lg|E/(2U₁₆)|, дБ;
г) коэффициент стоячей волны напряжения К_СТ.U входного плеча с выводом 13 (определяется классической процедурой измерений и расчета).

В качестве электрических параметров фильтра будут фигурировать в дальнейшем (фиг.1):
а) волновое сопротивление ρ_B коаксиальной линии, образованной какой-либо половиной 5, 6, 7 или 8 линий передачи [внутренний проводник (жила) коаксиала] и половиной максимальной стороны петлевого проводника 3 [наружный проводник (оплетка) коаксиала] , заполненной "внутренней" средой с относительной диэлектрической проницаемостью ε_rB;
б) волновое сопротивление ρ_N объемной полосковой линии, образованной половиной максимальной стороны петлевого проводника 3 [внутренний проводник] и металлическим корпусом 4 [наружный проводник], заполненной "наружной" средой с относительной диэлектрической проницаемостью ε_rN.

Величины напряжений U₁₄, U₁₅ и U₁₆, несмотря на то, что подключаемые нагрузки, как правило, равны внутреннему сопротивлению источника сигнала Е:
R₁₄=R₁₅=R₁₆=R, (1)
изменяются по диапазону частот и зависят от уровней и фаз отдельных составляющих напряжений. Эти составляющие формируются за счет обхода электромагнитной волной замкнутого петлевого проводника 3 в форме прямоугольника. Количество составляющих U_14i, U_15i, U_16i, i=1...N определяются числом N обходов волной петлевого проводника. Поэтому при неограниченном увеличении N (N→∞) можно рассчитать соответствующие напряжения как пределы векторных (комплексных) сумм:

Описанный подход положен в основу алгоритма численных расчетов показателей заявляемого направленного фильтра, разработанного заявителем. В соответствующей вычислительной программе осуществляется декомпозиция (разделение) сложной электродинамической системы "половины 5, 6, 7, 8 линий передачи внутри половин максимальных сторон петлевого проводника 3; петлевой проводник 3 внутри корпуса 4; свободные участки линий передачи 1 и 2 внутри корпуса 4" на отдельные фрагменты, описание этих фрагментов матрицами сопротивлений и рассеяния, расчет составляющих U_14i, U_15i, U_16i и определение показателей а), б), в) и г) фильтра. При этом расчеты выполняются циклически во многих точках частотного диапазона, чтобы обеспечить непрерывность частотных характеристик показателей, а величины волновых сопротивлений ρ_B и ρ_N варьируются в широких пределах, не выходя, однако, за границы конструктивно-технологических ограничений. Оптимальный выбор волновых сопротивлений ρ_B и ρ_N позволяет обеспечить на центральной частоте f₀, соответствующей средней длине волны λ₀, полное подавление сигнала в нагрузке R₁₄ плеча с выводом 14 и полную передачу этого сигнала в нагрузку R₁₅ плеча с выводом 15. При отклонении частоты f от центральной f₀ в обе стороны формируются частотные характеристики полосно-пропускающего (фиг. 2, поз. 17) и полосно-заграждающего (фиг. 2, поз.18) каналов. Полоса пропускания (заграждения) каналов зависит от соотношения волновых сопротивлений ρ_B и ρ_N, a уровни отраженного U_13ОТР сигнала на входном плече с выводом 13 и поступившего U₁₆ в диагональное плечо с выводом 16 сигнала составляют пренебрежимо малую величину. В результате заявляемый фильтр характеризуется хорошей развязкой диагональных плеч (в пределе I = ∞), а также хорошим согласованием всех плеч с подключаемыми нагрузками
(в пределе К_СТ.U ⁽¹³⁾=К_СТ.U ⁽¹⁴⁾=К_СТ.U ⁽¹⁵⁾=К_СТ.U ⁽¹⁶⁾=1).

Результаты поиска оптимальных значений волновых сопротивлений представлены графически на фиг.3 [поз. 19 - волновое сопротивление ρ_N, поз. 20 - коэффициент перекрытия χ_П полосно-пропускающего канала 13←→15 по уровню 3 дБ как функции волнового сопротивления ρ_B коаксиальной линии, образованной половинами 5, 6, 7 или 8 линий передачи 1 и 2 внутри петлевого проводника 3.

В процессе реализации по заданной величине нагрузок R плеч рассчитываются геометрические размеры всех проводящих элементов устройства. При этом структура заявляемого направленного фильтра, отличительной особенностью которого является "возвратно-встречное" расположение половин 5, 6 и 7, 8 внутри петлевого проводника 3, достигающееся соединением между собой смежных выводов 9, 10 и 11, 12 соответствующих половин в центре петлевого проводника, но вне его ( то есть петли), такова, что при выборе сопротивлений ρ_B, ρ_N согласно фиг.3 удается обеспечить при одинаковом с прототипом периметре петлевого проводника в три раза большую широкополосность по одному и тому же уровню, например 3 дБ .

Для экспериментального подтверждения достижения большей широкополосности был выполнен полностью полосковый заявляемый направленный фильтр, что в наибольшей степени удовлетворяет современным тенденциям широкого использования полосковых микросхем в радиоаппаратуре диапазона сверхвысоких частот. Основные этапы процесса реализации удовлетворяют общепринятым нормам конструирования полосковых микросхем, подытоженным в работе: "Конструкторско-технологические основы проектирования полосковых микросхем"/ Под ред. Бушминского И.П., М.: Радио и связь, 1987. Таким образом, используются базовые конструкторско-технологические приемы применительно к заявляемой конструкции сверхвысокочастотного направленного фильтра.

Разработанный полосковый направленный фильтр имел центральную частоту f₀= 1,5 ГГц с полосой пропускания одна октава (соответствующий коэффициент перекрытия χ_П подоено-пропускающего канала 13←→15 по уровню 3 дБ равен двум). Величины подключаемых нагрузок выбирались согласно (1) и составили:
R₁₄=R₁₅=R₁₆=R=50 Ом, (3)
что соответствует стандартному значению волновых сопротивлений отечественных измерителей коэффициентов передачи. Из фиг.3 для χ_П=2 находятся сопротивления ρ_B и ρ_N:
ρ_B = 41 Oм, ρ_N = 20 Oм. (4)
Для полосковой реализации найденных значений ρ_B и ρ_N использовалась четырехслойная фторопластовая (тефлоновая) структура, состоящая из двух фольгированных тонких центральных заготовок G₁, G₂ толщиной t_β=0,27 мм. Именно на этих заготовках формировались полосковые идентичные входная и выходная линии передачи и петлевой проводник в форме прямоугольника. Материал этих загатовок соответствует "внутренней" среде упомянутых ранее коаксиальных линий и имеет относительную диэлектрическую проницаемость ε_rB. Кроме этого, используются две более массивные диэлектрические заготовки толщиной t_α=1,5 мм, играющие роль упомянутой ранее "наружной" среды фильтра с относительной диэлектрической проницаемостью ε_rN.

В соответствии с описанным подходом идентичные входная 1 и выходная 2 линии передачи сформированы на одной из сторон заготовки G₁ (фиг.4, поз.21 - входная, поз. 22 - выходная линии). На обратной стороне этой заготовки сформирована верхняя плоскость петлевого проводника 3 (фиг.4, поз.23). Нижняя плоскость петлевого проводника 3 сформирована аналогично верхней плоскости на одной из сторон заготовки G₂, обратная сторона которой не фольгирована. После совмещения обеих заготовок и их взаимной ориентации таким образом, чтобы плоскости петлевого проводника были снаружи, а входная 1 и выходная 2 линии передачи - внутри, реализуется полосковый заявляемый направленный фильтр с "возвратно-встречным" расположением половин 5, 6 и 7, 8 внутри петлевого проводника 3. Для обеспечения эквипотенциальности верхней и нижней плоскостей петлевого проводника 3 в заготовках G₁, G₂ предусмотрены сквозные металлизированные отверстия (фиг. 4, поз.24) по краям петлевого проводника в количестве 12 штук (при необходимости число отверстий может быть больше или меньше 12).

В разработанном фильтре в качестве заготовок G₁, G₂ использовался материал "ФЗ МФ-2" с толщиной медной фольги t_C=0,02 мм (t_β=0,27 мм, ε_rB=2,5). Поэтому суммарная толщина двух слоев с учетом фольги в зоне петлевого проводника t_N равна:
t_N = 2t_β+3t_C = 0,6 мм. (5)
Эта величина используется далее для расчета ширины W_N петлевого проводника (фиг.4, поз. 23), причем в качестве "наружных", более массивных заготовок-слоев использовался материал "ФАФ-4" (t_α=1,5 мм, ε_rN=2,5) с полностью удаленной медной фольгой. В результате суммарная толщина bN всех заготовок в зоне петлевого проводника равна:
b_N = 2t_α+t_N = 3,6 мм. (6)
Тогда ширина w_N петлевого проводника должна быть выбрана такой, чтобы обеспечить требуемое согласно (4) значение ρ_N=20 Ом, что при использовании общепринятых процедур расчета приводит для ε_rN=2,5 к результату:
W_N=6,65 мм. (7)
Минимальный размер стороны петлевого проводника (по внутренней кромке, фиг.4) равен высоте корпуса 4, которая, в свою очередь, равна суммарной толщине b_N заготовок (6). Максимальный размер В стороны (также по внутренней кромке, фиг.4) составляет половину длины средней волны и равен B = 3•10⁸/(2•√ε_rN•f₀) = 64 мм.
Далее определяются оставшиеся два размера W_B и W₀ полосковой печатной заготовки G₁, относящиеся к входной и выходной линиям передачи (фиг.4, поз. 21,22). Размер W_B характеризует полосковую линию во "внутренней" среде с проницаемостью ε_rB, образованную какой-либо из половин 5, 6, 7 или 8 линий передачи и половиной максимальной стороны петлевого проводника 3. Его величина должна обеспечить требуемое согласно (4) значение ρ_B=41 Ом при ε_rB= 2,5, t_C= 0,02 мм и высоте b_B=2t_β+t_C=0,56 мм, что при использовании общепринятых процедур расчета приводит к результату:
W_B=0,53 мм. (8)
Размер W₀ входной и выходной линий передачи вне петлевого проводника, но внутри металлического корпуса 4, должен обеспечить стандартное значение волнового сопротивления для сверхвысокочастотного сигнала [согласно (3): R= 50 Ом], что при ε_rN=2,5, b_N=3,6 мм, t_C=0,02 мм обусловливает величину:
W_o=2,7 мм. (9)
Результаты экспериментальных исследований изготовленного направленного фильтра, проведенные в более широкой, чем одна октава, полосе частот 0,3.... 3 ГГц, позволяют сформулировать следующие оценки его показателей:
а) отличие измеренных частотных характеристик полосно-пропускающего и полосно-заграждающего каналов от расчетных не превышает 5%;
б) минимальное значение развязки диагональных плеч на верхней границе измерений 3 ГГц составило 19 дБ;
в) наибольшее значение входного К_СТ.U соответствовало частоте 2,4 ГТц и было равно 1,53.

Таким образом, предлагаемый сверхвысокочастотный направленный фильтр по сравнению с прототипом обеспечивает более широкие полосы пропускания при одной и той же неравномерности в их пределах.

Кроме того, заявляемый направленный фильтр имеет три внешних плеча (не считая входного), тогда как в фильтре-прототипе два из трех внешних плеч "заглушены" реактивными нагрузками и являются нерабочими. Это способствует более широкому практическому использованию заявляемого направленного фильтра в качестве элементной базы сверхвысокочастотных широкополосных устройств связи, телекоммуникаций, радиолокации и радионавигации.

Изобретение может быть использовано в широкополосных селективных устройствах систем радиосвязи, телекоммуникаций, радиолокации и радионавигации. В направленном фильтре, содержащем идентичные входную и выходные линии передачи, электромагнитно связанные с петлевым проводником, размещенные в плоском металлическом корпусе, реализовано возвратно-встречное расположение половин упомянутых линий передачи внутри объема максимальных по длине сторон петлевого проводника, выполненного в форме прямоугольника. При этом смежные концы соответствующих половин в центре петлевого проводника соединены между собой. Технологическим результатом является обеспечение большей широкополосности по фиксированному уровню отсчета затухания на серийно выпускаемых листовых фольгированных диэлектриках. 4 ил.

Сверхвысокочастотный направленный фильтр, содержащий размещенные в плоском металлическом корпусе идентичные входную и выходную линии передачи, электромагнитно связанные с петлевым проводником, отличающийся тем, что петлевой проводник выполнен в форме прямоугольника, минимальный размер которого равен высоте корпуса, а максимальный составляет половину длины средней волны, при этом обе линии передачи состоят из двух половин, длина которых равна четверти длины средней волны, расположенных в объеме максимальных по длине сторон петлевого проводника противоположно друг другу, причем смежные выводы половин в центре петлевого проводника соединены вне его между собой, а оставшиеся выводы образуют рабочие плечи фильтра.