МИКРОПОЛОСКОВЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 2005 года по МПК H01P1/203 

Изобретение относится к радиотехнике, а более конкретно - к технике сверхвысоких частот (СВЧ), и может быть использовано в радиолокации, радиосвязи и системах спутникового телевидения.

Известен микрополосковый фильтр, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен проводящий экран, а на другой стороне - микрополосковая линия, а также перпендикулярно пересекающий ее полуволновый микрополосковый резонатор с разомкнутыми концами, подключенный к линии на расстоянии одной восьмой длины волны от своего конца, а также объемный диэлектрический резонатор, установленной на область пересечения микрополосковой линии с полуволновым резонатором (см. А.С. №1513543 СССР Н 01 Р 1/20, Б.И. №37, 1989).

Недостатками указанного устройства являются: во-первых, сложная непланарная объемная конструкция устройства (так как содержит объемный диэлектрический резонатор); во-вторых, необходимость изготовления и закрепления дополнительной детали - диэлектрического резонатора (причем технология его изготовления и закрепления не является микрополосковой и, следовательно, также вводится дополнительно); в-третьих, трудоемкость сборки, связанная с трудностью точного совмещения основания диэлектрического резонатора с областью пересечения микрополосковой линии с полуволновым резонатором (так как в силу частотной узкополосности устройства даже небольшое смещение диэлектрического резонатора приводит к нарушению работы устройства).

Известен микрополосковый фильтр, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен проводящий экран, а на другой стороне - последовательно соединенные четвертьволновые отрезки микрополосковых линий, к участкам соединения которых подключены одиночные разомкнутые микрополосковые шлейфы (см. книгу Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. - М.: Сов. радио, 1976, стр.185, рис.2.45в).

Недостатками указанного устройства являются: малая относительная рабочая полоса частот ввиду частотной узкополосности одиночных разомкнутых микрополосковых шлейфов; невозможность значительной перестройки частотных характеристик фильтра (например, перестройки из полосно-заграждающего в полосно-пропускающий фильтр); трудоемкость и нетехнологичность подстройки, в особенности плавной (обычно осуществляется дискретно, путем отрезания участков концов шлейфов).

Известен взятый в качестве прототипа микрополосковый фильтр, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен проводящий экран, а на другой стороне - входное и выходное плечи, между которыми включены последовательно соединенные отрезки микрополосковых линий, к участкам соединения которых присоединены разомкнутые шлейфы, причем к одному и тому же участку может быть гальванически непосредственно присоединено два и более шлейфов; при этом при подключении устройства на входе и выходе могут ставиться разделительные конденсаторы (см. Патент РФ №2049366 МПК Н 01 Р 1/203, Б.И. №33, 1995, а также соответствующую Заявку №93019087/09 на микрополосковый полоснозаграждающий фильтр).

Недостатками указанного устройства являются: во-первых, отсутствие возможности управления (перестройки) фильтра по уровню сигнала (в частности, невозможность переключения фильтра из полосно-заграждающего в полосно-пропускающий режим, в особенности плавного переключения); во-вторых, отсутствие возможности изменения рабочей полосы частот фильтра, в том числе перестройки по частоте (в частности, невозможность переключения граничных частот); в-третьих, невозможность плавной подстройки характеристик фильтра (подстройка возможна лишь дискретная, обычно осуществляется путем удаления дискретных участков концов шлейфов); в-четвертых, невозможность обратимой подстройки характеристик фильтра (подстройка возможна лишь необратимая, поскольку осуществляется путем отрезания концов шлейфов); в-пятых, нетехнологичность и трудоемкость подстройки характеристик фильтра (поскольку производится обычно под микроскопом).

Решаемой технической задачей изобретения является, во-первых, введение возможности управления (перестройки) фильтра по уровню сигнала (в частности переключения фильтра из полосно-заграждающего в полосно-пропускающий режим и обратно, в особенности плавного переключения); во-вторых, введение возможности изменения рабочей полосы частот фильтра, в том числе перестройки по частоте (в частности, переключения граничных частот); в-третьих, введение возможности плавной подстройки характеристик фильтра; в-четвертых, введение возможности обратимой подстройки характеристик фильтра; в-пятых, улучшение технологичности и снижение трудоемкости подстройки характеристик фильтра.

Решаемая техническая задача в микрополосковом фильтре, содержащем диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен проводящий экран, а на другой стороне - разделительные конденсаторы, входное и выходное плечи, между которыми через разделительные конденсаторы включены последовательно соединенные отрезки микрополосковых линий, к участкам соединения которых подключены разомкнутые шлейфы, причем к одному и тому же участку подключено не менее двух шлейфов, достигается тем, что введены активные элементы с подключенными к шлейфам выводами, управляющие цепи, подключенные к шлейфам, шлейфы подключены к участкам соединения так, что между соседними шлейфами включены разделительные конденсаторы, причем электрическая длина шлейфов менее электрической длины полуволнового отрезка микрополосковой линии. Шлейфы могут быть выполнены в виде отрезков микрополосковой линии, ширина которых различна как по длине шлейфа, так и между соседними шлейфами. В качестве активного элемента может использоваться p-i-n-диод. В качестве активного элемента может использоваться СВЧ-транзистор. Выводы активных элементов могут быть подключены к шлейфам на одинаковом по электрической длине расстоянии от участка соединения для выводов, принадлежащих одному и тому же активному элементу, и разном - для выводов, принадлежащих разным активным элементам, причем выводы разных активных элементов разделены включенным в шлейф разделительным конденсатором, электрическая длина которого вместе с электрической длиной шлейфа равна электрической длине четвертьволнового отрезка микрополосковой линии. Электрическая длина разделительного конденсатора между соседними шлейфами может быть равна электрической длине четного количества четвертьволновых отрезков микрополосковой линии.

На приведенных чертежах (Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3) изображены примеры конкретной реализации предложенного микрополоскового фильтра.

Примеры конкретной реализации предложенного микрополоскового фильтра (см. Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3) содержат диэлектрическую подложку 1 (например, подложка толщиной 1 мм с относительной диэлектрической проницаемостью, равной 9,6), на одной стороне которой расположен проводящий экран (не показан), а на другой стороне - разделительные конденсаторы 2, входное 3 и выходное 4 плечи, между которыми через разделительные конденсаторы 2 включены последовательно соединенные отрезки микрополосковых линий 5 (например, два четвертьволновых отрезка 100-омных микрополосковых линий), к участкам соединения которых подключены разомкнутые шлейфы 6 (например, микрополосковые шлейфы с линейно изменяющейся шириной микрополоска), причем к одному и тому же участку подключено не менее двух шлейфов (например, два шлейфа для Фиг.1, три - для Фиг.2, четыре - для Фиг.3), введены активные элементы с подключенными к шлейфам выводами (например, в качестве активного элемента взят арсенид-галлиевый p-i-n-диод 7 (для Фиг.1, Фиг.3), биполярный СВЧ-транзистор 8 (для Фиг.2)), управляющие цепи 9, подключенные к шлейфам (например, в виде отдельных компактных фильтров низкой частоты, сделанных, например, по микрополосковой интегральной технологии и состоящих из последовательного чередования высокоомных четвертьволновых микрополосковых отрезков и секторных шлейфов (не показано)), разомкнутые шлейфы 6 подключены к участкам соединения так, что между соседними шлейфами включены разделительные конденсаторы 2, причем электрическая длина шлейфов 6 менее электрической длины полуволнового отрезка микрополосковой линии.

Для примера конкретной реализации (Фиг.1) шлейфы 6 выполнены в виде четвертьволновых микрополосковых отрезков с линейно возрастающей шириной (по направлению от подключенного к разомкнутому концу шлейфа).

Для примера конкретной реализации (Фиг.2) шлейфы 6 выполнены в виде четвертьволновых отрезков микрополосковой линии, ширина которых различна как по длине шлейфа, так и между соседними шлейфами (например, боковые шлейфы к разомкнутому концу шире среднего, причем ширина боковых шлейфов линейно возрастает, а среднего - линейно убывает (по направлению от подключенного к разомкнутому концу шлейфа).

Для примера конкретной реализации (Фиг.3) шлейфы 6 выполнены в виде отрезков микрополосковой линии, ширина которых различна как по длине шлейфа, так и между соседними шлейфами (например, два боковых шлейфа к разомкнутому концу шире двух средних, причем ширина боковых шлейфов линейно возрастает, а средних линейно убывает (по направлению от подключенного к разомкнутому концу шлейфа). Выводы активных элементов 7 (например, p-i-n-диодов) подключены к шлейфам 6 на одинаковом по электрической длине расстоянии от участка соединения для выводов, принадлежащих одному и тому же активному элементу, и разном - для выводов, принадлежащих разным активным элементам, причем выводы разных активных элементов разделены включенным в шлейф разделительным конденсатором (например, четыре конденсатора - по одному для каждого из четырех шлейфов), электрическая длина которого вместе с электрической длиной шлейфа равна электрической длине четвертьволнового отрезка микрополосковой линии. Электрическая длина разделительного конденсатора 2 между соседними шлейфами 6 равна электрической длине четного количества четвертьволновых отрезков микрополосковой линии (например, полуволновой электрической длине). Благодаря последовательному включению диодов управляющие цепи 9 подсоединены только к боковым шлейфам (например, по две управляющие цепи для каждого бокового шлейфа).

При работе предложенного устройства (см. Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3) СВЧ-сигнал (например, со средней рабочей частотой 1,35 ГГц) с частотой из рабочей полосы частот, поступивший во входное плечо 3, прошел, отфильтровавшись на шлейфах 6 и подключенных к ним перестраиваемых активных элементах, в выходное плечо 4. Подача управляющих токов и напряжений на активные элементы 7 позволила плавно и в широких пределах регулировать характеристики фильтра (в том числе уровень полосы пропускания/заграждения и граничные частоты). Плечи 3 и 4 подключались к 50-омному тракту.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве введены возможности управления (перестройки) фильтра по уровню сигнала (в частности переключения фильтра из полосно-заграждающего в полосно-пропускающий режим и обратно, в особенности плавного переключения). По мере плавного увеличения подачи управляющих токов и напряжений на активные элементы между концами полуволновых U-образных шлейфных резонаторов, образованных каждой парой соседних шлейфов, работа резонаторов постепенно отключается. Таким образом, при отключении управляющих токов и напряжений (отключении активных элементов) фильтр работает как полосно-пропускающий (за счет возникновения противофазных колебаний на концах полуволнового U-образного шлейфного резонатора (см. Фиг.1) или нескольких таких резонаторов (Фиг.2)). При включении управляющих токов и напряжений (включении активных элементов) фильтр работает как полосно-заграждающий (колебания на концах шлейфов синфазны, все шлейфы работают как один общий низкоомный четвертьволновый разомкнутый шлейф (Фиг.1, Фиг.2)).

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве введены возможности изменения рабочей полосы частот фильтра, в том числе перестройки по частоте (в частности, переключения граничных частот). При трех и более шлейфах (Фиг.2 и Фиг.3) избирательное включение разных шлейфов (комбинаций шлейфов) и разных частей шлейфов в рабочий U-образный резонатор позволяет менять граничные частоты. Подключение активных элементов не только к концам шлейфов, но и к промежуточным точкам шлейфов (см. Фиг.3) дает возможность переключать рабочую длину U-образных шлейфных резонаторов и, следовательно, переключать область рабочих частот при работе в полосно-пропускающем режиме.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве введены возможности плавной подстройки характеристик фильтра. Возможность плавного изменения управляющих токов и напряжений позволяет плавно подстраивать характеристики фильтра. Например, в случае использования в качестве активных элементов p-i-n-диодов (например, арсенид-галлиевых диодов типа 2А517) рабочий диапазон тока через диод - от 0 до 0,05 мА (причем диапазон бесступенчатый, плавный). В прототипе же можно осуществлять лишь дискретную подстройку (например, путем отрезания дискретных участков концов шлейфов).

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве введены возможности обратимой подстройки характеристик фильтра. Возможность при изменении управляющих токов и напряжений вернуться к исходному их значению позволяет осуществлять обратимую подстройку в предложенном устройстве. В прототипе же подстройка (например, путем отрезания участков концов шлейфов) необратима (даже если удастся припаять обратно отрезанный участок, то, ввиду неточностей пайки, неизбежного добавления посторонний включений (припоя, флюса), искажения геометрической формы концов шлейфов, получить исходные характеристики фильтра не удается).

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве улучшена технологичность и снижена трудоемкость подстройки характеристик фильтра. Подстройка осуществляется лишь путем изменения управляющих токов и напряжений, без изменения топологии и схемы устройства, без отключения устройства. В прототипе же необходимо трудоемкое изменение топологии (например, удаление участков концов шлейфов обычно осуществляется под микроскопом и при отключении устройства, причем после изменения топологии необходимо вновь подключать фильтр к измерительной аппаратуре, затем опять осуществлять изменение топологии в отключенном устройстве и т.д.).

Дополнительным достоинством предложенного устройства является возможность уменьшения габаритов устройства в связи с включением в микрополосковые отрезки и шлейфы разделительных конденсаторов с диэлектрической проницаемостью больше диэлектрической проницаемости подложки и, следовательно, с большой электрической длиной по сравнению с микрополоском той же геометрической длины, что и конденсатор. Поэтому с включением таких разделительных конденсаторов геометрическая длина микрополосковых отрезков и шлейфов (например, см. Фиг.3) уменьшается при сохранении той же электрической длины (или же эффективной электрической длины, отличающейся на четное количество четвертей волн). При этом включение конденсаторов вблизи середины, а не края шлейфа позволяет максимально сократить вносимые искажения в работу устройства. Кроме того, включение конденсаторов полуволновой электрической длины между соседними шлейфами позволяет достичь нулевой эффективной электрической длины между участками подключения шлейфов, что улучшает работу устройства и недостижимо при обычном способе подключения шлейфов к участкам, отстоящим друг от друга на величину межшлейфного зазора (с ненулевой электрической длиной).

Кроме того, к достоинствам предложенного устройства относится удобный ортогональный характер геометрии топологии (состоит только из вертикальных и горизонтальных отрезков), который адаптирован к предъявляемым требованиям по программируемому вводу и легко реализуется современными автоматизированными устройствами изготовления фотошаблонов.

Кроме того, к достоинствам предложенного устройства следует отнести то, что предложенное устройство чрезвычайно экономично с точки зрения потребляемой мощности. Например, арсенид-галлиевый p-i-n-диод (например, типа 2А517) в предложенном устройстве благодаря особенностям подключения потребляет ток в предельных режимах работы в интервале от 0 до всего 0,05 мА, тогда как в других СВЧ-устройства он потребляет ток в предельных режимах работы в интервале от 0 до 30-100 мА.

Изготовленные опытные образцы предложенного микрополоскового фильтра показали, что они по эксплуатационным параметрам не уступают известным аналогам и прототипу, кроме того, топология предложенного устройства имеет удобную для реализации компактную геометрическую структуру.

Изобретение относится к области техники СВЧ. Технический результат изобретения состоит во введении возможности перестройки фильтра по уровню сигнала, во введении возможности изменения рабочей полосы частот, во введении возможности плавной подстройки характеристик фильтра, в улучшении технологичности и снижении трудоемкости подстройки характеристик фильтра. Микрополосковый фильтр содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен проводящий экран, а на другой стороне - разделительные конденсаторы, входное и выходное плечи, между которыми через разделительные конденсаторы включены последовательно соединенные отрезки микрополосковых линий, к участкам соединения которых подключены разомкнутые шлейфы. К одному и тому же участку подключено не менее двух шлейфов, а также активные элементы с подключенными к шлейфам выводами. Шлейфы могут быть выполнены в виде отрезков микрополосковой линии, ширина которых различна как по длине шлейфа, так и между соседними шлейфами. Выводы активных элементов могут быть подключены к шлейфам на одинаковом по электрической длине расстоянии от участка соединения для выводов, принадлежащих одному и тому же активному элементу, и разном - для выводов, принадлежащих разным активным элементам. Электрическая длина разделительного конденсатора между соседними шлейфами может быть равна электрической длине четного количества четвертьволновых отрезков микрополосковой линии. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Микрополосковый фильтр, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен проводящий экран, а на другой стороне - разделительные конденсаторы, входное и выходное плечи, между которыми через разделительные конденсаторы включены последовательно соединенные отрезки микрополосковых линий, к участкам соединения отрезков микрополосковых линий подключены разомкнутые шлейфы, причем к одному и тому же участку подключено не менее двух шлейфов, отличающийся тем, что введены активные элементы с подключенными к шлейфам выводами, управляющие цепи, подключенные к шлейфам, шлейфы подключены к участкам соединения так, что между соседними шлейфами включены разделительные конденсаторы, причем электрическая длина шлейфов менее электрической длины полуволнового отрезка микрополосковой линии, причем шлейфы выполнены в виде отрезков микрополосковой линии, ширина которых различна по длине шлейфа.2. Микрополосковый фильтр по п.1, отличающийся тем, что шлейфы выполнены в виде отрезков микрополосковой линии, ширина которых различна между соседними шлейфами.3. Микрополосковый фильтр по п.1, отличающийся тем, что в качестве активного элемента использован p-i-n-диод.4. Микрополосковый фильтр по п.1, отличающийся тем, что в качестве активного элемента использован сверхвысокочастотный транзистор.5. Микрополосковый фильтр по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что выводы активных элементов подключены к шлейфам на одинаковом по электрической длине расстоянии от участка соединения для выводов, принадлежащих одному и тому же активному элементу, и разном - для выводов, принадлежащих разным активным элементам, причем выводы разных активных элементов разделены включенным в шлейф разделительным конденсатором, электрическая длина которого вместе с электрической длиной шлейфа равна электрической длине четвертьволнового отрезка микрополосковой линии.6. Микрополосковый фильтр по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что части участков соединения между соседними шлейфами выполнены в виде разделительных конденсаторов, причем их электрическая длина равна электрической длине четного количества четвертьволновых отрезков микрополосковой линии.