ПОЛОСКОВЫЙ 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 полосковый фильтр, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен проводящий экран, а на другой стороне - полосковая линия, а также перпендикулярно пересекающий ее полуволновый полосковый 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 полосковой и, следовательно, также вводится дополнительно); в-третьих, трудоемкость сборки, связанная с трудностью точного совмещения основания диэлектрического резонатора с областью пересечения полосковой линии с полуволновым резонатором (так как в силу частотной узкополосности устройства даже небольшое смещение диэлектрического резонатора приводит к нарушению работы устройства).

Известен полосковый фильтр, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен проводящий экран, а на другой стороне - последовательно соединенные четвертьволновые отрезки полосковых линий, к участкам соединения которых подключены одиночные разомкнутые полосковые 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 полосковых шлейфов; невозможность значительной перестройки частотных характеристик фильтра (например, перестройки из полоснозаграждающего в полоснопропускающий фильтр); трудоемкость и нетехнологичность подстройки, в особенности плавной (обычно осуществляется дискретно, путем отрезания участков концов шлейфов).

Известен взятый в качестве прототипа полосковый 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 полосковых линий, к участкам соединения которых присоединены разомкнутые шлейфы, причем к одному и тому же участку могут быть гальванически непосредственно присоединены 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 полосковый полоснозаграждающий фильтр).

Недостатками указанного устройства являются: во-первых, отсутствие возможности управления (перестройки) фильтра по уровню сигнала (в частности, невозможность переключения фильтра из полоснозаграждающего в полоснопропускающий 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); в-шестых, большие габариты фильтра (в частности, поперечные, определяемые длиной шлейфа, равной длине четвертьволнового отрезка).

Решаемой технической задачей изобретения является, во-первых, введение возможности управления (перестройки) фильтра по уровню сигнала (в частности переключения фильтра из полоснозаграждающего в полоснопропускающий 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 фильтр; в-шестых, уменьшение габаритов фильтра.

Решаемая техническая задача в полосковом 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 полосковых линий, к участкам соединения которых подключены разомкнутые шлейфы, причем к одному и тому же участку подключены не менее двух шлейфов, достигается тем, что введены активные элементы с подключенными к шлейфам выводами, управляющие цепи, подключенные к шлейфам, в шлейфы последовательно включены разделительные конденсаторы, причем электрическая длина шлейфов с последовательно включенными разделительными конденсаторами менее электрической длины полуволнового отрезка полосковой линии, а геометрическая длина шлейфов менее длины четвертьволнового отрезка полосковой линии. Шлейфы могут быть выполнены в виде отрезков полосковой линии, ширина которых различна как по длине шлейфа, так и между соседними шлейфами. Шлейфы могут быть подключены к участкам соединения так, что между соседними шлейфами включены разделительные конденсаторы, причем электрическая длина разделительного конденсатора между соседними шлейфами равна электрической длине четного количества четвертьволновых отрезков полосковой линии. В качестве активного элемента может быть использован p-i-n-диод. В качестве активного элемента может быть использован сверхвысокочастотный 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. Шлейфы, подключенные к одному и тому же участку, могут иметь разную электрическую длину.

На приведенных Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3 изображены примеры конкретной реализации предложенного полоскового фильтра.

Примеры конкретной реализации предложенного полоскового 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 полосковых линий 5 (например, два четвертьволновых отрезка 100-омных полосковых линий), к участкам соединения которых подключены разомкнутые шлейфы 6, причем к одному и тому же участку подключены не менее двух шлейфов (например, два шлейфа для примера конкретной реализации Фиг.1, три - для примера конкретной реализации Фиг.2, четыре - для примера конкретной реализации 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 полосковых отрезков и секторных шлейфов (не показано)), в шлейфы 6 последовательно включены разделительные конденсаторы, причем электрическая длина шлейфов 6 с последовательно включенными разделительными конденсаторами 2 менее электрической длины полуволнового отрезка полосковой линии, а геометрическая длина шлейфов менее длины четвертьволнового отрезка полосковой линии.

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

Для примера конкретной реализации (Фиг.2) шлейфы 6 выполнены в виде отрезков полосковой линии, ширина которых различна как по длине шлейфа, так и между соседними шлейфами (например, боковые шлейфы к разомкнутому концу уже среднего, причем ширина боковых шлейфов линейно убывает, а среднего линейно возрастает (по направлению от подключенного к разомкнутому концу шлейфа)), причем между соседними шлейфами 6 включены разделительные конденсаторы 2, электрическая длина которых равна, например, электрической длине полуволнового отрезка полосковой линии, причем шлейфы имеют разную электрическую длину (например, электрическая длина центрального шлейфа вместе с электрической длиной последовательно включенного в него конденсатора равна электрической длине четвертьволнового отрезка полосковой линии, электрическая длина боковых шлейфов вместе с электрической длиной последовательно включенных в них конденсаторов составляет 110% электрической длины центрального шлейфа).

Для примера конкретной реализации (Фиг.3) шлейфы 6 выполнены в виде отрезков полосковой линии, ширина которых различна как по длине шлейфа, так и между соседними шлейфами (например, два боковых шлейфа к разомкнутому концу уже двух средних, причем ширина боковых шлейфов линейно убывает, а средних линейно возрастает (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 включенными в шлейф разделительными конденсаторами (например, восемь конденсаторов - по два для каждого из четырех шлейфов). Электрическая длина разделительного конденсатора 2 между соседними шлейфами 6 равна, 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 разомкнутых шлейфах 6 с включенными последовательно в них разделительными конденсаторами 2 и подключенных к ним перестраиваемых активных элементах в выходное плечо 4. Подача управляющих токов и напряжений на активные элементы 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 полоснозаграждающего в полоснопропускающий 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 полоснопропускающий (за счет возникновения противофазных колебаний на концах полуволнового U-образного шлейфного резонатора (см. Фиг.1) или нескольких таких резонаторах (Фиг.2, Фиг.3)). При включении управляющих токов и напряжений (включении активных элементов) фильтр работает как полоснозаграждающий (колебания на концах шлейфов синфазны, все шлейфы работают как один общий низкоомный четвертьволновый разомкнутый шлейф (Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3)).

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).

Для примеров конкретной реализации с тремя и более шлейфами (Фиг.2 и Фиг.3) избирательное включение разных шлейфов (комбинаций шлейфов) и разных частей шлейфов в рабочий U-образный резонатор позволяет менять граничные частоты. Для примеров конкретной реализации Фиг.2 и Фиг.3 подключение активных элементов не только к концам шлейфов, но и к промежуточным точкам шлейфов дает возможность переключать рабочую длину U-образных шлейфных резонаторов и, следовательно, переключать область рабочих частот при работе в полоснопропускающем 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 посторонних 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.)

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве уменьшены габариты (в частности, продольные, определяемые геометрической длиной шлейфа) в связи с включением в полосковые шлейфы разделительных конденсаторов с диэлектрической проницаемостью больше диэлектрической проницаемости подложки и, следовательно, с большой электрической длиной по сравнению с полоском той же геометрической длины, что и конденсатор. Поэтому с включением таких разделительных конденсаторов геометрическая длина шлейфов, полосковых отрезков (см. Фиг.1, Фиг.2, 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).

К дополнительным 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 устройствах он потребляет ток в предельных режимах работы в интервале от 0 до 30-100 мА.

Кроме того, к дополнительным достоинствам предложенного устройства следует отнести то, что нелинейный характер топологии шлейфов (см., например, экспоненциально расширяющиеся шлейфы в Фиг.1) в предложенном устройстве вызывает появление в шлейфах типов волн, нетипичных для обычных полосковых или микрополосковых линий (отход от ТЕМ-приближения), что позволяет расширить рабочую полосу частот предложенного устройства.

Изготовленные опытные образцы предложенного полоскового 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 фильтра; во введении возможности плавной подстройки характеристик фильтра; в улучшении технологичности и снижении трудоемкости подстройки характеристик фильтра; в уменьшении габаритов фильтра. Полосковый 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 полосковых 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. В шлейфы последовательно включены разделительные конденсаторы, причем электрическая длина шлейфов с последовательно включенными разделительными конденсаторами менее электрической длины полуволнового отрезка полосковой линии, а геометрическая длина шлейфов менее длины четвертьволнового отрезка полосковой линии. Шлейфы могут быть выполнены в виде отрезков полосковой линии, ширина которых различна как по длине шлейфа, так и между соседними шлейфами. В качестве активного элемента может быть использован p-i-n-диод или сверхвысокочастотный транзистор. Выводы активных элементов подключены к шлейфам. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Полосковый 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 полосковых линий, к участкам соединения которых 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, в шлейфы последовательно включены разделительные конденсаторы, причем электрическая длина шлейфов с последовательно включенными разделительными конденсаторами менее электрической длины полуволнового отрезка полосковой линии, а геометрическая длина шлейфов менее длины четвертьволнового отрезка полосковой линии, причем шлейфы выполнены в виде отрезков полосковой линии, ширина которых различна по длине шлейфа.2. Полосковый фильтр по п.1, отличающийся тем, что шлейфы выполнены в виде отрезков полосковой линии, ширина которых различна между соседними шлейфами.3. Полосковый фильтр по п.2, отличающийся тем, что шлейфы подключены к участкам соединения так, что части участков соединения между соседними шлейфами выполнены в виде разделительных конденсаторов, причем их электрическая длина равна электрической длине четного количества четвертьволновых отрезков полосковой линии.4. Полосковый фильтр по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве активного элемента использован p-i-n-диод.5. Полосковый фильтр по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве активного элемента использован сверхвысокочастотный транзистор.6. Полосковый фильтр по п.1, или 2, или 3, 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.7. Полосковый фильтр по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что шлейфы, подключенные к одному и тому же участку, имеют разную электрическую длину.