ВОЛНОВОДНЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ СВЧ ФИЛЬТР Российский патент 2015 года по МПК H01P3/00 

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и предназначено для использования в устройствах частотной селекции, преимущественно, в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн.

Известен волноводный керамический СВЧ фильтр, состоящий из металлизированного керамического блока в форме прямоугольного параллелепипеда, в котором сформирована цепочка объемных резонаторов, с элементами связи в виде емкостных площадок на нижней грани блока [US 2009/0231064 A1, Sep. 17, 2009]. Одним из недостатков этого фильтра является неудобство настройки элементов связи, расположенных на нижней грани блока.

Наиболее близким по техническому решению является принятый за прототип волноводный керамический СВЧ фильтр, состоящий из металлизированного керамического блока в форме прямоугольного параллелепипеда, в котором сформирована цепочка объемных резонаторов с непосредственной связью, а входные и выходные элементы связи выполнены в виде короткозамкнутых отрезков копланарных линий на торцевых гранях керамического блока и разомкнутых на концах отрезков копланарных линий на нижней грани керамического блока. Возможность изменения длины короткозамкнутых отрезков копланарных линий на торцевых гранях керамического блока позволяет производить подстройку согласования фильтра с входной и выходной линиями передачи после установки фильтра на плату [RU 2462799].

Основным недостатком этого фильтра является то, что элементы связи в виде отрезков копланарных линий передач имеют ограничения по коэффициенту связи с входными и выходными резонаторами, обусловленные конструктивными ограничениями длины этих линий, что, в свою очередь, приводит к ограничению диапазона реализуемых с помощью таких элементов связи параметров фильтров.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение возможностей настройки фильтра, позволяющих реализовать согласование фильтра с входными и выходными линиями для большего диапазона значений параметров фильтра (ширины полосы пропускания и т.д.) на основе базового керамического блока.

Для достижения указанного выше технического результата предлагается керамический СВЧ фильтр, состоящий из металлизированного керамического блока в форме прямоугольного параллелепипеда, в котором сформирована цепочка объемных резонаторов с непосредственной связью, а расположенные на торцевых гранях с переходом на нижнюю грань блока входные и выходные элементы связи выполнены в виде последовательного соединения индуктивной щели и отрезка копланарной линии.

Согласование фильтра с входной и выходной линиями передачи достигается выбором оптимальных значений индуктивностей элементов связи L_p0, L_pn+1 и коэффициентов взаимной индукции M_0,1, M_n,n+1.

Заданные характеристики фильтра определяют требуемый коэффициент связи между входным резонатором и входной линией [1].

где w - относительная ширина полосы пропускания фильтра;

q₀, q₁ - элементы низкочастотного фильтра-прототипа.

С другой стороны, для цепочки резонаторов с индуктивной связью

где M_0,1, L_r0, L_r1 определяются геометрией входного резонатора и элемента связи.

Расширение возможностей настройки фильтра можно получить путем увеличения диапазона реализуемых значений индуктивностей и коэффициентов взаимной индукции элементов связи при соединении индуктивной щели и отрезка копланарной линии.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен элемент связи керамического волноводного фильтра, выполненный на торцевых гранях блока в виде последовательного соединения индуктивной щели и отрезка копланарной линии.

На фиг. 2 представлена эквивалентная схема цепочки объемных резонаторов с непосредственной индуктивной связью, с входным и выходным индуктивными элементами связи [1].

На фиг. 3 представлена модель резонатора, связанного с линией передачи, реализованная в программе трехмерного электромагнитного моделирования.

На фиг. 4 и фиг. 5 приведены результаты моделирования элементов связи (фиг. 4 - элемент связи аналога), (фиг. 5 - предлагаемый элемент связи).

Связь между параметрами фильтра и геометрией элемента связи может быть установлена с применением методики настройки входных и выходных резонаторов фильтра [2] и программ трехмерного электромагнитного моделирования резонатора, связанного с линией передачи.

Анализируется АЧХ одиночного входного резонатора, связанного через исследуемый элемент связи с входной линией передачи и с помощью зонда со слабой связью с выходной линией передачи. Измеряется ширина резонансной кривой резонатора по уровню 3 dB (Δf), которая связана с шириной полосы пропускания фильтра (Δf_n):

где q₁ - значение первого элемента фильтра-прототипа, определяемое параметрами фильтра (вид характеристики, неравномерность характеристики, коэффициент прямоугольность, число звеньев).

Реализуемая полоса фильтра в q₁ раз больше ширины резонансной кривой резонатора. В зависимости от параметров фильтра значение q₁ для фильтра с характеристикой Чебышева наиболее часто составляет от 0,7 до 2,13.

Анализировался входной резонатор размерами 3,7×3,7×2,2 мм, с диэлектрической проницаемостью материала ε=10, с элементом связи аналога в виде отрезка копланарной линии, закороченной на конце, и с заявляемым элементом связи (ширина щели элемента связи bz=0,3 мм).

Результаты моделирования показывают, что предлагаемый элемент позволяет увеличить реализуемый диапазон ширины полосы пропускания фильтра более чем в 2 раза.

Элемент связи керамического волноводного фильтра с линиями передачи работает следующим образом:

После поступления СВЧ сигнала по входной линии в отрезке копланарной линии и щели возбуждается электромагнитное поле, у которого силовые линии магнитного поля по направлению совпадают с силовыми линиями магнитного поля входного резонатора фильтра, работающего на колебаниях типа H₁₀₁ прямоугольного резонатора. Потокосцепление магнитных полей элемента связи и входного резонатора осуществляет эффективный ввод энергии из входной линии в фильтр, представляющий собой цепочку резонаторов с непосредственной связью. Вывод энергии осуществляется в обратном порядке посредством выходного элемента связи.

Настройка элементов связи на оптимальное согласование фильтра с входными и выходными линиями связи производится путем подбора длины щели связи.

Литература

[1] Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, Г.Л. Маттей, Л. Янг, Е.М.Т. Джонс, т. 2, 1988, 495 с.

[2] Справочник по элементам полосковой техники / Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.И., Фельдштейн А.Л. / под ред. А.Л. Фельдштейна. - М.: Связь, 1979.

Использование: в радиотехнике СВЧ и предназначено для использования, преимущественно, в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн. Сущность: предложен керамический СВЧ фильтр, состоящий из металлизированного керамического блока в форме прямоугольного параллелепипеда, в котором сформирована цепочка объемных резонаторов с непосредственной связью, а расположенные на торцевых гранях с переходом на нижнюю грань блока входные и выходные элементы связи выполнены в виде последовательного соединения индуктивной щели и отрезка копланарной линии. Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение возможностей настройки фильтра, позволяющих реализовать согласование фильтра с входными и выходными линиями для большего диапазона значений параметров фильтра на основе базового керамического блока. 5 ил.

Волноводный керамический СВЧ фильтр в форме прямоугольного параллелепипеда из термостабильного керамического материала, на всех гранях которого нанесена металлизация, в котором сформированы цепочка объемных резонаторов, входной и выходной элементы связи, отличающийся тем, что входной и выходной элементы связи на торцевых гранях блока выполнены в виде последовательного соединения индуктивной щели и отрезка копланарной линии.