ФИЛЬТР ПОДАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ Российский патент 2016 года по МПК H03H1/02 H01G17/00 H05K1/16 H05K1/14 

Изобретение относится к области техники сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть применено для подавления электромагнитных помех в цепях питания постоянного тока электронных устройств ВЧ и СВЧ диапазонов, расположенных в модуле СВЧ [1], выполненном в виде многослойной диэлектрической структуры.

Известен индуктивно-емкостной фильтр нижних частот, содержащий чередующиеся подложки в виде внешних металлизированных обкладок из пъезокерамики, плоские катушки индуктивности на ферритовой подложке с максимально возможной проницаемостью, а также расположенный между ними электростатический экран. Данный фильтр предназначен для подавления помех в цепях питания телекоммуникационной аппаратуры, ВЧ и СВЧ техники, а также в других устройствах цифровой обработки сигналов [2].

Основные недостатки данного индуктивно-емкостного фильтра нижних частот:

- невозможность его выполнения в едином технологическом цикле с модулем СВЧ, выполненном в виде многослойной диэлектрической структуры, из-за использования в качестве материала подложки композиционного магнитоэлектрического материала состава феррит - пьезокерамика,

- низкая эффективность в дециметровом диапазоне частот, обусловленная наличием паразитных межвитковых емкостей, снижающих передаточный импеданс фильтра на высоких частотах; наличие только одного электростатического экрана между плоскими катушками не позволяет эффективно реализовать электромагнитную экранировку на высоких частотах, что приводит к возникновению паразитной межслойной емкости и снижению передаточного импеданса фильтра,

- слабая электромагнитная экранировка из-за отсутствия внешних конструктивных экранирующих элементов.

Известны фильтры электромагнитных помех, содержащие не менее одной пары оппозитно расположенных плоских спиральных катушек индуктивности без сердечника и плоский конденсатор [3]. Данные фильтры предназначены для подачи питания на электронные устройства и применяются в диапазоне ультравысоких частот, могут быть сконструированы на печатных платах и подложках из полупроводникового материала.

Данные фильтры электромагнитных помех, в отличие от первого аналога, выполняются на печатных диэлектрических платах и могут быть выполнены в едином технологическом цикле с многослойной диэлектрической структурой модуля СВЧ. Но такие фильтры изначально предназначены для применения в высокочастотных преобразователях энергии и могут использоваться как в четырехполюсных схемах, так и в шестиполюсных схемах (дифференциальный режим). Фильтры обладают следующими недостатками:

- структура фильтров не оптимальна для использования в четырехполюсных схемах, так как индуктивные и емкостные элементы не соединены между собой и для выполнения коммутационных элементов потребуется дополнительное место,

- слабая электромагнитная экранировка из-за отсутствия внешних конструктивных экранирующих элементов, вследствие чего при размещении нескольких таких фильтров в многослойной структуре модуля СВЧ в непосредственной близи друг от друга между их элементами может возникнуть значительная электромагнитная связь, снижающая эффективность подавления электромагнитных помех.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности подавления электромагнитных помех и электромагнитной экранировки фильтра в дециметровом диапазоне длин волн, совместимости технологии его изготовления с технологией изготовления многослойной диэлектрической структуры модуля СВЧ.

Указанный технический результат достигается тем, что фильтр подавления электромагнитных помех (ФПЭП) выполнен в виде многослойной структуры, изготавливаемой в едином технологическом цикле с модулем СВЧ, при этом многослойная структура состоит не менее чем из одиннадцати диэлектрических слоев. На первом слое выполнены две металлизированные площадки, разделенные зазором. Первая площадка соединена с первой металлизированной плоскостью, выполненной на втором слое и являющейся первой обкладкой первого конденсатора. Вторая площадка, являющаяся выходом фильтра, соединена через окошко в первой металлизированной плоскости со второй обкладкой первого конденсатора, выполненной в виде прямоугольной металлизированной площадки на третьем слое. Первая металлизированная плоскость соединена с первой металлизированной рамкой, расположенной по периметру третьего слоя и отделенной зазором от второй обкладки первого конденсатора. Вторая обкладка первого конденсатора соединена с первой индуктивностью, расположенной на четвертом слое и выполненной в виде металлизированной спирали. Первая металлизированная рамка соединена со второй металлизированной рамкой, расположенной по периметру четвертого слоя и отделенной зазором от первой индуктивности. Противоположный вывод первой индуктивности соединен с первой обкладкой второго конденсатора, выполненной в виде прямоугольной металлизированной площадки на пятом слое. Вторая металлизированная рамка соединена с третьей металлизированной рамкой, расположенной по периметру пятого слоя и отделенной зазором от первой обкладки второго конденсатора. Третья металлизированная рамка соединена со второй металлизированной плоскостью, выполненной в шестом слое и являющейся второй обкладкой второго конденсатора. Первая обкладка второго конденсатора соединена через окошко во второй металлизированной плоскости с первой обкладкой третьего конденсатора, выполненной в виде прямоугольной металлизированной площадки на седьмом слое. Вторая металлизированная плоскость соединена с четвертой металлизированной рамкой, расположенной по периметру седьмого слоя и отделенной зазором от первой обкладки третьего конденсатора. Четвертая металлизированная рамка с третьей металлизированной плоскостью, выполненной на восьмом слое. Вторая и третья металлизированные плоскости являются вторыми обкладками третьего конденсатора. Первая обкладка третьего конденсатора соединена через окошко в третьей металлизированной плоскости с первой обкладкой четвертого конденсатора, выполненной в виде прямоугольной металлизированной площадки на девятом слое, причем второй обкладкой четвертого конденсатора является третья металлизированная плоскость. Третья металлизированная плоскость соединена с пятой металлизированной рамкой, расположенной по периметру девятого слоя и отделенной зазором от первой обкладки четвертого конденсатора. Первая обкладка четвертого конденсатора соединена со второй индуктивностью, расположенной на десятом слое и выполненной в виде металлизированной спирали, а также с первой обкладкой пятого конденсатора, выполненной в виде прямоугольной металлизированной площадки на одиннадцатом слое. Пятая металлизированная рамка соединена с шестой металлизированной рамкой, расположенной по периметру десятого слоя и отделенной зазором от второй индуктивности. Противоположный вывод второй индуктивность является входом фильтра, для подключения к которому в шестой металлизированной рамке предусмотрен разрыв. Шестая металлизированная рамка соединена с седьмой металлизированной рамкой, расположенной по периметру одиннадцатого слоя и отделенной зазором от первой обкладки пятого конденсатора. Седьмая металлизированная рамка соединена с четвертой металлизированной плоскостью, выполненной на обратной стороне одиннадцатого слоя и являющейся второй обкладкой пятого конденсатора. Все межслойные соединения элементов фильтра выполнены при помощи не менее чем одного переходного металлизированного отверстия, а межслойные соединения металлизированных плоскостей и металлизированных рамок выполнены переходными металлизированными отверстиями, расположенными по периметру структуры, у ее краев, в один ряд. На первом слое размещен не менее чем один конденсатор для поверхностного монтажа, соединенный с металлизированными площадками.

Металлизированные плоскости и металлизированные рамки, соединенные между собой переходными металлизированными отверстиями, проходящими по периметру структуры со второго слоя до обратной стороны одиннадцатого слоя, образуют электромагнитный экран фильтра.

Изобретение поясняется чертежами.

На фигуре 1 приведена послойная структура ФПЭП.

На фигуре 2 приведена эквивалентная схема ФПЭП.

На фигуре 3 представлен коэффициент передачи изготовленного ФПЭП.

Структура ФПЭП (фиг. 1) содержит одиннадцать диэлектрических слоев - с 1 по 11 соответственно. На слое 1 на металлизированных площадках 12 и 13 установлен конденсатор для поверхностного монтажа 14. Площадка 12 является выходом фильтра. Площадка 13 соединена с первой металлизированной плоскостью 15, выполненной на слое 2 и являющейся первой обкладкой первого конденсатора. В первой металлизированной плоскости 15 выполнено окошко 16 для соединения площадки 12 со второй обкладкой первого конденсатора 17, расположенной на слое 3. Вокруг обкладки 17 выполнена первая металлизированная рамка 18. На слое 4 выполнена первая индуктивность 19, вокруг которой расположена вторая металлизированная рамка 20. На слое 5 выполнена первая обкладка второго конденсатора 21 и расположенная вокруг нее третья металлизированная рамка 22. На слое 6 расположена вторая металлизированная плоскость 23, являющаяся второй обкладкой второго конденсатора, в которой выполнено окошко 24 для соединения обкладки 21 с первой обкладкой третьего конденсатора 25, расположенной на слое 7. На слое 7 вокруг обкладки 25 выполнена четвертая металлизированная рамка 26. На слое 8 выполнена третья металлизированная плоскость 27, являющаяся одновременно со второй металлизированной плоскостью 23 второй обкладкой третьего конденсатора. В третьей металлизированной плоскости 27 выполнено окошко 28 для соединения обкладки 25 с первой обкладкой четвертого конденсатора 29, расположенной на слое 9. Второй обкладкой четвертого конденсатора является третья металлизированная плоскость 27. На слое 9 вокруг обкладки 29 выполнена пятая металлизированная рамка 30. На слое 10 выполнена вторая индуктивность 31, вокруг которой расположена шестая металлизированная рамка 32. В рамке 32 предусмотрен разрыв для реализации входа фильтра, образованного одним из выводов индуктивности 31. На слое 11 расположена первая обкладка пятого конденсатора 33, вокруг которой выполнена седьмая металлизированная рамка 34. На обратной стороне слоя 11 выполнена четвертая металлизированная плоскость 35, являющаяся второй обкладкой пятого конденсатора.

На структуре ФПЭП (фиг. 1) условно показаны соединения элементов фильтра, не относящихся к элементам электромагнитного экрана.

На эквивалентной схеме ФПЭП (фиг. 2) емкости C1…С5 и индуктивности L1, L2 реализованы в многослойной структуре в виде распределенных элементов, а емкость С* выполнена в виде конденсатора для поверхностного монтажа.

Осуществление изобретения.

В качестве примера, ФПЭП выполнен на основе низкотемпературной совместно обжигаемой керамики по технологии LTCC. Первый, четвертый, пятый, шестой, седьмой, десятый и одиннадцатый слои структуры выполнены из керамики A6S фирмы FERRO толщиной до обжига 0,254 мм. Прочие слои структуры выполнены из той же керамики, но толщиной 0,127 мм. Такой выбор толщины слоев, а также взаимное расположение слоев позволяет уменьшить погонную емкость индуктивностей, увеличивая тем самым их волновые сопротивления, а также получить более высокую погонную емкость конденсаторов.

Применение конденсатора для поверхностного монтажа позволяет повысить вносимое фильтром затухание в области низких частот.

При габаритных размерах фильтра 5×5 мм, емкости конденсатора для поверхностного монтажа C1, равной 270 пФ, ширине проводников, образующих индуктивности, равной 0,15 мм и количестве ее витков, равном четырем, зазорах между обкладками конденсаторов и рамками, равных 0,15 мм, диаметре переходных отверстий 0,2 мм - вносимое затухание ФПЭП составит более 30 дБ в диапазоне частот от 500 МГц до 3000 МГц (фиг. 3). Коэффициент передачи между двумя выходами ФПЭП при объединенных входах и расположении ФПЭП в непосредственной близи друг от друга, составляет не более минус 55 дБ в диапазоне частот от 0 до 3000 МГц.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность подавления электромагнитных помех и электромагнитной экранировки фильтра в дециметровом диапазоне длин волн, при этом технология его изготовления совместима с технологией изготовления многослойной структуры модуля СВЧ.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 23221-78 Модули СВЧ, блоки СВЧ. Термины, определения и буквенные обозначения. - М.: Издательство стандартов, 1986. - 17 с.

2. Патент №2373621 РФ, МПК H02J 1/02 (2009.11). Фильтр подавления электромагнитных помех / Бичурин М.И., Килиба Ю.В., Пукинский Ю.Ж.

3. Патент 20090146755 A1 US, МПК Н04В 3/56, Н03Н 7/00 (2009.07). Planar emi filter / Xun Liu, Chi Kwan Lee, Ron Shu Yuen Hui (прототип).

Изобретение может быть применено для подавления электромагнитных помех в цепях питания постоянного тока электронных устройств ВЧ и СВЧ диапазонов. Технический результат - повышение эффективности подавления электромагнитных помех и электромагнитной экранировки фильтра в дециметровом диапазоне длин волн, а также совместимости технологии изготовления фильтра с технологией изготовления многослойной структуры модуля СВЧ. Достигается тем, что многослойная структура фильтра состоит не менее чем из одиннадцати диэлектрических слоев. На диэлектрических слоях располагаются последовательно соединенные между собой при помощи переходных отверстий не менее пяти обкладок плоских конденсаторов и не менее двух прямоугольных спиральных индуктивностей, а также четыре металлизированные плоскости, являющиеся вторыми обкладками конденсаторов. По периметру слоев выполнены металлизированные рамки, соединенные между собой и металлизированными плоскостями при помощи переходных отверстий. Рамки отделены от обкладок конденсаторов и индуктивностей зазорами. Соединенные между собой металлизированные рамки и плоскости образуют электромагнитный экран фильтра. На первом слое структуры на двух металлизированных площадках располагается не менее чем один конденсатор поверхностного монтажа, соединенный при помощи переходных отверстий с элементами фильтра. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Фильтр подавления электромагнитных помех, содержащий последовательно соединенные конденсаторы и катушки индуктивности, отличающийся тем, что фильтр выполнен в виде многослойной структуры, изготавливаемой в едином технологическом цикле с модулем СВЧ, при этом многослойная структура состоит не менее чем из одиннадцати диэлектрических слоев, на первом слое выполнены две металлизированные площадки, разделенные зазором, одна из которых соединена с первой металлизированной плоскостью, выполненной на втором слое и являющейся первой обкладкой первого конденсатора, другая площадка, являющаяся выходом фильтра, соединена через окошко в первой металлизированной плоскости со второй обкладкой первого конденсатора, выполненной в виде прямоугольной металлизированной площадки на третьем слое, первая металлизированная плоскость соединена с первой металлизированной рамкой, расположенной по периметру третьего слоя и отделенной зазором от второй обкладки первого конденсатора, вторая обкладка первого конденсатора соединена с первой индуктивностью, расположенной на четвертом слое и выполненной в виде металлизированной спирали, первая металлизированная рамка соединена со второй металлизированной рамкой, расположенной по периметру четвертого слоя и отделенной зазором от первой индуктивности, противоположный вывод первой индуктивности соединен с первой обкладкой второго конденсатора, выполненной в виде прямоугольной металлизированной площадки на пятом слое, вторая металлизированная рамка соединена с третьей металлизированной рамкой, расположенной по периметру пятого слоя и отделенной зазором от первой обкладки второго конденсатора, третья металлизированная рамка соединена со второй металлизированной плоскостью, выполненной на шестом слое и являющейся второй обкладкой второго конденсатора, первая обкладка второго конденсатора соединена через окошко во второй металлизированной плоскости с первой обкладкой третьего конденсатора, выполненной в виде прямоугольной металлизированной площадки на седьмом слое, вторая металлизированная плоскость соединена с четвертой металлизированной рамкой, расположенной по периметру седьмого слоя и отделенной зазором от первой обкладки третьего конденсатора, четвертая металлизированная рамка соединена с третьей металлизированной плоскостью, выполненной на восьмом слое, при этом вторая и третья металлизированные плоскости являются вторыми обкладками третьего конденсатора, первая обкладка третьего конденсатора соединена через окошко в третьей металлизированной плоскости с первой обкладкой четвертого конденсатора, выполненной в виде прямоугольной металлизированной площадки на девятом слое, при этом второй обкладкой четвертого конденсатора является третья металлизированная плоскость, третья металлизированная плоскость соединена с пятой металлизированной рамкой, расположенной по периметру девятого слоя и отделенной зазором от первой обкладки четвертого конденсатора, первая обкладка четвертого конденсатора соединена со второй индуктивностью, расположенной на десятом слое и выполненной в виде металлизированной спирали, а также с первой обкладкой пятого конденсатора, выполненной в виде прямоугольной металлизированной площадки на одиннадцатом слое, пятая металлизированная рамка соединена с шестой металлизированной рамкой, расположенной по периметру десятого слоя и отделенной зазором от второй индуктивности, противоположный вывод второй индуктивности является входом фильтра, для подключения к которому в шестой металлизированной рамке предусмотрен разрыв, шестая металлизированная рамка соединена с седьмой металлизированной рамкой, расположенной по периметру одиннадцатого слоя и отделенной зазором от первой обкладки пятого конденсатора, седьмая металлизированная рамка соединена с четвертой металлизированной плоскостью, выполненной на обратной стороне одиннадцатого слоя и являющейся второй обкладкой пятого конденсатора.

2. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что все межслойные соединения его элементов выполнены при помощи не менее чем одного переходного металлизированного отверстия.

3. Фильтр по п. 2, отличающийся тем, что межслойные соединения металлизированных плоскостей и металлизированных рамок выполнены переходными металлизированными отверстиями, расположенными по периметру структуры, у ее краев, в один ряд.

4. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что на первом слое размещены k конденсаторов для поверхностного монтажа, соединенных с металлизированными площадками, причем k≥1.

5. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что многослойная структура состоит из h диэлектрических слоев, причем h≥11, на каждом слое, начиная с двенадцатого, расположены соединенные со входом фильтра и между собой либо обкладки конденсаторов и отделенные от них зазором металлизированные рамки, либо катушки индуктивности и отделенные от них зазором металлизированные рамки, либо металлизированные плоскости, либо слои оставлены пустыми.