Микрополосковый полосно-пропускающий СВЧ-фильтр Российский патент 2023 года по МПК H01P1/203 

Назначение

Изобретение относится к СВЧ-радиотехнике, в частности к фильтрам и может быть использовано в селективных трактах приемных и передающих систем, а также в составе комплекта испытательного, служащего для наземных испытаний, например, аппаратуры для космических аппаратов.

Уровень техники

Частотно-селективные устройства являются неотъемлемой составной частью любой системы связи.

Современные системы связи, особенно спутниковые системы и системы связи с подвижными объектами, требуют наличия в своем составе надежных, отвечающим высоким требованиям по электрическим и массо-габаритным параметрам, а также частотно-селективным свойствам СВЧ-фильтров.

Кроме того, использование мощных передающих систем связи, например, для передачи целевой информации требует измерительные фильтры для измерения характеристик телекомандной системы. При этом, требуются комбинированные фильтры, обеспечивающие в узкополосном диапазоне фильтрации электромагнитных волн несущественное затухание и в то же время в заданной полосе более высоких частот затухания существенно большего.

Как показывает анализ современного построения СВЧ-фильтров, в настоящее время широко используются микрополосковые полосно-пропускающие СВЧ-фильтры, в которых применяется принцип чередования узких и широких полосковых проводников различной длины и ширины линии передачи, расположенных на диэлектрической подложке, позволяющий реализовать большие скачки волновых сопротивлений отрезков линий передачи (см., например, патенты №№2475900, 2480866, 2675206, 2607303 и т.д.).

Известен фильтр на основе полоскового резонатора (патент, РФ, №2402121), содержащий подвешенную между двумя экранами диэлектрическую подложку, на обе поверхности которой нанесены полосковые металлические проводники, электромагнитно связанные между собой. На первой поверхности подложки проводник разомкнут на концах и выполнен в виде шпильки. На второй поверхности подложки проводники расположены под разомкнутыми концами проводника, расположенного на первой поверхности, и замкнуты на экран смежными концами с одного края подложки. Кроме того, на второй поверхности подложки расположен дополнительный проводник, замкнутый на экран одним концом).

Недостатком описанного полосно-пропускающего фильтра является низкая технологичность изготовления, так как для крепления подвешенной подложки и полноценного функционирования устройства необходим специальный корпус с верхним и нижним заземленными экранами, на которые замкнуты полосковые проводники.

Известен микрополосковый широкополосный полосно-пропускающий фильтр (патент, РФ, №2504870), содержащий диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземленное основание, а на вторую сторону параллельно друг другу нанесены прямолинейные полосковые проводники резонаторов, и дополнительные полосковые проводники, боковые стороны которых соединены с соседствующими резонаторами, причем проводники наружных резонаторов одним концом короткозамкнуты, а дополнительные полосковые проводники разомкнуты. Фильтр работает следующим образом. Входная и выходная линии передачи подключаются к проводникам, причем расстояние от заземленных концов проводников до точек подключения внешних линий передачи определяется заданным уровнем отражений в полосе пропускания фильтра. Сигналы, частоты которых попадают в полосу пропускания, проходят на выход фильтра с минимальными потерями, в то время как на частотах вне полосы пропускания происходит отражение сигналов от входа устройства.

Недостатком прототипа является невысокие частотно-селективные свойства фильтра, обусловленные слабой крутизной низкочастотного склона полосы пропускания и сравнительно узкой высокочастотной полосой заграждения.

Известен микрополосковый широкополосный фильтр (патент, РФ, №2644976), который является наиболее близким к предлагаемому изобретению и взятый авторами за прототип.

Данный микрополосковый широкополосный фильтр прототипа, содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую - полосковые проводники, электромагнитно связанные между собой. Узкие и широкие прямоугольные полосковые проводники соединены друг с другом в форме нерегулярного меандра, его крайние узкие проводники со стороны свободных концов заземлены на основание, причем входной и выходной порты фильтра подключены кондуктивно к крайним широким проводникам меандра через отрезки микрополосковых линий со скачком волнового сопротивления.

Недостатком прототипа является наличие короткозамыкателей, а так же побочных каналов приема, что приводит к снижению достижения требуемых селективных свойств микрополоскового полосно-пропускающий СВЧ-фильтра и обеспечения высокой технологичности его изготовления.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей частотно-селективных свойств микрополоскового полосно-пропускающего СВЧ-фильтра при достижении высокой надежности и обеспечении высокой технологичности его изготовления.

Раскрытие изобретения

Сущность предлагаемого микрополоскового полосно-пропускающего СВЧ-фильтра заключается в расширении функциональных возможностей частно-селективных свойств путем формирования заданных частотных диапазонов фильтрации электромагнитных волн с требуемыми затуханиями:

• узкополосного диапазона фильтрации электромагнитных волн в заданном частотном диапазоне (от f₁ до f₂) с несущественным затуханием;

• формирование в полосе более высоких частот (от f₃ до f₄) существенного затухания.

Микрополосковый полосно-пропускающий СВЧ-фильтр включает в себя двухстроннюю плату, имеющую диэлектрическую подложку, на одну поверхность которой нанесено заземляемое основание, а на вторую поверхность нанесен полосковый проводник.

Двухстронняя плата с полосковым проводником, выполненная в виде последовательно соединенных отдельных проводников прямоугольной формы различной длины и ширины, закрепляется на одной стороне в корпусе фильтра, при этом вход и выход полоскового проводника кондуктивно соединены через согласующие отдельные проводники прямоугольной формы с соединителями радиочастотными коаксиальными, установленными, соответственно на входе и выходе корпуса фильтра, а заземляемое основание диэлектрической подложки соединено с корпусом фильтра с помощью винтов, при этом, корпус фильтра, имеющий регулировочные винты в крышке корпуса, является запредельным волноводом на высоких частотах.

В результате расширяются функциональные возможности частотно-селективных свойств микрополоскового полосно-пропускающего СВЧ-фильтра при достижении высокой надежности и обеспечении высокой технологичности его изготовления.

Узкие участки отдельных проводников полоскового проводника имеют повышенное волновое сопротивление и вследствие этого имеют индуктивный характер.

Участки отдельных проводников полоскового проводника с большой шириной являются короткозамыкающими разомкнутыми четвертьволновыми шлейфами для частот в диапазоне от f₃ до f₄.

Средний участок отдельного проводника в полосковом проводнике служит для согласования сопротивления на рабочих частотах от f₁ до f₂.

Регулировочные винты в крышке служат для дополнительной фильтрации в диапазоне от f₃ до f₄.

На частотах в диапазоне от f₃ до f₄ корпус является волноводом и внутреннее сечение корпуса (куда помещен полосковый проводник), выбрано таким образом, что он является запредельным волноводом для этих частот.

Графические иллюстрации

На фигуре 1 приведена общая структурная схема микрополоскового полосно-пропускающего СВЧ-фильтра, содержащая составляющие с обозначенными цифрами позициями:

• 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13 - отдельные проводники;

• 14-1 - входной соединитель радиочастотный коаксиальный;

• 14-2 - выходной соединитель радиочастотный коаксиальный;

• 15 - корпус фильтра;

• 16 - двухсторонняя плата;

• 16-1 - заземляемое основание;

• 1-13 - полосковый проводник.

На фигуре 2 приведен общий внешний вид корпуса фильтра микрополоскового полосно-пропускающего СВЧ-фильтра, содержащего составляющие с обозначенными цифрами позициями:

• 17 - крышка;

• 18-1, 18-2…18-n - винты крепления крышки;

• 19 - регулировочные винты.

На фигуре 3 приведен общий внешний вид корпуса фильтра микрополоскового полосно-пропускающего СВЧ-фильтра с открытой крышкой, содержащего составляющие с обозначенными цифрами позициями:

• 20-1, 20-2…20-k - винты крепления двухсторонней платы к корпусу фильтра.

На фигуре 4 приведен общий внешний вид крышки корпуса фильтра микрополоскового полосно-пропускающего СВЧ-фильтра, содержащего составляющие с обозначенными цифрами позициями:

• 19-1, 19-2…19-m - отверстия с резьбой для регулировочных винтов.

На фигуре 5 представлена типовая обобщенная характеристика полосового фильтра и принятые ее условные обозначения.

На фигуре 6 представлены снятые показатели затухания в полосе пропускания от f₁=2020 МГц до f₂=2115 МГц в опытном образце.

На фигуре 7 представлены снятые показатели затухания в полосе заграждения о от f₃=8020 МГц до f₄=8415 МГц в опытном образце.

На фигуре 8 представлены снятые показатели КСВ опытного образца.

Осуществление изобретения

Микрополосковый полосно-пропускающий СВЧ-фильтр, включающий в себя двухстроннюю плату 16, имеющую диэлектрическую подложку, на одну поверхность которой нанесено заземляемое основание 16-1, а на вторую поверхность нанесен полосковый проводник 1-13.

В устройстве двухстронняя плата 16 с полосковым проводником 1-13, выполненным в виде последовательно соединенных отдельных проводников 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13 прямоугольной формы различной длины и ширины, закрепляется на одной стороне в корпусе фильтра 15, при этом вход и выход полоскового проводника 1-13 кондуктивно соединены через согласующие отдельные проводники 1,13 прямоугольной формы с соединителями радиочастотными коаксиальными 14-1, 14-2, установленными, соответственно на входе и выходе корпуса фильтра 15, а заземляемое основание 16-1 диэлектрической подложки соединено с корпусом фильтра 15 с помощью винтов 20-1, 20-2…20-k, прикручивающих двухстроннюю плату 16 к корпусу фильтра 15, при этом, корпус фильтра 15, имеющий регулировочные винты 19, закручиваемые в отверстия с резьбой для регулировочных винтов 19-1, 19-2…19-m, находящихся в крышке корпуса 17, прикрученной к корпусу 17 с помощью винтов крепления крышки 18-1, 18-2…18-n, является запредельным волноводом на высоких частотах.

Описание изобретения.

Отличительной особенностью предлагаемого микрополоскового полосно-пропускающего СВЧ-фильтра является значительная разница между диапазонами частот пропускания и задерживания. При этом, применение печатной технологии при изготовлении фильтра значительно упрощает конструкцию и его надежность. Как было показано выше, требуется микрополосковый полосно-пропускающий СВЧ-фильтр, формирующий заданные частотные диапазоны фильтрации электромагнитных волн с требуемыми затуханиями:

• узкополосного диапазона фильтрации электромагнитных волн в заданном частотном диапазоне (от f₁ до f₂) с несущественным затуханием;

• формирование в полосе более высоких частот (от f₃ до f₄) существенного затухания.

В качестве примера при описании предлагаемого изобретения рассмотрим измерительный фильтр для измерения характеристик телекомандной системы при использование мощных передающих систем связи, например, для передачи целевой информации. При этом, измерительный фильтр является микрополосковый полосно-пропускающим СВЧ-фильтром, который должен обладать следующими свойствами:

• в узкополосном диапазоне фильтрации электромагнитных волн в полосе частот от f₁=2020 МГц до f₂=2115 МГц фильтр должен иметь затухание не более 3 дБ;

• в полосе частот от f₃=8020 МГц до f₄=8415 МГц фильтр должен иметь затухание не менее 30 дБ;

• коэффициент стоячей волны (КСВ) должен быть не более 1,5.

Предлагаемый микрополосковый полосно-пропускающий СВЧ-фильтр (см. фиг. 1) содержит двухстороннюю плату 16, основой которой является диэлектрическая подложка, имеющая с одной стороны последовательно соединенные микрополосковые отдельные проводники различной длины и ширины (1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13), а со второй стороны диэлектрическая подложка полностью покрыта медной фольгой, которая является токопроводящим заземляемым основанием 16-1 (обратную сторону двухсторонней платы 16, на фиг. 1 не видно, поэтому позиция 16-1 показана пунктирной линией).

В качестве материала для изготовления двухсторонней платы 16 может быть использован, например, материал ФАФ-4Д толщиной 1,5 мм, который представляет собой армированный стеклотканью фторопласт-4Д, облицованный с обеих сторон медной фольгой толщиной 0,05 мм.

Двухсторонняя плата 16 закрепляется на одной стороне корпуса фильтра 15 с помощью винтов 20-1, 20-2, … 20-k (см. фиг. 3). При этом заземляемое основание диэлектрической подложки двухсторонней платы 16 соединяется непосредственно с корпусом фильтра 15, который является землей.

Вход и выход полоскового проводника 1-13 кондуктивно соединены через согласующие проводники прямоугольной формы, соответственно 1 и 13 с соединителями радиочастотными коаксиальными (проводники прямоугольной формы 1 и 13 припаиваются к соединителям радиочастотным коаксиальным 14-1 и 14-2), соответственно 14-1 и 14-2, установленными, на входе и выходе корпуса фильтра 15 симметрично относительно продольной оси и не возбуждают волны в нужной диапазоне частот.

В качестве соединителей радиочастотных коаксиальных 14-1 и 14-2 можно использовать, соединители радиочастотные коаксиальные типа III по ГОСТ 20265-83, например, СР-50-439 ФВ с значением волнового сопротивления 50 Ом.

Полосковый проводник 1-13 симметричен относительно продольной оси корпуса волновода 15 (расположение отдельных проводников симметрично относительно продольной оси в корпусе фильтра 15), что способствует уменьшению возбуждения волновода для низшего типа волн Н₁₀ (волновод спроектирован таким образом, чтобы в нем распространялась одна основная волна).

Полосковый проводник 1-13 имеет первый и второй фильтры, состоящие из отдельных проводников прямоугольной формы, с обозначенными цифрами позициями:

• первый фильтр - 2, 3, 4, 5, 6;

• второй фильтр - 8, 9, 10, 11, 12,

которые одним выводом проводников прямоугольной формы 6 и 8 соединены кондуктивно между собой через согласующий проводник прямоугольной формы 7, имеющем индуктивный характер. Вторые выводы первого и второго фильтров соединены кондуктивно, через согласующие проводники прямоугольной формы 1 и 13, имеющими индуктивный характер, с соединителями радиочастотными коаксиальными 14-1 и 14-2, установленными на входе и выходе корпуса фильтра 15:

• вывод отдельного проводника 2 прямоугольной формы через согласующий отдельный проводник 1 прямоугольной формы соединен с входным соединителем радиочастотным коаксиальным 14-1;

• вывод отдельного проводника 12 прямоугольной формы через согласующий отдельный проводник 13 прямоугольной формы соединен с выходным соединителем радиочастотным коаксиальным 14-2.

Первый и второй фильтры являются идентичными и расположены на полосковом проводнике 16 симметрично относительно его середины.

Узкие участки отдельных проводников прямоугольной формы 1, 4, 7, 10, 13 имеют повышенное волновое сопротивление и вследствие этого приобретают индуктивный характер. Участки отдельных проводников прямоугольной формы 2, 5, 9, 12 с большой шириной являются сдвоенными по обе стороны короткозамыкающими разомкнутыми четвертьволновыми шлейфами для частот в диапазоне от f₃ до f₄, а для частот в диапазоне от f₁ до f₂ - емкостями. Участки проводников прямоугольной формы 3, 6, 8 и 11 являются несимметричными полосковыми линиями.

Последовательно соединенные отдельные проводники прямоугольной формы, имеющие индуктивный (L_i) и емкостной (C_i) характер в первом фильтре и последовательно соединенные отдельные проводники прямоугольной формы, имеющие емкостной (C_i) и индуктивный (L_i) характер во втором фильтре, определяемые геометрическими размерами по длине и ширине отдельных проводников прямоугольной формы, образуют в диапазоне частот от f₁ до f₂ последовательные согласующие или г-образные контуры с резонансной частотой f_pi, определяемой выражением (см., например, Матвиенко В.А. Основы теории цепей. Учебное пособие. Екатеринбург, 2016. С. 96):

где индекс i означает каждый отдельный проводник прямоугольной формы.

Совокупность последовательно соединенных колебательных контуров первого и второго фильтров формируют полосовой фильтр, типовая обобщенная характеристика которого и принятые ее условные обозначения представлена на фиг. 5. Типовая обобщенная характеристика полосового фильтра представлена в виде зависимости коэффициента передачи фильтра (К_р) от частоты (f). Коэффициент передачи фильтра (К_р) отражает отношение напряжения на нагрузке с фильтром (U₂) к напряжению без фильтра (U₁) и описывается выражением (см. Пассивные помехоподавляющие устройства. На сайте: http://antenna.psuti.ru/uploads/ruzhnikov/emc/003.pdf):

Первый фильтр представляет собой фильтр низкой частоты и обеспечивает формирование спада полосового фильтра, а второй фильтр представляет собой фильтр высокой частоты и обеспечивает формирование фронта полосового узкополосного фильтра (см. фиг. 5).

В виду того, что первый и второй фильтры идентичны по отдельным проводникам и симметрично расположены относительно середины полоскового проводника 1-13, совокупностью резонансных частот первого, а также второго фильтров задается средняя частота фильтра (f_cp=(f₁+f₂)/2).

Проводник 7 является согласующим для первого и второго фильтров, с помощью которого компенсируются отклонения средней частоты (f_cp) от середины полосы пропускания узкополосного фильтра.

Корпус фильтра 15, выполняющий роль волновода, имеет вытянутую форму для увеличения затухания частот в диапазоне от f₃ до f₄.

Он может быть выполнен, например, из алюминиевого сплава. Поскольку на частотах в районе f₃ корпус фильтра может являться волноводом, то это должно учитываться при разработке и сечение корпуса внутри фильтра должно быть выбрано таким образом, чтобы он являлся запредельным волноводом в диапазоне от f₃ до f₄.

К корпусу фильтра 15 с помощью винтов крепления крышки 18-1, 18-2…18-n прикручивается крышка 17 (см. фиг. 2). Высота полости крышки 17 должна быть минимальной, но достаточной для того чтобы минимизировать влияние металлической поверхности крышки 17 на характеристики полоскового проводника 16.

Например, для фильтра, который приведен в качестве примера, обладающим свойствами, приведенными выше, высота полости крышки 17 составляет не более 10 мм.

Винты 19 (см. фиг. 2), при прикрученной крышке 17, через отверстия на корпусе фильтра 19 закручиваются в отверстия с резьбой для регулировочных винтов 19-1, 19-2…19-m (см. фиг. 4) и служат для дополнительной фильтрации в диапазоне частот от f₃ до f₄.

В качестве материала для изготовления регулировочных винтов 19-1, 19-2…19-m можно использовать стандартный материал, например, сталь с покрытием.

В результате практического исследования предлагаемого изобретения, с целью реализации, указанного выше в описании примера, был изготовлен опытный образец микрополоскового полосно-пропускающего СВЧ-фильтра, в котором были использованы следующие данные составляющих:

• размеры длины и ширины отдельных проводников 1 и 13 равны и составляют 12 мм × 2 мм;

• размеры длины и ширины отдельных проводников 2 и 12 равны и составляют 4 мм × 12 мм;

• размеры длины и ширины отдельных проводников 3 и 11 равны и составляют 12 мм × 4 мм;

• размеры длины и ширины отдельных проводников 4 и 10 равны и составляют 6 мм × 2 мм;

• размеры длины и ширины отдельных проводников 5 и 9 равны и составляют 2 мм × 12 мм;

• размеры длины и ширины отдельных проводников 6 и 8 равны и составляют 15 мм × 4 мм;

• размеры длины и ширины отдельного проводника 7 составляют 23,5 мм × 2 мм;

• длина полоскового проводника 16 составляет 125,5 мм, а ширина - 18 мм;

• ширина полости корпуса фильтра 15 составляет 18 мм. Она выбрана с учетом того, чтобы на указанных частотах корпуса фильтра 15 являлся запредельным волноводом, а так же была возможность разместить крепежные винты;

• внешняя длина корпуса фильтра 15 составляет 128 мм, а ширина равна высоте и составляет 28 мм;

• корпус фильтра 15 выполнен из алюминиевого сплава;

• соединители радиочастотные коаксиальные 14-1 и 14-2 - СР-50-439 ФВ с значением волнового сопротивления 50 Ом.

Примечание - Длина полосковых проводников - это длина вдоль длина корпуса фильтра 15, а ширина - вдоль ширины корпуса фильтра 15.

Получены следующие характеристики опытного образца микрополоскового полосно-пропускающего СВЧ-фильтра:

• затухание в полосе частот от f₁=2020 МГц до f₂=2115 МГц - не более 0,15 дБ;

• затухание в полосе частот от f₃=8020 МГц до f₄=8415 МГц - не менее 46 дБ;

• коэффициент стоячей волны (КСВ) в полосе частот от f₁=2020 МГц до f₂=2115 МГц - составляет не более 1,22.

На фиг. 6 представлены снятые показатели затухания в полосе пропускания от f₁=2020 МГц до f₂=2115 МГц в опытном образце.

На фиг. 7 представлены снятые показатели затухания в полосе заграждения от f₃=8020 МГц до f₄=8415 МГц в опытном образце.

На фиг. 8 представлены снятые показатели КСВ опытного образца.

Полученные показатели характеристик опытного образца микрополоскового полосно-пропускающего СВЧ-фильтра соответствуют и существенно превосходят показатели характеристик выбранного примера.

Таким образом, предлагаемый микрополосковый полосно-пропускающий СВЧ-фильтр имеет следующие достоинства:

• обладает расширенными функциональными возможностями частно-селективных свойств, позволяющими формировать узкополосный диапазон фильтрации электромагнитных волн с несущественным затуханием и формировать полосы более высоких частот с существенным затуханием;

• отсутствие короткозамыкателей и побочных каналов;

• простота конструкции;

• высокая надежность;

• высокая технологичность;

• низкая стоимость.

Изобретение относится к СВЧ-радиотехнике, в частности к фильтрам. Микрополосковый полосно-пропускающий СВЧ-фильтр содержит двухстороннюю плату, имеющую диэлектрическую подложку, на одну поверхность которой нанесено заземляемое основание, а на вторую поверхность нанесен полосковый проводник. Двухсторонняя плата с полосковым проводником, выполненным в виде последовательно соединенных отдельных проводников прямоугольной формы различной длины и ширины, закрепляется на одной стороне в корпусе фильтра, при этом вход и выход полоскового проводника кондуктивно соединены через согласующие отдельные проводники прямоугольной формы с соединителями радиочастотными коаксиальными, установленными соответственно на входе и выходе корпуса фильтра, а заземляемое основание диэлектрической подложки соединено с корпусом фильтра с помощью винтов, при этом корпус фильтра, имеющий регулировочные винты в крышке корпуса, является запредельным волноводом на высоких частотах. Технический результат - расширение функциональных возможностей частотно-селективных свойств микрополоскового полосно-пропускающего СВЧ-фильтра при достижении высокой надежности и обеспечении высокой технологичности его изготовления. 8 ил.

Микрополосковый полосно-пропускающий СВЧ-фильтр, содержащий двухстороннюю плату, имеющую диэлектрическую подложку, на одну поверхность которой нанесено заземляемое основание, а на вторую поверхность нанесен полосковый проводник, отличающийся тем, что двухсторонняя плата с полосковым проводником, выполненным в виде последовательно соединенных отдельных проводников прямоугольной формы различной длины и ширины, закрепляется на одной стороне в корпусе фильтра, при этом вход и выход полоскового проводника кондуктивно соединены через согласующие отдельные проводники прямоугольной формы с соединителями радиочастотными коаксиальными, установленными соответственно на входе и выходе корпуса фильтра, а заземляемое основание диэлектрической подложки соединено с корпусом фильтра с помощью винтов, при этом корпус фильтра, имеющий регулировочные винты в крышке корпуса, является запредельным волноводом на высоких частотах.