Полосковый неотражающий полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр Российский патент 2024 года по МПК H01P1/203 

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, а именно к неотражающим полосно-пропускающим перестраиваемым фильтрам СВЧ.

Известен полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр СВЧ, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями [Патент № 2565369 C2 Российская Федерация, МПК H01P 1/203. полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр СВЧ: № 2013137907/08: заявл. 13.08.2013: опубл. 20.10.2015 / А. К. Балыко, В. Ю. Мякиньков, Л. Г. Савельева [и др.]]. Техническим результатом данного фильтра [1] является расширение полосы пропускания и уменьшение коэффициента отражения в полосе пропускания. Принцип работы полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра СВЧ основывается на образовании каскадного соединения фильтра нижних частот и фильтра верхних частот, полосы пропускания которых изменяются под действием проводимости полевого транзистора с барьером Шотки, соединенного с концами связанных линий. В полосе непропускания фильтр не согласован с внешними нагрузками и имеет коэффициент отражения близкий к единице, т.е. является фильтром отражающего типа. Недостатком фильтра является большой коэффициент отражения в полосе заграждения, что затрудняет его использование в многоканальных устройствах, особенно включающих нелинейные элементы.

Неотражающий полосно-пропускающий фильтр, или квази-поглощающий микрополосковый полосно-пропускающий фильтр на связанных линиях [X. Wu, Y. Li and X. Liu, "High-Order Dual-Port Quasi-Absorptive Microstrip Coupled-Line Bandpass Filters," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 68, no. 4, pp. 1462-1475, April 2020, doi: 10.1109/TMTT.2019.2955692.] содержит отрезки связанных линий, линии передачи, образующие закороченные на конце шлейфы, соединенные через резисторы с отрезками полосковых линий. Резисторы и шлейфы являются частотно- зависимыми нагрузками подводящих линий и одной из связанных полосковых линий. Поскольку короткозамкнутые шлейфы обладают периодически повторяющейся частотной характеристикой, то и фильтр, выключающий такие шлейфы, также обладает периодически повторяющейся полосой пропускания. Так на стр. 5 [2] на рис. 5(d) показаны частотные зависимости коэффициентов передачи и коэффициентов отражения в диапазоне до 6 ГГц, которые имеют три максимума для , причем ограничен величиной -10 дБ, а достигает значения близкого к нулю. Т.е. устройство представляет несимметричный четырехполюсник, согласованный только по входу. Таким образом, предлагаемый неотражающий полосно-пропускающий фильтр [2] обладает недостатком, заключающимся в образовании паразитных полос пропускания и несогласованностью по выходу.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является фильтр, состоящий из 3-дБ моста, диагональные порты которого нагружены каскадно включенными отражающими полосно-запирающими звеньями и резистивными нагрузками [Малютин Н.Д., Лощилов А.Г., Ладур А.А. Цепочки комбинированных фильтров поглощающего типа // 18-я Международная Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрымиКо’2009): материалы конф. в 2 т. - Севастополь: изд-во “Вебер”. 2008. С. 489 - 490.]. Принцип работы этого фильтра СВЧ основан на инверсии частотных характеристик передаточного коэффициента по отношению к отражающим полосно-запирающим звеньям. Однако у данного прототипа фильтра имеются существенные недостатки. Во-первых, так как отражающие полосно-запирающие звенья обладают периодически повторяющейся частотной характеристикой, то и полосно-пропускающий фильтр, основанный на этом принципе, также имеет периодически повторяющуюся полосу пропускания. Это может ограничить его применение в ряде случаев. Во-вторых, использование связанных полосковых линий в отражающих полосно-запирающих звеньях приводит к большим габаритам конструкции этих элементов. Отсюда общий размер фильтра значительно увеличивается из-за суммирования габаритов 3-дБ моста и двух полосно-запирающих звеньев, которые выполняются из отрезков полосковых линий. Большие габариты создают проблемы с миниатюризацией неотражающих фильтров. В-третьих, в полосно-запирающих звеньях, состоящих из распределенных элементов, настроенных на определенные рабочие частоты, отсутствует возможность управления рабочей частотой. Поэтому фильтр также не может быть управляемым или иметь возможность перестройки частоты полосы пропускания. Таким образом, прототип фильтра обладает существенными недостатками, такими как периодически повторяющаяся полоса пропускания, отсутствие возможности перестройки средней частоты полосы пропускания и значительные габариты.

Основная техническая задача, решаемая предложенным решением, направлена на устранение периодичности полос пропускания, обеспечение перестройки средней частоты полосы пропускания и уменьшение габаритов.

Поставленная техническая задача достигается тем, что неотражающий полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр, содержащий первую и вторую связанные полосковые линии, вход первой линии предназначен для входа неотражающего полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра, а выход второй линии предназначен для выхода неотражающего полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра, два переключателя на два положения, частотно-избирательные цепи, отличающийся тем, что вход второй полосковой линии соединен с входом первого переключателя, первый и второй выходы первого переключателя соединены с входами соответственно первой и второй частотно-избирательной цепи, выходы частотно-избирательных цепей соединены с общим проводником, первая частотно-избирательная цепь в виде последовательно включенных первой индуктивности и первой ёмкости, образуют последовательный колебательный контур с резонансной частотой , к которому параллельно подключен резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению со стороны входа второй полосковой линии, вторая частотно-избирательная цепь в виде последовательно включенных второй индуктивности и второй ёмкости, образуют последовательный колебательный контур с резонансной частотой , к которому параллельно подключен резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению со стороны входа второй полосковой линии, вход второго переключателя на два положения соединен с выходом первой полосковой линии, выходы второго переключателя соединены с входами третьей и четвертой частотно-избирательных цепей, величины индуктивностей и емкостей третьей частотно-избирательной цепи равны первой индуктивности и первой ёмкости первой частотно-избирательной цепи, образующих третий последовательный колебательный контур с частотой , к которому параллельно подключен резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению со стороны выхода первой полосковой линии, величины индуктивностей и емкостей четвертой частотно- избирательной цепи равны второй индуктивности и второй ёмкости второй частотно-избирательной цепи, образующих четвертый последовательный колебательный контур с частотой , к которому параллельно подключен резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению со стороны выхода первой полосковой линии, подключение первой и третьей частотно-избирательных цепей к первым выходам первого и второго переключателя производится синхронно в результате чего происходит настройка фильтра на частоту , подключение второй и четвертой частотно-избирательных цепей ко вторым выходам первого и второго переключателя производится синхронно в результате чего происходит настройка фильтра на частоту .

Заявленное изобретение представляет собой фильтр, который обеспечивает получение следующих технических результатов: перестроение единственной полосы пропускания с частоты на частоту и обратно, уменьшение отражения от входа и выхода фильтра на внеполосных частотах при сохранении функции частотной селекции при перестройке частоты пропускания. Применение частотно-избирательных цепей на сосредоточенных элементах существенно уменьшает габариты фильтра и в то же время позволяет устранить периодическое повторение полосы пропускания. Это дает возможность использовать фильтр в многоканальных системах с частотным разделением каналов с повышенными требованиями к развязке.

Изобретение поясняется чертежами фиг. 1 - фиг. 10.

На фиг. 1 показана эквивалентная схема фильтра, где: поз. 1 и 2 - связанные линии передачи, названные соответственно первой и второй линиями, с входом 1-1 первой линии, являющимся входом фильтра, выходом 1-2 первой линии, входом 2-1 второй линии, выходом второй линии 2-2, являющимся выходом фильтра;

поз. 3 и 4 - первый и второй переключатели на 2 положения, первый из которых имеет вход 3-1, первый выход 3-2 и второй выход 3-3, второй переключатель имеет вход 4-1, первый выход 4-2 и второй выход 4-3;

поз. 5 и 6 - первая и вторая частотно-избирательные цепи, первая из которых состоит из демпфирующего сопротивления 5-1, емкости 5-2 и индуктивности 5-3, образующих последовательный колебательный контур, настроенный на частоту ; вторая частотно-избирательная цепь включает демпфирующее сопротивление 6-1, емкость 6-2 и индуктивность 6-3, образующих последовательный колебательный контур, настроенный на частоту ;

поз. 7 и 8 - третья и четвертая частотно-избирательная цепи, третья цепь состоит из демпфирующего сопротивления 7-1, емкости 7-2 и индуктивности 7-3, образующих последовательный колебательный контур, настроенный на частоту ; четвертая частотно-избирательная цепь включает демпфирующее сопротивление 8-1, емкость 8-2 и индуктивность 8-3, образующих последовательный колебательный контур, настроенный на частоту ;

На фиг. 2 показаны частотные зависимости модулей S-параметров устройства при включении на вход 2-1 второй связанной линии и выход 1-2 первой связанной линии сопротивлений 50 Ом: модуля коэффициента передачи со входа 1-1 на выход 1-2 связанной линии 1; модуля коэффициента передачи со входа 1-1 связанной линии 1 на вход 2-1 связанной линии 2; модуля коэффициента отражения от входа 1-1 связанной линии 1, модуля коэффициента развязки меду выходом 2-2 связанной линии 2 и входом 1-1 связанной линии 1.

На фиг. 3 показана частотная зависимость модуля импеданса частотно-избирательных цепей 5 и 7 при настройке на частоту ;

На фиг. 4 показаны частотные зависимости S-параметров фильтра при настройке на первой частоте : модуля коэффициента передачи со входа 1-1 связанной линии 1 на выход 2-2 связанной линии 2; модуля коэффициента отражения от входа 1-1 связанной линии 1;

На фиг. 5 показаны частотные зависимости фазы коэффициента передачи фильтра при настройке на первой частоте ;

На фиг. 6 показана частотная зависимость модуля импеданса частотно-избирательных цепей 6 и 8 при настройке на частоту ;

На фиг. 7 показаны частотные зависимости модулей S-параметров фильтра при настройке на второй частоте : модуля коэффициента передачи со входа 1-1 связанной линии 1 на выход 2-2 связанной линии 2; модуля коэффициента отражения от входа 1-1 связанной линии 1;

На фиг. 8 показаны частотные зависимости фазы коэффициента передачи фильтра при настройке на вторую частоту ;

На фиг. 9 показаны частотные зависимости модуля коэффициента передачи со входа 1-1 связанной линии 1 на выход 2-2 связанной линии 2 фильтра при настройке на первой частоте и второй частоте .

На фиг. 10 показан внешний вид макета однозвенного полоскового неотражающего полосно-пропускающего фильтра.

Устройство содержит (см. фиг. 1) распределенный элемент в виде связанных полосковых линий 1 и 2, одни диагональные порты которых являются входом и выходом фильтра, а другие через переключатели 3 и 4 на два положения нагружены на частотно-избирательные RLC-цепи 5, 6, 7 и 8, образованные сосредоточенными элементами. Частотные характеристики связанных линий 1 и 2, имеющих коэффициент связи 0.7, при нагрузке, равной , где произведение волновых сопротивлений синфазного и противофазного возбуждения полосок связанных линий, характеризуются периодом, кратным электрической длине связанных линий 90 град [4]. Если Ом и нагрузки в плечах 2-1 и 1-2 равны 50Ом, что возможно при емкостях 5-2, 6-2, 7-3 и 8-3, равных 0, и значении сопротивлений 5-1, 6-1, 7-1, 8-1 равных 50 Ом (в любом из положений переключателей 3 и 4), тогда мощность падающей волны делится поровну между портами 2-1 и 1-2, а в порт 2-2 поступает минимальная мощность. Частотные характеристики модулей коэффициентов матрицы рассеяния при нагрузках в портах 1-1, 2-1, 1-2, 2-2 равных 50 Ом, показаны на фиг. 2. В этом режиме коэффициенты передачи из порта 1-1 в порт 1-2, из порта 1-1 в 2-1 имеют периодически повторяющийся характер. Включение в порты 2-1 и 1-2 частотно-избирательных цепей 5, 6, 7, 8 с резонансными частотами и (фиг. 3, фиг. 6) приводит к частотной зависимости нагрузок в портах 2-1 и 1-2. Если модуль импеданса в обеих портах изменяется от частоты по одинаковому закону, тогда всилу того, что на частотах и коэффициенты отражения в портах 2-1 и 1-2 стремятся к 1. В результате этого в порту 2-2 падающие и отраженные волны складываются с минимальными потерями в проводниках и диэлектриках. Как видно на фиг. 3 и фиг. 6, на частотах ниже и выше и , что приводит к максимально возможному поглощению поступающей мощности в порты 2-1 и 1-2 на сопротивлениях 5-1, 6-1, 7-1, 8-1. Исключение периодичности частотных характеристик фильтра стало возможным, т.к. подключение первой и третьей частотно-избирательных цепей к первым выходам первого и второго переключателя производится синхронно, в результате чего происходит настройка фильтра на единственную резонансную частоту с минимальным вносимым ослаблением. Подключение второй и четвертой частотно-избирательных цепей ко вторым выходам первого и второго переключателя производится также синхронно, в этом случае происходит настройка фильтра на частоту с минимальным ослаблением. На всех других частотах, как это видно из фиг. 4, фиг. 7, на выход фильтра сигнал поступает с ослаблением более 10 дБ. Поскольку при этом диагональные порты 2-1 и 1-2 оказываются нагруженными на импеданс, примерно равный по модулю , коэффициенты отражения по входу и выходу фильтра минимальны.

Макет полоскового неотражающего полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра включает первую и вторую связанные полосковые лини 1, 2 с продольным размером l = 48 мм. Конструкция связанных линий выполненна на подложке из материала FR4 с относительной диэлектрической проницаемостью =4,5 толщиной мм, размером 24×60 мм. Горизонтальные полоски, расположенные на подложке из FR4, имели ширину 0,7 мм и зазор между ними составлял 0,5 мм. В зазор устанавливалась вертикально подложка с толщиной 0,6 мм, высотой 2 мм с относительной диэлектрической проницаемостью =3,0 из материала RO-3003C, на которой посредством крепления пайкой выполнены вертикальные полоски шириной также 2 мм. Вход и выход (порты 1-1, 2-2) снабжены коаксиально-полосковыми переходами SMA, другие диагональные порты 2-1 и 1-2 соединены с входами переключателей 3 и 4 в виде микросхем. Выходы переключателей 3-2, 4-2 и 3-3, 4-3 соединены с входами частотно- избирательных цепей 5, 8 и 6, 7, в качестве элементов которых взяты SMD резисторы R0=50 Ом, конденсаторы с емкостями номиналом C0=1,27 пФ и 0,42 пФ, индуктивности номиналом L0= 23,1 и 7,7 нГн, соединенные по схеме, показанной на фиг. 1. Выходы частотно-избирательных цепей 5, 8 и 6, 7 заземлены. Для построения фильтра были выбраны две полосы рабочих частот: = ГГц и = ГГц. На фиг. 2 показаны частотные зависимости модулей коэффициентов S-параметров устройства при использовании нагрузок в виде сопротивлений 50 Ом на портах 2-1 и 1-2. Из графиков фиг. 2 видно, что в указанных диапазонах частот = ГГц и = ГГц. Это создает возможность перестройки фильтра при переключении в диагональных портах 2-1 и 1-2 частотно-избирательных цепей 5, 6, 7, 8 с минимальным ослаблением сигналов в указанных полосах частот, поскольку на частотах и модули импеданса RLC-цепей близки к нулю (см. фиг. 3 и фиг. 6). Вид зависимостей модуля импеданса частотно-избирательных цепей на фиг. 3 и фиг. 6 показывает, что Ом на внеполосных частотах. Как видно из графиков фиг. 4 и фиг. 7, при условии Ом модуль коэффициента передачи сигнала из входного порта 1-1 в выходной порт 2-2 , так же как модуль коэффициента отражения от входа менее -10 дБ. На фиг. 10 показан внешний вид полосно-пропускающего фильтра неотражающего типа, показывающий уменьшение габаритов при использовании в качестве частотно-избирательной цепи сосредоточенных миниатюрных элементов до габаритов подложки, на которой изготавливается отрезок связанных полосковых линий с 3D конструкцией. Это означает, что решается основная техническая задача устранения периодичности перестраиваемых полос пропускания и уменьшения габаритов устройства.

Заявленное изобретение достигает заявленных технических результатов: использование распределенной цепи в виде связанных полосковых линий, нагруженных в диагональных двух портах одинаковыми переключаемыми парами RLC-цепей из сосредоточенных элементов, обеспечивает получение единственной полосы пропускания с перестраиваемой средней частотой при сохранении минимального коэффициента отражения, как в полосе прозрачности, так и в полосе непрозрачности фильтра, уменьшение габаритов устройства за счет использования миниатюрных сосредоточенных элементов в схеме частотно-избирательных RLC-цепей.

Список литературы:

1. Патент № 2565369 C2 Российская Федерация, МПК H01P 1/203. полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр СВЧ: № 2013137907/08 : заявл. 13.08.2013 : опубл. 20.10.2015 / А. К. Балыко, В. Ю. Мякиньков, Л. Г. Савельева [и др.]

2. X. Wu, Y. Li and X. Liu, "High-Order Dual-Port Quasi-Absorptive Microstrip Coupled-Line Bandpass Filters," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 68, no. 4, pp. 1462-1475, April 2020, doi: 10.1109/TMTT.2019.2955692.

3. Малютин Н.Д., Лощилов А.Г., Ладур А.А. Цепочки комбинированных фильтров поглощающего типа // 18-я Между. Крымская конф. “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии ” (КрымиКо’2009): материалы конф. в 2 т. - Севастополь: изд-во “Вебер”. 2008. С. 489 - 490.

4. A. N. Sychev, V. A. Bondar, K. B. Dagba, A. I. Stepanyuga and N. Y. Rudyi, "Theory of Doubly-Shielded Coupled Lines for Directional Couplers of Various Directivity Types With Impedance Transformation," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 71, no. 5, pp. 2104-2117, May 2023, doi: 10.1109/TMTT.2022.3227310.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, а именно к неотражающим полосно-пропускающим перестраиваемым фильтрам СВЧ. Технический результат: устранение периодичности полос пропускания, обеспечение перестройки средней частоты полосы пропускания, уменьшение отражения от входа и выхода фильтра на внеполосных частотах при сохранении функции частотной селекции при перестройке частоты пропускания, уменьшение габаритов. Сущность: фильтр содержит первую и вторую связанные полосковые линии, два переключателя, частотно-избирательные цепи. Вход второй полосковой линии соединен с входом первого переключателя. Первый и второй выходы первого переключателя соединены с входами соответственно первой и второй частотно-избирательных цепей. Выходы частотно-избирательных цепей соединены с общим проводником. Первая частотно-избирательная цепь выполнена в виде последовательно включенных первой индуктивности и первой ёмкости, образующих последовательный колебательный контур с резонансной частотой , к которому параллельно подключен резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению со стороны входа второй полосковой линии. Вторая частотно-избирательная цепь выполнена в виде последовательно включенных второй индуктивности и второй ёмкости, образующих последовательный колебательный контур с резонансной частотой , к которому параллельно подключен резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению со стороны входа второй полосковой линии. Вход второго переключателя соединен с выходом первой полосковой линии. Выходы второго переключателя соединены с входами третьей и четвертой частотно-избирательных цепей. Величины индуктивностей и емкостей третьей частотно- избирательной цепи равны первой индуктивности и первой ёмкости первой частотно-избирательной цепи и образуют третий последовательный колебательный контур с частотой , к которому параллельно подключен резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению со стороны выхода первой полосковой линии. Величины индуктивностей и емкостей четвертой частотно-избирательной цепи равны второй индуктивности и второй ёмкости второй частотно-избирательной цепи и образуют четвертый последовательный колебательный контур с частотой , к которому параллельно подключен резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению со стороны выхода первой полосковой линии. Подключение первой и третьей частотно-избирательных цепей к первым выходам первого и второго переключателей производится синхронно, в результате чего происходит настройка фильтра на частоту . Подключение второй и четвертой частотно-избирательных цепей ко вторым выходам первого и второго переключателей производится синхронно, в результате чего происходит настройка фильтра на частоту . 10 ил.

Неотражающий полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр, содержащий первую и вторую связанные полосковые линии, вход первой линии предназначен для входа неотражающего полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра, а выход второй линии предназначен для выхода неотражающего полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра, два переключателя на два положения, частотно-избирательные цепи, отличающийся тем, что вход второй полосковой линии соединен с входом первого переключателя, первый и второй выходы первого переключателя соединены с входами соответственно первой и второй частотно-избирательных цепей, выходы частотно-избирательных цепей соединены с общим проводником, первая частотно-избирательная цепь в виде последовательно включенных первой индуктивности и первой ёмкости образует последовательный колебательный контур с резонансной частотой , к которому параллельно подключен резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению со стороны входа второй полосковой линии, вторая частотно-избирательная цепь в виде последовательно включенных второй индуктивности и второй ёмкости образует последовательный колебательный контур с резонансной частотой , к которому параллельно подключен резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению со стороны входа второй полосковой линии, вход второго переключателя на два положения соединен с выходом первой полосковой линии, выходы второго переключателя соединены с входами третьей и четвертой частотно-избирательных цепей, величины индуктивности и емкости третьей частотно-избирательной цепи равны первой индуктивности и первой ёмкости первой частотно-избирательной цепи и образуют третий последовательный колебательный контур с частотой , к которому параллельно подключен резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению со стороны выхода первой полосковой линии, величины индуктивности и емкости четвертой частотно-избирательной цепи равны второй индуктивности и второй ёмкости второй частотно-избирательной цепи и образуют четвертый последовательный колебательный контур с частотой , к которому параллельно подключен резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению со стороны выхода первой полосковой линии, подключение первой и третьей частотно-избирательных цепей к первым выходам первого и второго переключателей производится синхронно, в результате чего происходит настройка фильтра на частоту , подключение второй и четвертой частотно-избирательных цепей ко вторым выходам первого и второго переключателей производится синхронно, в результате чего происходит настройка фильтра на частоту .