Неотражающий полосно-пропускающий фильтр нечетных гармоник Российский патент 2024 года по МПК H01P1/203 

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

Известен диплексер [Беляев, Б. А., Тюрнев, В. В., Сержантов, А. М. Микрополосковый диплексер: патент РФ 248820. опубл. 20.07.2013], выполняющий функцию частотного разделения каналов. В каналах диплексера имеется по одному двухмодовому резонатору, вследствие чего на внеполосных частотах наблюдается коэффициент отражения, стремящийся к единице, оставаясь приемлемым на центральных частотах полос пропускания. Диплексер может иметь полосу пропускания первой и третьей, нечетных, гармоник, но при этом на внеполосных частотах будет рассогласован с внешними цепями. При необходимости не вносить рассогласование в приемно-передающий тракт в широком диапазоне частот, включая полосы непропускания, наличие отражений от входа и выхода является серьезным недостатком.

Квази-безотражательные мультиплексоры [R. Gómez-García, J. -M. Muñoz-Ferreras and D. Psychogiou, "Tunable Input-Quasi-Reflectionless Multiplexers," 2018 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on 5G Hardware and System Technologies (IMWS-5G), Dublin, Ireland, 2018, pp. 1-3, doi: 10.1109/IMWS-5G.2018.8484353], исполняемые на отрезках полосковых линиях, образующих каналы фильтрации и вспомогательные каналы с резистивными оконечными нагрузками для поглощения всех отражений мощности входного радиочастотного сигнала. Этот подход имеет основной недостаток - большой коэффициент отражения на низких и высоких частотах.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является неотражающий полосно-пропускающий 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 коэффициента передачи фильтрующих звеньев на связанных линиях, включаемых в диагональные порты связанных полосковых линий со связью 3 дБ. Если эти звенья полосно-заграждающие, тогда устройство имеет свойства полосно-пропускающего фильтра. Если фильтрующие звенья выполняются из двух секций, настроенных на частоты и , тогда реализуется фильтр нечетных гармоник. Основной недостаток неотражающего фильтра - значительные габариты по причине того, что связанные линии имеют минимальную электрическую длину 90 град. При исполнении фильтра на нечетные гармоники его габариты увеличиваются по меньшей мере на 1/3.

Основная техническая задача, решаемая предложенным решением, направлена на уменьшение габаритов фильтра нечетных гармоник при обеспечении функции фильтра нечетных гармоник.

Заявленное изобретение представляет собой фильтр, который обеспечивает получение следующих технических результатов: две полосы пропускания с центральными частотами , , соответствующих первой и второй гармоникам входного сигнала, уменьшение отражения от входа и выхода фильтра на внеполосных частотах. Применение частотно-избирательных цепей на сосредоточенных элементах существенно уменьшает габариты фильтра и в то же время позволяет устранить периодическое повторение полос пропускания. Это дает возможность использовать фильтр в многоканальных системах с частотным разделением каналов с повышенными требованиями к развязке.

Неотражающий полосно-пропускающий фильтр нечетных гармоник, содержащий первую и вторую связанные полосковые линии, вход первой линии предназначен для входа неотражающего полосно-пропускающего фильтра нечетных гармоник, а выход второй линии предназначен для выхода фильтра, отличающийся тем, что вход второй полосковой линии соединен с входом первой частотно избирательной цепи, а выход первой полосковой линии соединен с входом второй частотно избирательной цепи, выходы частотно-избирательных цепей соединены с общим проводником, первая и вторая частотно избирательная цепь идентичные, каждая частотно-избирательная цепь состоит из двух последовательно включенных цепей, первая 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 цепь в виде параллельно включенных второй индуктивности и второй ёмкости, образуют параллельный колебательный контур с резонансной частотой .

Изобретение поясняется чертежами Фиг. 1 - Фиг. 6.

На Фиг. 1 показана эквивалентная схема фильтра, где: поз. 1 и 2 - связанные линии передачи, названные соответственно первой 1 и второй 2 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 - первая и вторая частотно-избирательная цепь, каждая из которых состоит из двух цепей, первые цепи 3-1 и 4-1 из емкости C0 и индуктивности L0, образующих последовательный колебательный контур, настроенный на частоту и демпфирующего сопротивления R0, вторые цепи (3-2, 4-2) из емкости C1 и индуктивности L1, образующих параллельный колебательный контур, настроенные 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 3 и 4;

На Фиг. 4 показаны расчетные частотные зависимости S-параметров фильтра, модуля коэффициента передачи (обозначено как ) со входа 1-1 связанной линии 1 на выход 2-2 связанной линии 2; модуля коэффициента отражения (обозначено как ) от входа 1-1 связанной линии 1;

На Фиг. 5 показан внешний вид макета неотражающего полосно-пропускающего фильтра нечетных гармоник.

На Фиг. 6 показаны экспериментальные частотные зависимости S-параметров фильтра, 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;

Осуществление изобретения

Устройство содержит (Фиг. 1) распределенный элемент в виде связанных полосковых линий 1 и 2, одни диагональные порты которых являются входом и выходом фильтра, а другие на два нагружены на частотно-избирательные RLC-цепи 3, 4, 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 50 Ом, что возможно при емкостях и значении сопротивлений R0 равных 50 Ом, тогда мощность падающей волны делится поровну между портами 2-1 и 1-2, а в порт 2-2 поступает минимальная мощность. Периодичность частотных характеристик, представляемых в виде модулей коэффициентов матрицы рассеяния, показана на Фиг. 2. Включение в порты 2-1 и 1-2 частотно-избирательных цепей 3, 4 с резонансными частотами и (Фиг. 3) 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 в силу того, что на частоте и на частоте , 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 ( показан в логарифмическом масштабе), на частотах ниже , между и , выше . Это приводит к максимальному поглощению поступающей мощности в порты 2-1 и 1-2 на сопротивлениях R0, а на выходе устройства получается минимальный сигнал на частотах, не совпадающих с и . При этом вход и выход фильтра будут согласованы, т.к. порты 2-1 и 2-2 нагружены на. Исключение периодичности частотных характеристик фильтра стало возможным, т.к. при третья и четвертая частотно-избирательные цепи имеют только две резонансные частоты и . На всех других частотах, как это видно из Фиг. 4, на выход фильтра сигнал поступает с ослаблением более -10 дБ.

Устройство полоскового неотражающего полосно-пропускающего фильтра нечетных гармоник 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 1,6 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 частотно- избирательных цепей 3, 4 в качестве элементов которых взяты SMD резисторы R0=50 Ом, конденсаторы с емкостями номиналом C0=1,2 пФ, C1=3,0 пФ, индуктивности номиналом L0= 23,1 нГн, L1= 0,8 нГн соединенные по схеме, показанной на Фиг. 1. Выходы частотно-избирательных цепей 3-4 и 5-6 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 построения фильтра при включениях в диагональных портах 2-1 и 1-2 частотно-избирательных цепей 3, 4 с минимальным ослаблением сигналов в указанных полосах частот, поскольку на частотах и модули импеданса RLC-цепей близки к нулю (см. Фиг. 3). Вид зависимостей модуля импеданса частотно-избирательных цепей на Фиг. 3 показывает, что Ом на внеполосных частотах. Как видно из графика Фиг. 4, 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. 5 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. На Фиг. 6 приведены экспериментальные частотные характеристики. Получена первая полоса с центральной частотой =0.96 ГГц и вторая с =2.9 ГГц. В диапазоне частот до 4.8 ГГц коэффициент отражения не хуже -10 дБ. Коэффициент передачи |S₂₁|= -2 дБ на частоте , а на частоте |S₂₁|= -7.2 дБ. Неравенство |S₂₁| на частотах и вызвано трудностями настройки НПФ на третью гармонику путем подбора RLC-элементов из ряда выпускаемых SMD-чипов.

Список литературы:

1. Беляев, Б. А., Тюрнев, В. В., Сержантов, А. М. Микрополосковый диплексер: патент РФ 248820;. опубл. 20.07.2013.

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. . -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 СВЧ технике, в частности к фильтрам. Неотражающий полосно-пропускающий фильтр нечетных гармоник, содержащий первую и вторую связанные полосковые линии, вход первой линии предназначен для входа неотражающего полосно-пропускающего фильтра нечетных гармоник, а выход второй линии предназначен для выхода фильтра, отличающийся тем, что вход второй полосковой линии соединен с входом первой частотно-избирательной цепи, а выход первой полосковой линии соединен с входом второй частотно-избирательной цепи, выходы частотно-избирательных цепей соединены с общим проводником, первая и вторая частотно-избирательная цепь идентичные, каждая частотно-избирательная цепь состоит из двух последовательно включенных цепей, первая в виде последовательно включенных первой индуктивности и первой ёмкости образует последовательный колебательный контур с резонансной частотой f₁, к которому параллельно подключен резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению со стороны входа второй полосковой линии, вторая цепь в виде параллельно включенных второй индуктивности и второй ёмкости образует параллельный колебательный контур с резонансной частотой f₂. Технический результат - уменьшение габаритов фильтра нечетных гармоник при обеспечении функции фильтра нечетных гармоник, уменьшение отражения от входа и выхода фильтра на внеполосных частотах. 6 ил.

Неотражающий полосно-пропускающий фильтр нечетных гармоник, содержащий первую и вторую связанные полосковые лини, вход первой линии предназначен для входа неотражающего полосно-пропускающего фильтра нечетных гармоник, а выход второй линии предназначен для выхода фильтра, отличающийся тем, что вход второй полосковой линии соединен с входом первой частотно-избирательной цепи, а выход первой полосковой линии соединен с входом второй частотно-избирательной цепи, выходы частотно-избирательных цепей соединены с общим проводником, первая и вторая частотно-избирательная цепь идентичные, каждая частотно-избирательная цепь состоит из двух последовательно включенных цепей, первая 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 цепь в виде параллельно включенных второй индуктивности и второй ёмкости образует параллельный колебательный контур с резонансной частотой .