Высокоизбирательный микрополосковый полосно-пропускающий фильтр Российский патент 2024 года по МПК H01P1/203 H03H7/01 

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для частотной селекции сигналов.

Известен полосно-пропускающий фильтр на полуволновых микрополосковых резонаторах [Belyaev B.A., Laletin N.V., Leksikov A.A., Serzhantov A.M. Peculiarities of coupling coefficients of a regular microstrip resonator (2003) Journal of Communications Technology and Electronics, 48 (1), pp. 39-46.]. Фильтр состоит из регулярных параллельных резонаторов. Полосковые проводники резонаторов кондуктивно подключены к линиям передачи на определенном расстоянии от концов проводников, которое определяется заданным уровнем отражений СВЧ-мощности в полосе пропускания фильтра. Недостатками фильтра являются сравнительно большие размеры на низких частотах и невысокие частотно-селективные свойства, обусловленные близостью паразитной полосы пропускания.

Также известен микрополосковый полосно-пропускающий фильтр [Belyaev B.A., Serzhantov A.M. The behavior of coupling coefficients of coupled microwave quarter-wave resonators (2004) Journal of Communications Technology and Electron-ics, 49 (3), pp. 275-281]. Фильтр состоит из сонаправленных микрополосковых резонаторов (МПР), проводники которых состоят из последовательно соединенных двух регулярных участков со ступенчатым изменением ширины. Свободные концы участков с высоким волновым сопротивлением соединены с экраном. Точки кондуктивного подключения проводников МПР к линиям передачи находятся на расстоянии от короткозамкнутых на экран концов, определяемым заданным уровнем отражений СВЧ-мощности в полосе пропускания фильтра. Фильтр имеет меньшие размеры по сравнению с первым аналогом, а также лучшие частотно-селективные свойства из-за более широкой полосы заграждения. Недостатками конструкции являются невысокая электрическая прочность и малая ширина полосы пропускания, что обусловлено необходимостью уменьшения расстояния между емкостными участками резонаторов для получения высокой крутизны склонов амплитудно-частотной характеристики за счет формирования нулей коэффициента передачи вблизи полосы пропускания.

Наиболее близким аналогом является микрополосковый полосно-пропускающий фильтр [J-S. Hong, Microstrip filters for RF/microwave applications (John Wiley & Sons, New York, 2001) (прототип)]. Фильтр состоит из встречно-направленных четвертьволновых микрополосковых резонаторов, проводники которых имеют прямоугольную форму. Смежные проводники соединены с экраном с противоположных сторон одним концом, а второй их конец разомкнут. Точки кондуктивного подключения проводников крайних резонаторов к линиям передачи находятся на расстоянии от коротко замкнутых на экран концов, определяемым заданным уровнем отражений СВЧ-мощности в полосе пропускания фильтра. Фильтр имеет меньшие размеры по сравнению с первым аналогом, а также лучшие частотно-селективные свойства из-за более широкой полосы заграждения. Недостатком конструкции является невысокая избирательность, что связано с отсутствием нулей коэффициента передачи вблизи полосы пропускания, которые бы увеличивали крутизну склонов амплитудно-частотной характеристики.

Техническим результатом изобретения является повышение избирательности полосно-пропускающего фильтра.

Технический результат достигается тем, что в высокоизбирательном микрополосковом полосно-пропускающем фильтре, содержащем диэлектрическую подложку, одна сторона которой металлизирована и выполняет функцию заземляемого основания, а на вторую нанесены полосковые проводники резонаторов, замкнутые одним концом на экран, новым является то, что полосковые проводники хотя бы одной пары смежных резонаторов замкнуты одним концом на экран с противоположных сторон, а их разомкнутые концы гальванически соединены друг с другом дополнительным полосковым проводником, длина и ширина которого выбираются из условия формирования нулей коэффициента передачи на требуемых частотах.

Отличие заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключается в том, что разомкнутые концы проводников пары смежных встречно-направленных четвертьволновых резонаторов соединены дополнительным полосковым проводником. Такое техническое решение позволяет использовать сформированные вблизи полосы пропускания дополнительные нули коэффициента передачи, что повышает избирательность фильтра, а также не приводит при этом к снижению электрической прочности и уменьшению относительной ширины полосы пропускания.

Сущность изобретения поясняется с помощью графических материалов: на Фиг. 1 изображена топология проводников конкретной реализации микрополоскового фильтра заявляемой конструкции; на Фиг. 2 изображены амплитудно-частотные характеристики фильтра заявляемой конструкции и фильтра-прототипа.

Заявляемый высокоизбирательный микрополосковый полосно-пропускающий фильтр может состоять из произвольного четного числа микрополосковых резонаторов, например, из шести (Фиг. 1), которые содержат диэлектрическую подложку (1), одна сторона которой металлизирована и выполняет функцию заземляемого основания (2), а на вторую нанесены прямолинейные полосковые проводники (3), которые одним концом соединены заземляемым основанием (2). Полосковые проводники (3) внутренней пары резонаторов (4) соединены одним концом с заземляемым основанием (2) с противоположных сторон, а их разомкнутые концы гальванически соединены между собой дополнительным полосковым проводником (5). Входная и выходная линии (6) передачи подключены к полосковым проводникам (3) наружных резонаторов (7) фильтра. Диэлектрическая подложка (1) может быть размещена в металлическом корпусе (на фиг. 1 не показан), за счет которого обеспечивается гальваническая связь между заземляемым основанием (2), концами полосковых проводников (3) и заземляемыми экранами линий (5). Гальваническая связь также может быть обеспечена другими путями: с помощью краевой металлизации подложки (1) или с использованием переходных отверстий.

Фильтр работает следующим образом: линии передачи (6) подключаются к полосковым проводникам (3) наружных резонаторов (7) фильтра, как показано на Фиг. 1. Расстояние от точки подключения внешних линий передачи до разомкнутых концов проводников 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.

Как известно, избирательность фильтра определяется в первую очередь крутизной склонов амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) полосы пропускания. Для повышения крутизны наиболее эффективным является как увеличение числа резонансов, формирующих полосу пропускания, так и формирование вблизи полосы пропускания нулей коэффициентов передачи (полюсов затухания). Главным недостатком известных подходов является то, что формирование полюсов затухания на АЧХ микрополосковых фильтров зачастую сопровождается уменьшением протяженности полосы заграждения, уменьшением максимально реализуемой относительной ширины полосы пропускания, а также понижением электрической прочности. Кроме того, наряду с высокой крутизной склонов часто требуется обеспечить их симметричность относительно центра полосы пропускания, что представляет сложную техническую задачу.

В фильтре заявляемой конструкции в результате интерференции сигнала, распространяющегося через электромагнитно связанные резонаторы (т. е. по основному каналу), и сигнала, распространяющегося через проводник дополнительной гальванической связи (по дополнительный каналу), на определенных частотах возникает их противофазное сложение, приводящее к образованию нулей коэффициентов передачи (полюсов затухания), которые располагаются на АЧХ фильтра практически симметрично относительно центра полосы пропускания. Наличие указанных нулей коэффициента передачи при большем числе резонансов, формирующих полосу пропускания, обеспечивают заявляемому фильтру более высокую избирательность по сравнению с фильтром-прототипом при прочих равных условиях.

На Фиг. 2 изображены частотные зависимости коэффициента передачи S₂₁ (8, сплошная линия) и коэффициента отражения S₁₁ (9, точки) заявляемого фильтра, который имел следующие конструктивные параметры. Диэлектрическая проницаемость (Фиг. 1) подложки (1) ε_r=80, ее толщина h=2 мм, ширина полосковых проводников (3) резонаторов 4.6 мм. Величина зазора между проводниками (3) первого и второго, а также пятого и шестого резонаторов составляет 2 мм; между проводниками второго и третьего, а также четвертого и пятого резонаторов - 3 мм; между полосковыми проводниками третьего и четвертого резонаторов - 2мм. Размеры дополнительного проводника (5) гальванической связи составляют 0.4 мм × 13 мм, а его концы подключены к проводникам внутренних резонаторов (4) на расстоянии 6.4 мм от их замкнутых концов. Длина проводников внутренней пары резонаторов (4) равнялась 22.2 мм, а у остальных резонаторов она была 20 мм. Указанные размеры выбиралась таким образом, чтобы центральная частота полосы пропускания фильтра равнялась ƒ₀=500 МГц, а относительная ширина полосы пропускания Δƒ/ƒ₀=15%. Из Фиг. 2 видно, что у фильтра заявляемой конструкции по обеим сторонам полосы пропускания практически симметрично относительно ее центра расположены нули коэффициента передачи, которые значительно повышают избирательность фильтра по сравнению с фильтром-прототипом. В доказательство этого на Фиг. 2 также изображена амплитудно-частотная характеристика (10) коэффициента передачи S₂₁ (штриховая линия) фильтра-прототипа, имеющего основные конструктивные параметры как у заявляемого фильтра. Видно, что у фильтра заявляемой конструкции крутизна склонов на частотах вблизи полосы пропускания выше, чем у фильтра-прототипа при прочих равных условиях, что подтверждает заявляемый технический результат.

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для частотной селекции сигналов. Техническим результатом изобретения является повышение избирательности полосно-пропускающего фильтра. В высокоизбирательном микрополосковом полосно-пропускающем фильтре полосковые проводники хотя бы одной пары смежных резонаторов замкнуты одним концом на экран с противоположных сторон, а их разомкнутые концы гальванически соединены друг с другом дополнительным полосковым проводником, длина и ширина которого выбираются из условия формирования нулей коэффициента передачи на требуемых частотах. 2 ил.

Высокоизбирательный микрополосковый полосно-пропускающий фильтр, содержащий диэлектрическую подложку, одна сторона которой металлизирована и выполняет функцию заземляемого основания, а на вторую нанесены полосковые проводники резонаторов, замкнутые одним концом на экран, отличающийся тем, что полосковые проводники хотя бы одной пары смежных резонаторов замкнуты одним концом на экран с противоположных сторон, а их разомкнутые концы гальванически соединены друг с другом дополнительным полосковым проводником, длина и ширина которого выбираются из условия формирования нулей коэффициента передачи на требуемых частотах.