ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР Российский патент 2025 года по МПК H01P1/20 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования в приемо-передающей аппаратуре СВЧ в том числе с полным дуплексом.

Известен полосно-пропускающий фильтр (см. патент РФ RU 2 248 074 C1, опубликованный 10.03.2005 г.), содержащий блок, выполненный из диэлектрического материала, в виде прямоугольного параллелепипеда, на пяти из шести граней которого размещен внешний слой металлизации. В блоке выполнены металлизированные отверстия, расположенные между шестой гранью блока и гранью, ей противоположной. На шестой грани блока размещены проводящие площадки, которые соединены с металлизацией отверстий, разделены между собой и отделены от внешнего слоя металлизации диэлектрическими промежутками. Число отверстий равно числу проводящих площадок и равно числу звеньев фильтра. Контактные проводники размещены на шестой грани блока и отделены от проводящих площадок и от внешнего слоя металлизации диэлектрическими промежутками. По крайней мере, в одной из проводящих площадок может быть выполнена, по крайней мере, одна диэлектрическая прорезь, один конец которой совпадает либо с промежутком между площадками и слоем металлизации, либо с промежутком между проводящими площадками. Диэлектрическая прорезь может быть выполнена прямолинейной или изогнутой, а ее длина равна четверти длины волны на частоте полосы заграждения фильтра.

На фиг. 1 показана амплитудно-частотная характеристика однозвенного полосно-пропускающего фильтра с 0,1% полосой пропускания (на частоте 1,025 ГГц) и с подавлением 40 дБ на частоте 2,05 ГГц.

Такое техническое решение обеспечивает большое ослабление в полосе заграждения ниже полосы пропускания фильтра и большое ослабление на заданной частоте заграждения, однако АЧХ на этой частоте носит явный резонансный характер в очень узком диапазоне частот. Кроме этого, в силу конструктивных ограничений по размещению на шестой грани блока дополнительных элементов топологии, отношение частоты заграждения и центральной частоты полосы пропускания фильтра может быть лишь около двух, в то время как в системе с полным дуплексом типовое отношение находится в диапазоне 1,1 ... 1,2. Также, в силу внутренних конструктивных особенностей блока, фильтр пропускает третью и более высокие гармоники центральной частоты полосы пропускания.

Известен другой полосно-пропускающий фильтр, опубликованный в книге Inder Bahl, Prakash Bhartia “Microwave solid state circuits design”, Second edition, 2003 г., стр. 297.

Фильтр (фиг. 2) представляет собой высокодобротный керамический блок, грани которого металлизированы за исключением верхней. Металлизация отверстий А, В, С соединяется с нижней металлизацией керамического блока, образуя центральный проводник коаксиальных резонаторов. Высота металлизированных отверстий L равна четверти длины волны на центральной частоте полосы пропускания фильтра. Контактные площадки на верхней грани керамического блока отделены от металлизации крайних коаксиальных резонаторов и от боковой металлизации диэлектрическими промежутками. Коаксиальные резонаторы, контактные площадки расположены симметрично в продольном и поперечном сечении фильтра.

В каждом промежутке между соседними коаксиальными резонаторами выполнено сквозное воздушное отверстие (круглое, щелевое), которое создает индуктивную связь между указанными резонаторами в виде последовательных индуктивностей L12 и L23 на эквивалентной схеме трех-резонатор- ного фильтра на фиг. 3. На этой же схеме связь крайних коаксиальных резонаторов с контактными площадками Р1, Р2 - емкостная.

Амплитудно-частотная характеристика такого фильтра приведена на фиг. 4 (книга Inder Bahl, Prakash Bhartia “Microwave solid state circuits design”, Second edition, 2003 г., стр. 300).

Из графика на фиг. 4 следует, что крутизна высокочастотного ската превышает крутизну низкочастотного ската. Однако конструкция фильтра не содержит элементов, позволяющих выполнить его настройку. Кроме этого, в нижней части воздушных отверстий выходят силовые линии магнитного поля и при приближении к этим отверстиям металлических предметов изменяется эквивалентная индуктивность и, следовательно, настройка фильтра. По этой причине невозможна реализация фильтра в герметичном металлическом экране.

Наиболее близким, принятым за прототип, к предлагаемому техническому решению является полосно-пропускающий фильтр (см. United States Patent 4,879,533, Н 01 Р 001/202; Н 01 Р 007/04, опубл., Nov.7, 1989), содержащий блок, выполненный из диэлектрического материала, в виде прямоугольного параллелепипеда, на пяти из шести граней которого размещен внешний слой металлизации. В блоке между шестой гранью блока и гранью ей противоположной имеются отверстия по числу звеньев фильтра. Внутренний слой металлизации размещен на боковых поверхностях отверстий и присоединен к внешнему слою металлизации. На шестой грани блока, над отверстиями, выполнены проводящие площадки, присоединенные к внутреннему слою металлизации. Проводящие площадки разделяются между собой и отделяются от внешнего слоя металлизации диэлектрическими промежутками. На шестой грани блока размещены контактные проводники, отделенные от проводящих площадок и от внешнего слоя металлизации диэлектрическими промежутками.

Эквивалентная схема фильтра третьего порядка такой конструкции приведена на фиг. 5. Из схемы следует, что связь между соседними резонаторами имеет исключительно емкостной характер. Амплитудно-частотные характеристики двух фильтров такой конструкции приведены на фиг. 6. Фильтр 2 обеспечивает большое ослабление в полосе заграждения AF1, однако Фильтр 1 в полосе заграждения AF2 создает значительно меньшее ослабление, что существенно ограничивает использование такого фильтра как в отдельном применении, так и в системах с полным дуплексом при использовании фильтров одинаковой конструкции. Для увеличения ослабления в полосе заграждения AF2 необходимо значительно увеличить порядок Фильтра 1, что приведет к существенному увеличению его габаритов, ухудшению линейных свойств, снижению энергетических характеристик канала приёмо-передачи из-за увеличения вносимых потерь фильтра.

Другим свойством указанного фильтра, как показано на фиг. 7, является эффективное подавление сигналов 2-й гармоники центральной частоты полосы пропускания, однако паразитная полоса пропускания включает 3-ю гармонику центральной частоты полосы пропускания, что существенно осложняет выполнение требований к внеполосным и побочным излучениям радиопередающих устройств.

Техническими задачами настоящего изобретения являются: увеличение крутизны высокочастотного ската амплитудно-частотной характеристики и увеличение ослабление в полосе заграждения выше полосы пропускания для выполнения требований к внеполосным и побочным излучениям, увеличение коэффициента развязки между входом и выходом фильтра, обеспечение универсального и возможности герметичного исполнения фильтра.

Предложен полосно-пропускающий фильтр, содержащий керамический блок с металлизированными гранями, кроме верхней, коаксиальные резонаторы из металлизированных отверстий, соединенных с нижней металлизацией керамического блока и с металлизированными площадками на его верхней грани, разделенных между собой и боковой металлизацией керамического блока диэлектрическими промежутками, контактные площадки для подключения генератора и нагрузки, размещенные на верхней грани керамического блока и отделённые от металлизированных площадок крайних коаксиальных резонаторов и от боковой металлизации диэлектрическими промежутками, коаксиальные резонаторы, контактные площадки расположены симметрично в продольном и поперечном сечении фильтра, в котором, согласно изобретению, одно глухое воздушное отверстие круглого, овального, с прямыми, острыми, тупыми углами сечения размещают в промежутке между соседними коаксиальными резонаторами симметрично в продольном и поперечном сечении фильтра, а суммарное количество глухих воздушных отверстий в керамическом блоке находится в диапазоне от одного до максимального значения, равного количеству промежутков между соседними коаксиальными резонаторами, торцевые контактные площадки для подключения генератора и нагрузки размещают на противолежащих торцевых поверхностях керамического блока.

Технический результат достигается размещением одного глухого воздушного отверстия круглого, овального, с прямыми, острыми, тупыми углами сечения в промежутке между соседними коаксиальными резонаторами симметрично в продольном и поперечном сечении фильтра, увеличивающее крутизну высокочастотного ската амплитудно-частотной характеристики и ослабление в полосе заграждения выше полосы пропускания для выполнения требований к внеполосным и побочным излучениям, при этом суммарное количество глухих воздушных отверстий, находящееся в диапазоне от одного до максимального значения, равного количеству промежутков между соседними коаксиальными резонаторами, что позволяет реализовать фильтр с заданной крутизной высокочастотного ската амплитудно-частотной характеристики, достигающей максимального значения при максимальном количестве глухих воздушных отверстий, обеспечивая универсальность конструкции фильтра. При выполнении глухих воздушных отверстий сохраняется целостность нижней металлизации керамического блока, экранирующей их магнитное поле, при этом отсутствует влияние внешнего металлического экрана с нижней стороны фильтра на его электрические параметры, обеспечивая возможность его герметичного исполнения. Технический результат достигается также размещением торцевых контактных площадок для подключения генератора и нагрузки на противолежащих торцевых поверхностях керамического блока на максимальном расстоянии между собой, равном длине керамического блока, при этом коэффициент развязки между входом и выходом фильтра увеличивается до максимально возможного значения.

Сущность изобретения (на примере полосно-пропускающего фильтра четвертого порядка) поясняется чертежами, где на фиг. 8 представлен фильтр с глухими воздушными отверстиями и расположением контактных площадок на верхней грани керамического блока, на фиг. 9, 10, 11 представлены фильтры с торцевыми контактными площадками для подключения генератора и нагрузки на противолежащих торцевых поверхностях керамического блока на максимальном расстоянии между собой, равном длине керамического блока, соответственно, без глухих воздушных отверстий, с двумя глухими воздушными отверстиями, с тремя глухими воздушными отверстиями.

Фильтр содержит керамический блок 1 с металлизированными гранями, кроме верхней, коаксиальные резонаторы 2 из металлизированных отверстий, соединенных с нижней металлизацией керамического блока и с металлизированными площадками на его верхней грани, разделенных между собой и боковой металлизацией керамического блока диэлектрическими промежутками, контактные площадки 3 для подключения генератора и нагрузки, расположенные на верхней грани керамического блока и отделённые от металлизированных площадок крайних коаксиальных резонаторов и от боковой металлизации диэлектрическими промежутками, коаксиальные резонаторы, контактные площадки расположены симметрично в продольном и поперечном сечении фильтра.

Согласно изобретению, одно глухое воздушное отверстие 4 круглого, овального, с прямыми, острыми, тупыми углами сечения размещают в промежутке между соседними коаксиальными резонаторами симметрично в продольном и поперечном сечении фильтра, а суммарное количество глухих воздушных отверстий в керамическом блоке находится в диапазоне от одного до максимального значения, равного количеству промежутков между соседними коаксиальными резонаторами. Торцевые контактные площадки 5 для подключения генератора и нагрузки размещают на противолежащих торцевых поверхностях керамического блока на максимальном расстоянии между собой, равном длине керамического блока.

Полосно-пропускающий фильтр работает следующим образом.

Фильтр представляет собой металлизированный керамический блок 1, в котором размещена система связанных коаксиальных резонаторов 2 из металлизированных отверстий, соединенных с нижней металлизацией керамического блока и с металлизированными площадками на его верхней грани, разделенных между собой и боковой металлизацией керамического блока диэлектрическими промежутками. Электромагнитная энергия, поступающая от генератора в фильтр через входную контактную площадку 3, возбуждает коаксиальные резонаторы на центральной частоте полосы пропускания и эффективно передается на выходную контактную площадку, и далее - в нагрузку. Однако амплитудно-частотная характеристика такого фильтра имеет небольшую крутизну высокочастотного ската и недостаточное ослабление в полосе задержания выше полосы пропускания для выполнения требований к внеполосным и побочным излучениям.

При размещении одного глухого воздушного отверстия 4 круглого, овального, с прямыми, острыми, тупыми углами сечения в промежутке между соседними коаксиальными резонаторами симметрично в продольном и поперечном сечении фильтра между этими резонаторами образуется индуктивная связь. Такое конструктивное исполнение позволяет одновременно образовать два фильтра: полосно-пропускающий и режекторный, причем нижняя граница режекции совпадает с верхней границей полосы пропускания полосно-пропускающего фильтра, при этом происходит увеличение крутизны высокочастотного ската амплитудно-частотной характеристики и увеличение ослабления в полосе заграждения выше полосы пропускания для выполнения требований к внеполосным и побочным излучениям. Крутизна режекции зависит от порядка режекторного фильтра и определяется суммарным количеством глухих воздушных отверстий, которое находится в диапазоне от одного до максимального значения, равного количеству промежутков между соседними коаксиальными резонаторами.

Размещение торцевых контактных площадок 5 для подключения генератора и нагрузки на противолежащих торцевых поверхностях керамического блока на максимальном расстоянии между собой, равном длине керамического блока, увеличивает развязку между входом и выходом до максимального значения и, следовательно, ослабление во всей полосе задержания.

В зависимости от количества глухих воздушных отверстий получают принципиально разные АЧХ, примеры которых приведены на фиг. 12, подтверждая универсальность конструкции фильтра. У фильтра без глухих воздушных отверстий (исполнение по фиг. 9) большую крутизну имеет низкочастотный скат. У фильтра с максимальным количеством глухих воздушных отверстий (исполнение по фиг. 11) большую крутизну имеет высокочастотный скат и увеличивается ослабление в полосе заграждения выше полосы пропускания, что является основной целью изобретения. При отсутствии глухого воздушного отверстия в промежутке между средними коаксиальными резонаторами (исполнение по фиг. 10) АЧХ занимает промежуточное положение.

Вклад режекторного фильтра в суммарную АЧХ фильтра 5-го порядка с четырьмя глухими воздушными отверстиями (сплошная линия) в сравнении с АЧХ фильтра 5-го порядка без глухих воздушных отверстий (пунктирная линия) показан на фиг. 13. Из графика следует, что при центральной частоте полосы пропускания 3,75 ГГц режекция выполняется на 3-й гармонике центральной частоты полосы пропускания фильтра 11,25 ГГц и 4-й гармонике 15 ГГц, обеспечивая выполнение требований по побочным и внеполосным излучениям в полосе задержания.

Фильтр для нижнего канала приемо-передачи с большим количеством глухих воздушных отверстий, и фильтр для верхнего канала приемо-передачи с меньшим количеством глухих воздушных отверстий обладают взаимодополняющими свойствами и образуют комплементарную пару фильтров для построения систем с полным дуплексом.

На фиг. 14 представлена измеренная на практике АЧХ комплементарной пары фильтров 6-го порядка в диапазоне (3,3-3,8) ГГц с полосой рабочих частот 100 МГц с одинаковыми габаритными размерами с размещением торцевых контактных площадок для подключения генератора и нагрузки на противолежащих торцевых поверхностях керамического блока.

Фильтр нижнего канала приёмо-передачи имеет 5 глухих воздушных отверстий. У фильтра верхнего канала глухие воздушные отверстия отсутствуют. Из графиков следует, что ослабление на сопряженных частотах достигает не менее 100 дБ в нижнем канале и не менее 90 дБ в верхнем канале - достаточное условие для применения фильтров в системе с полным дуплексом. Для достижения столь больших ослаблений с помощью, например, гребенчатого фильтра, имеющего почти симметричную АЧХ, потребуется применить фильтры 7-го порядка, что существенно увеличит его габариты и массу, приведет к росту минимальных вносимых потерь, амплитудных и фазовых искажений.

Таким образом, фильтр предлагаемой конструкции обеспечивает увеличение крутизны высокочастотного ската амплитудно-частотной характеристики и увеличение ослабления в полосе заграждения выше полосы пропускания для выполнения требований к внеполосным и побочным излучениям, обеспечивает увеличение коэффициента развязки между входом и выходом фильтра, позволяет использовать его в системе с полным дуплексом, обеспечивает универсальное и возможность герметичного исполнений фильтра.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к фильтрам. Фильтр содержит керамический блок с металлизированными гранями, кроме верхней, коаксиальные резонаторы из металлизированных отверстий, соединенных с нижней металлизацией керамического блока и с металлизированными площадками на его верхней грани, разделенных между собой и боковой металлизацией керамического блока диэлектрическими промежутками, контактные площадки для подключения генератора и нагрузки, размещенные на верхней грани керамического блока и отделённые от металлизированных площадок крайних коаксиальных резонаторов и от боковой металлизации диэлектрическими промежутками. В промежутке между соседними коаксиальными резонаторами симметрично в продольном и поперечном сечении фильтра выполнено одно глухое воздушное отверстие, а суммарное количество глухих воздушных отверстий в керамическом блоке находится в диапазоне от одного до максимального значения, равного количеству промежутков между соседними коаксиальными резонаторами. Торцевые контактные площадки для подключения генератора и нагрузки размещены на противолежащих торцевых поверхностях керамического блока. Технический результат - увеличение крутизны высокочастотного ската амплитудно-частотной характеристики, ослабление в полосе заграждения выше полосы пропускания, улучшение развязки между входом и выходом полосно-пропускающего фильтра. 14 ил.

Полосно-пропускающий фильтр, содержащий керамический блок с металлизированными гранями, кроме верхней; коаксиальные резонаторы из металлизированных отверстий, соединенных с нижней металлизацией керамического блока и с металлизированными площадками на его верхней грани, разделенных между собой и боковой металлизацией керамического блока диэлектрическими промежутками; контактные площадки для подключения генератора и нагрузки, размещенные на верхней грани керамического блока и отделённые от металлизированных площадок крайних коаксиальных резонаторов и от боковой металлизации диэлектрическими промежутками, коаксиальные резонаторы, контактные площадки расположены симметрично в продольном и поперечном сечении фильтра, отличающийся тем, что одно глухое воздушное отверстие круглого, овального, с прямыми, острыми, тупыми углами сечения размещают в промежутке между соседними коаксиальными резонаторами симметрично в продольном и поперечном сечении фильтра, а суммарное количество глухих воздушных отверстий в керамическом блоке находится в диапазоне от одного до максимального значения, равного количеству промежутков между соседними коаксиальными резонаторами, торцевые контактные площадки для подключения генератора и нагрузки размещают на противолежащих торцевых поверхностях керамического блока.