Полосно-пропускающий фильтр Российский патент 2025 года по МПК H01P1/203 

Область техники

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот, а именно к микрополосковым полосно-пропускающим фильтрам на основе волновода, интегрированного в диэлектрическую подложку и может быть использовано в селективных трактах приемных и передающих систем в диапазоне частот 8-12 ГГц при ширине полосы пропускания 10%.

Уровень техники

Интегрированные в подложку волноводы (ИПВ), в зарубежной литературе Substrate Integrated Waveguides (SIW), представляют собой волноводоподобные элементы, созданные двумя рядами металлических цилиндров, расположенных в диэлектрической подложке и соединяющих два параллельных слоя металлизации. SIW является заполненным диэлектриком прямоугольным волноводом с уменьшенной высотой и может быть изготовлен в планарной форме с применением существующих интегральных технологий производства печатных плат. При этом ИПВ - это тип линий СВЧ, сочетающий в себе свойства как классических волноводов (те же самые частотные и дисперсионные характеристики), так и свойства микрополосковых линий (размеры, вес и стоимость изготовления). Результатом использования ИПВ является: удешевление конструкции, возможность интеграции элементов на одной плате, включая пассивные компоненты, активные элементы и антенны. Диаметр и шаг металлизированных отверстий устанавливаются таким образом, чтобы минимизировать потери на излучение и на отражение.
Прототипом заявляемого полосно-пропускающего фильтра является широкополосный полосовой фильтр SIW для передачи сигнала со спутника Ka (CN116544642 (A) G06F30/392; G06F30/398; H01P1/203; H01P1/212; H01P11/00- 2023-08-04) [1]. Полосовой фильтр выполнен на основе волновода, интегрированного в диэлектрическую подложку. Как показано на фиг. 1 описания патента, он содержит диэлектрическую пластину (1), на верхней поверхности которой сформирован эквивалентный металлический волновод (2), а пленки индуктора (3) равномерно распределены по обеим сторонам эквивалентного металлического волновода (2), переходные отверстия (4) предусмотрены по обеим сторонам пластины (1), а преобразование волновода в микрополосковый фильтр (5) сформировано на обоих концах эквивалентного металлического волновода (2) и содержит в двух плечах микрополосковые СВЧ-выводы. Боковые стенки волновода SIW сформированы с помощью металлизации отверстий. По краям пластины вставлены ряды металлических штырей для ограничения распространения электромагнитных волн. В переходные отверстия помещают металлические цилиндры (штыри). Диапазон частот полосно-пропускающего фильтра Ka составляет 27,5-31 ГГц.

Широкополосный полосовой SIW-фильтр для передачи сигнала по спутниковому каналу Ka по п. 1 отличается тем, что: диаметр сквозного отверстия (4) составляет 0,381 мм, а сквозные отверстия (4) симметрично распределены на пластине (1), а ширина между двумя рядами сквозных отверстий (4) составляет 5,281 мм, а расстояние между соседними сквозными отверстиями (4) составляет 1 мм.

Широкополосный полосовой SIW-фильтр для диапазона передачи спутника Ka по п. 2, отличающийся тем, что: количество диафрагм индуктора (3) с одной стороны равно шести, а расстояния между диафрагмами индуктора (3) слева направо составляют 3,406 мм, 3,89 мм и 4,022 мм соответственно, а высоты диафрагм индуктора (3) слева направо составляют 0,792 мм, 1,182 мм и 1,303 мм соответственно, а длина и ширина волноводно-микрополоскового перехода (5) составляют 1,457 мм и 1,219 мм соответственно.

Из практики применения ИПВ в радиотехнических (радиоэлектронных) устройствах (особенно для Ku-диапазона и ниже) диаметр переходных отверстий предлагается выбирать из условия d=0.1×λ_кр., где λ_кр. - критическая длина волны. Практический опыт работы с ИПВ, показал, что в Х и Кu диапазонах, достаточно d=0.6 мм и s=1 мм для обеспечения всех требуемых характеристик. Установлено, что размеры ИПВ с ростом частоты, пропорционально уменьшаются вместе с длиной волны, но при этом коэффициент передачи в них остается примерно на том же уровне. При этом следует учитывать размер переходных металлизированных отверстий и шаг между ними, потому что они могут существенным образом повлиять и на согласование, и на коэффициент передачи в ИПВ. (А.В. Парижанкова, В.В. Демшевский, И.А. Богачев, С.Б. Клюев, С.С. Сидоренко, В.В. Лободин. Интегрированные в подложку волноводы, их свойства и применимость при решении практических задач X- и Ku-Диапазонах АО «НПП «Исток» им. Шокина». https://mwelectronics.etu.ru/assets/files/2024/sbornik/287-291.pdf.) [2].

Следовательно, при уменьшении диапазона частот до 8-12 ГГц длина волны увеличивается, что в свою очередь приводит к увеличению длины диэлектрической подложки полосно-пропускающего фильтра в 6 раз, вместо нескольких см в диапазоне частот 27,5-31 ГГц, что приводит к увеличению габаритных размеров фильтра и невозможности размещения элементов на одной плате.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание полосно-пропускающего фильтра на основе ИПВ, работающего в диапазоне частот до 8-12 ГГц, размеры которого позволят размещать его на одной плате с другими элементами, изготовленного с применением стандартной технологии создания печатных плат для изготовления-производства ИПВ.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение габаритных размеров полосно-пропускающего фильтра на основе ИПВ, работающего в диапазоне частот до 8-12 ГГц при размещении его на одной плате с другими элементами за счет использования гибкой диэлектрической подложки, способной складываться гармошкой в направлении продольной оси фильтра, применимость стандартной технологии создания печатных плат для изготовления-производства ИПВ

Указанный технический результат достигается тем, что полосно-пропускающий фильтр содержит диэлектрическую пластину с металлизированными поверхностями, по краям которой установлены в отверстия два ряда вертикальных металлических цилиндрических штырей, ограничивающих область распространения электромагнитной волны, резонаторы образованы парами симметрично расположенных относительно продольной оси пластины металлических штырей того же диаметра, а на концах фильтра имеются микрополосковые СВЧ-вводы, согласованные с интегрированным в подложку волноводом.

Согласно изобретения диэлектрическая пластина выполнена из склеенных в стопку слоев фотобумаги для принтера одинаковой толщины, при этом диэлектрическая проницаемость одного слоя ε = 2,8-3,2 и тангенс угла диэлектрических потерь tg δ = 0,0001-0,0015.

В частном случае выполнения:

- диэлектрическая пластина выполнена из трех слоев фотобумаги для принтера и имеет толщину 0,69 мм;

- толщина одного слоя бумаги составляет 0,23 мм;

- слои фотобумаги соединены клеем на основе поливинилпирролидона;

- диэлектрическая проницаемость одного слоя фотобумаги ε = 3;

- тангенс угла диэлектрических потерь одного слоя фотобумаги tg δ =0,0009;

- высота металлических штырей, образующих резонаторы равна толщине одного слоя фотобумаги и составляет 0,23 мм;

- СВЧ-ввод содержит согласованный входной микрополосковый переход с сопротивлением 50 Ом и согласованный переход в структуру интегрированного в подложку волновода.

Экспериментальные данные показали, что интервал значений ε = 2,8 - 3, 2, tgδ = 0,0001 - 0,0015 не приведет к заметному изменению амплитудно-частотной характеристики устройства на выбранной частоте.

К диэлектрическим материалам для СВЧ-устройств предъявляются особые требования, прежде всего, к величине диэлектрической проницаемости и тангенсу угла диэлектрических потерь. Так, например, компания Relong Technology, Китай, специализирующаяся на производстве СВЧ-материалов, выпускает фольгированные материалы и диэлектрики с различной диэлектрической проницаемостью для двусторонних и многослойных печатных плат для использования в передовых радиотехнических устройствах, радиолокационных, массивных антеннах, системах связи, спутниковой и космической электронике. Предложен широкий ассортимент материалов P - политетрафторэтилен (тефлон или фторопласт-4); W - стекловолокно; которые на частоте 10 ГГц имеют диэлектрическую проницаемость ε ' = 2,2 - 10, тангенс угла диэлектрических потерь tgδ = 0,0023 - 0,0009.

Известен диэлектрический материал для изделий, работающих в СВЧ-диапазоне, имеющий многослойную структуру, выполненную из тонких пленок полиамида равной толщины d < 80 мкм для получения низких значений тангенса угла диэлектрических потерь. Наблюдается эффект необычно большого снижения тангенса угла диэлектрических потерь со значения 10^-4 для однослойных пленок до величины порядка 10^-5-10^-6 для многослойных образцов (RU2273969, МПК H05K 1/03 (2006.01) Опубликовано: 10.04.2006) [3].

Наличие в заявляемом изобретении иной функции многослойной диэлектрической структуры для использования в СВЧ-устройствах свидетельствует об изобретательском уровне заявляемого изобретения.

Перечень фигур графического изображения

Изобретение иллюстрируется фигурами чертежей.

Фиг. 1 - полосно-пропускающий фильтр, вид сверху.

Фиг. 2 - распространение электромагнитной волны в полосно- пропускающем фильтре, где римскими цифрами I, II, III обозначены резонаторы.

Фиг. 3 - заявляемый полосно-пропускающий фильтр, согнутый гармошкой в направлении продольной оси диэлектрической пластины.

Фиг. 4 - фотография изготовленного полосно-пропускающего фильтра.

Фиг. 5 - график зависимости модуля S-параметров в дБ полосно-пропускающего фильтра от частоты в ГГц, где |S₁₁| - коэффициент отражения (пунктирная линия), |S₂₁| - коэффициент прохождения (сплошная линия), точками изображен результат эксперимента.

Осуществление изобретения

Полосно-пропускающий фильтр (фиг. 1) содержит диэлектрическую пластину 1 из склеенных трех слоев фотобумаги для принтера, в которой для каждого слоя tgδ = 0,0009, ε = 3, на поверхности которой с двух сторон методом напыления нанесен металлический слой 2 из меди. Резонаторы образованы парами симметрично расположенных относительно продольной оси диэлектрической пластины металлических штырей 3. По краям пластины 1 установлены в отверстия два ряда вертикальных металлических цилиндрических штырей 4 того же диаметра, ограничивающих область распространения электромагнитной волны. На концах фильтра имеются СВЧ-вводы 5, 6, каждый из которых содержит согласованный входной микрополосковый переход 7 с сопротивлением 50 Ом и микрополосковый переход 8 в ИПВ. Размер переходных металлизированных отверстий и шаг между ними в диапазоне частот до 8-12 ГГц составляют 1,5 мм и 1,5 мм, соответственно.

Диэлектрическая пластина 1 выполнена из трех слоев фотобумаги для принтера и имеет толщину 0,69 мм, толщина одного слоя бумаги составляет 0,23 мм, слои фотобумаги соединены клеем на основе поливинилпирролидона. Высота металлических штырей, образующих резонаторы равна толщине одного слоя фотобумаги и составляет 0,23 мм.

Длина полосно-пропускающего фильтра, приведенного на фиг. 1 составляет 102 мм, а толщина - 0, 69 мм.

На фиг. 2 показано распространение электромагнитной волны в полосно-пропускающем фильтре, где римскими цифрами I, II, III обозначены резонаторы. Каждые две пары вертикальных металлических цилиндрических штырей 3 образуют резонаторы c добротностью Q_I, Q_II, Q_III, соответственно.

Электромагнитная волна, поданная на ввод 5 распространяется по согласованному переходу 7 и попадает в область микрополоскового перехода 8 в ИПВ, далее в резонатор I, часть волны проходит в другой резонатор II, а часть волны отражается и практически полностью поглощается на переходе 8 за счет согласованности перехода, прошедшая волна резонатор II попадает на другой резонатор III и продолжает распространяться по устройству далее в обратном порядке, так как устройство симметричное.

Выбор материала диэлектрической подложки определяется допусками вносимых потерь готового устройства, чем меньше диэлектрическая проницаемость, тем меньше потерь в полосе пропускания связанных с диэлектрической проницаемостью. В выбранном частотном диапазоне диэлектрическая проницаемость ε = 3, и тангенс диэлектрических потерь

tgδ = 0,0009 являются оптимальными значениями. Интервал значений диэлектрической проницаемости определяется производителем. Экспериментальные данные показали, что интервал значений ε = 2,8 - 3,2,

tgδ = 0,0001-0,0015 не приведет к заметному изменению амплитудно-частотной характеристики устройства на выбранной частоте.

На первом этапе структура ИПВ печатается на однослойной бумажной подложке. Еще два слоя бумажной подложки укладываются друг на друга, чтобы получить желаемую толщину подложки 0,69 мм после спекания напечатанного рисунка. Для склеивания бумажных подложек используется клей на основе поливинилпирролидона (ПВП) ЗИПСИЛ 720 РПМ-Э, его диэлектрическая проницаемость очень близка к проницаемости бумаги и составляет 2,5. Медная верхняя и нижняя заземляющая плоскость приклеиваются и сверлится в ней массив отверстий. Отверстия заливаются токопроводящей эпоксидной смолой или оловом для улучшения контактов между медными слоями. Толщина диэлектрической пластины составляет 0,69 мм, что достигается путем укладки в стопку трех слоев фотобумаги, при этом каждый из них имеет толщину 0,23 мм. Поскольку потери в проводнике можно минимизировать путем увеличения толщины подложки, то эта толщина была выбрана достаточно большой, чтобы уменьшить потери на излучение. Диэлектрическая проницаемость материала подложки составляет 3. Использовалась фотобумага Kodak для принтера (Kodak AZERTY5149) толщиной 0,23 мм. (Lolli, F. et al.: Electromagnetic characterization of paper-glue compound for system-in-package on paper (SiPoP) future developments. IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett., 22 (10) (2012), 545-547). [4]. Выбор этой фотобумаги обусловлен меньшей стоимостью по сравнению с другими известными марками фотобумаги для принтера.

При производстве отверстий в бумажной печатной плате производитель не гарантирует 100% залитие стенок отверстий для цилиндров металлом. Для обеспечения 100% металлизации цилиндров в каждое отверстие был вставлен кусочек проволоки и произведена пропайка отверстий с проволокой для обеспечения протекания и заполнения металлом.

На фиг. 3 приведен заявляемый полосно-пропускающий фильтр, согнутый гармошкой в направлении продольной оси диэлектрической пластины, с радиусом сгибания 3 мм на краях сгиба, чтобы не допустить излома/перегиба устройства. На прямых участках расстояние между поверхностями фильтра равно 0,5 мм, данные параметры позволяют исключить взаимные наводки, так как конструкция практически полностью экранированная.

В этом случае высота согнутого гармошкой фильтра составляет 8,07 мм, длина - 30 мм, что свидетельствует об уменьшении габаритных размеров фильтра в согнутом виде в 3,4 раза, что позволяет разметить фильтр на одной плате с другими элементами.

На фиг. 4 приведена фотография изготовленного полосно-пропускающего фильтра, где вертикальные штыри запаяны для обеспечения металлического контакта между металлическими слоями.

Прямоугольные SIW-устройства обладают характеристиками распространения, близкими к классическим прямоугольным волноводам, поэтому для начальных аппроксимаций можно использовать известные формулы для прямоугольных волноводов (Д.Л. Маттей, Л. Янг, Е.М. Джонс «Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, т. 1» // М.: изд-во «Связь», 1970, с. 393-400) [5]. Также для SIW-структур выведены эмпирические формулы для определения эквивалентной ширины прямоугольного SIW-волновода из классического прямоугольного:

(1)

где a_SIW и a_RWG соответственно ширина SIW и эквивалентного классического прямоугольного волновода, d и h - диаметр и высота вертикальных штырей, формирующих боковые стенки волновода.

Для уменьшения потерь на излучение в SIW-структурах сложного сечения накладываются общие правила для диаметров металлических штырей боковых стенок волновода и расстояний между ними. Хотя эти соотношения обычно считаются достаточными, они не всегда являются необходимыми.

d < 0.2 λ_g; s ≤ 2d, (2)

где λ_g - длина волны в волноводе, s - расстояния между центрами штырей. (Xu F., Wu K., Hong W. Domain decomposition FDTD algorithm combined with numerical TL calibration technique and its application in parameter extraction of substrate integrated circuits //IEEE transactions on microwave theory and techniques. - 2006. - Т. 54. - №. 1. - С. 329-338.) [6].

На фиг. 5 приведен график зависимости модуля S-параметров в дБ заявляемого полосно-пропускающего фильтра от частоты в ГГц, где |S₁₁| - коэффициент отражения (пунктирная линия), |S₂₁| - коэффициент прохождения (сплошная линия), точками изображен результат эксперимента. Результаты моделирования и экспериментальных измерений находятся в хорошем согласовании, различие в результатах обусловлены точностью изготовления, неоднородностью диэлектрической подложки, погрешностью измерений, а также неучтенными в ходе моделирования потерями.

Полосно-пропускающий фильтр обладает частотно-селективными свойствами, обеспечивая ширину полосы пропускания 10% и продольный размер 0.35 длины волны в волноводе и изготавливается по стандартной технологии создания печатных плат для изготовления-производства ИПВ.

Источники информации:

1. CN116544642 (A) МПК: G06F30/392; G06F30/398; H01P1/203; H01P1/212; H01P11/00- 2023-08-04. Ka satellite transmitting waveband broadband SIW band-pass filter and design method - прототип.

2. А.В. Парижанкова, В.В. Демшевский, И.А. Богачев, С.Б. Клюев, С.С. Сидоренко, В.В. Лободин. Интегрированные в подложку волноводы, их свойства и применимость при решении практических задач X- и Ku-Диапазонах. АО «НПП «Исток» им. Шокина». https://mwelectronics.etu.ru/assets/files/2024/sbornik/287-291.pdf.

3. RU2273969, МПК: H05K 1/03 (2006.01) Опубликовано: 10.04.2006.

4. Lolli, F. et al.: Electromagnetic characterization of paper-glue compound for system-in-package on paper (SiPoP) future developments. IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett., 22 (10) (2012), 545-547.

5. Д.Л. Маттей, Л. Янг, Е.М. Джонс «Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, т. 1» // М.: изд-во «Связь», 1970, с. 393-400.

6. Xu F., Wu K., Hong W. Domain decomposition FDTD algorithm combined with numerical TL calibration technique and its application in parameter extraction of substrate integrated circuits //IEEE transactions on microwave theory and techniques. - 2006. - Т. 54. - №. 1. - С. 329-338.

Изобретение относится к микрополосковым полосно-пропускающим фильтрам. Полосно-пропускающий фильтр, содержащий диэлектрическую пластину с металлизированными поверхностями, по краям которой установлены в отверстия два ряда вертикальных металлических цилиндрических штырей, ограничивающих область распространения электромагнитной волны, резонаторы образованы парами симметрично расположенных относительно продольной оси пластины металлических штырей того же диаметра, а на концах фильтра имеются микрополосковые СВЧ-вводы, согласованные с интегрированным в подложку волноводом. При этом диэлектрическая пластина выполнена из склеенных в стопку слоев фотобумаги для принтера одинаковой толщины, при этом диэлектрическая проницаемость одного слоя ε = 2,8-3,2 и тангенс угла диэлектрических потерь tgδ = 0,0001-0,0015. Технический результат - уменьшение габаритных размеров фильтра в согнутом виде в 3,4 раза, что позволяет разметить фильтр на одной плате с другими элементами. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Полосно-пропускающий фильтр, содержащий диэлектрическую пластину с металлизированными поверхностями, по краям которой установлены в отверстия два ряда вертикальных металлических цилиндрических штырей, ограничивающих область распространения электромагнитной волны, резонаторы образованы парами симметрично расположенных относительно продольной оси пластины металлических штырей того же диаметра, а на концах фильтра имеются микрополосковые СВЧ-вводы, согласованные с интегрированным в подложку волноводом, отличающийся тем, что диэлектрическая пластина выполнена из склеенных в стопку слоев фотобумаги для принтера одинаковой толщины, при этом диэлектрическая проницаемость одного слоя ε = 2,8-3,2 и тангенс угла диэлектрических потерь tgδ = 0,0001-0,0015.

2. Полосно-пропускающий фильтр по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическая пластина выполнена из трех слоев фотобумаги для принтера и имеет толщину 0,69 мм.

3. Полосно-пропускающий фильтр по п. 1, отличающийся тем, что толщина одного слоя фотобумаги составляет 0,23 мм.

4. Полосно-пропускающий фильтр по п. 1, отличающийся тем, что слои фотобумаги соединены клеем на основе поливинилпирролидона.

5. Полосно-пропускающий фильтр по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическая проницаемость одного слоя фотобумаги ε = 3.

6. Полосно-пропускающий фильтр по п. 1, отличающийся тем, что тангенс угла диэлектрических потерь одного слоя фотобумаги tgδ = 0,0009.

7. Полосно-пропускающий фильтр по п. 1, отличающийся тем, что высота металлических штырей, образующих резонаторы, равна толщине одного слоя фотобумаги и составляет 0,23 мм.

8. Полосно-пропускающий фильтр по п. 1, отличающийся тем, что СВЧ-ввод содержит согласованный входной микрополосковый переход с сопротивлением 50 Ом и согласованный переход в структуру интегрированного в подложку волновода.