Полосковый полосно-пропускающий фильтр

 

Использование: частотно - селективные цепи СВЧ-диапазона. Сущность изобретения: полосно - пропускающий фильтр содержит диэлектрическую подложку с заземляющим основанием на одной стороне. На другой стороне диэлектрической подложки расположены полуволновые проводники, разомкнутые на концах, магнитно связаны в средней части и имеющие электромагнитную связь со стороны одних разомкнутых концов с двумя проводниками соответственно. Со стороны других разомкнутых концов полуволновые проводники электромагнитно связаны с дополнительными проводниками. Один проводник непосредственно соединен с входной линией передачи. Первый дополнительный проводник кондуктивно связан с входной линией передачи через один соединительный проводник. Другой проводник соединен с выходной линий передачи кондуктивно через другой соединительный проводник. Второй дополнительный проводник непосредственно соединен с выходной линией передачи. Между торцами проводников, а также между торцами дополнительных проводников осуществлена емкостная связь. 4 ил., 3 табл.

Изобретение относится к СВЧ технике, в частности к частотно-избирательным устройствам, и может быть использовано в технике связи, радиолокации, радионавигации, в измерительной технике.

Известен полосовый полосно-пропускающий фильтр (ППФ) с параллельно-связанными резонаторами [1] Этот фильтр содержит заземленную с одной стороны диэлектрическую подложку, на другой стороне которой размещены полуволновые проводники, электромагнитно связанные между собой, а крайние их них с входной и выходной линиями передачи. Области электромагнитной связи полуволновых проводников расположены на расстоянии l_i и l_i' от их ближних концов и проводников входной и выходной линии соответственно.

При этом l_i l_i' λ _3i/4, где λ_3i длина волны полюса затухания, обеспечиваемая областью электромагнитной связи; i 1, 2, индекс электромагнитной связи.

Вследствие того, что имеются вне области связи разомкнутые концы полуволновых проводников и проводников входной и выходной линий, от них происходит переотражение СВЧ-сигнала, в результате чего образуются полюсы затухания на длинах волн λ_3i. Все полюсы затухания расположены справа от центральной частоты полосы пропускания. Один из полюсов затухания можно расположить вблизи полосы пропускания и повысить тем самым крутизны высокочастотного ската амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Слева от центральной частоты, вблизи полосы пропускания, полюсов затухания нет. Значит крутизна левого ската АЧХ сравнительно малая. Кроме того, вследствие каскадной структуры, фильтр имеет большие потери в полосе пропускания, равные сумме потерь, вносимых каждым звеном.

Таким образом, известный ППФ имеет недостаточно высокую частотную селекцию и большие значения диссипативных потерь в полосе пропускания.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному полосковому ППФ является полосковый ППФ, который содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой размещено заземляющее основание, а на другой стороне расположены разомкнутые на концах полуволновые проводники цепочки емкостно-связанных резонаторов [2] Два полуволновых проводника крайних резонаторов цепочки магнитно связаны между собой в средней части и установлены зеркально отображенными относительно оси, проходящей перпендикулярно силовым линиям магнитной связи. Для возбуждения цепочки резонаторов ППФ содержит два проводника, электромагнитно связанных с полуволновыми проводниками со стороны одних зеркально отображенных концов соответственно, причем одни концы обоих проводников непосредственно соединены с входной и выходной линиями передачи соответственно.

В числе перечисленных признаков прототипа общими для него и предложенного устройства являются следующие существенные признаки: наличие диэлектрической подложки, на одной стороне которой размещено заземляющее основание, а на другой стороне расположены два полуволновых проводника, разомкнутых на концах, магнитно связанных между собой в средней части и установленных зеркально отображенными относительно оси, проходящей перпендикулярно силовым линиям магнитной связи, два проводника, электромагнитно связанных с полуволновыми проводниками со стороны одних зеркально отображенных концов соответственно, и входная и выходная линии передачи, конец одного проводника, электромагнитно связанного с первым полуволновым проводником, соединен с входной линией передачи непосредственно.

Недостатком прототипа является невысокий уровень частотной селекции и большие потери в полосе пропускания. Это обусловлено следующим: известный фильтр вследствие наличия емкостной связи между соседними резонаторами цепочки и дополнительной магнитной связи между крайними резонаторами цепочки формирует АЧХ с одной парой полюсов, причем один полюс расположен слева от центральной частоты, а другой полюс справа. В полосе заграждения АЧХ имеет "провалы" минимумы, определяющие гарантированное затухание (b_гар). Значение b_гар невысокое 25-30 дБ.

В таком фильтре для улучшения селекции имеются два возможных способа: увеличение числа резонаторов в цепочке и сближение полюсов путем варьирования параметров, определяющих электрическую и магнитную связи между резонаторами.

По первому способу при увеличении числа резонаторов (звеньев) в полосе пропускания увеличиваются диссипативные потери, которые в первом приближении равны сумме потерь вносимых каждым резонато- ром цепочки. Увеличение потерь приводит к сужению полосы пропускания. Коэффициент прямоугольности К_п при этом изменяется незначительно.

По второму способу при приближении полюсов затухания к границам полосы пропускания затухания фильтра в полосе заграждения уменьшается, поскольку при больших отстойках энергия в нагрузку поступает по дополнительному каналу связи, при этом также существенно увеличиваются потери в полосе пропускания.

Шестизвенный фильтр имеет следующие электрические параметры: b_гар≅ 30 дБ; потери в полосе пропускания b_о≈3 дБ; К_пU_з/U_п 1,4; где U_з полоса загружения, вычисленная по уровню b_гар 30 дБ; U_п полоса пропускания, вычисленная по уровню b_п b_о + 0,5 дБ; U_п 5% Таким образом, ни один из возможных способов не приводит к существенному улучшению частотной селекции при одновременном сохранении малых значений диссипативных потерь в полосе пропускания.

Следовательно, полосковый полосно-пропускающий фильтр, выбранный в качестве прототипа, обладает недостаточно высокой частотной селекцией и большими потерями в полосе пропускания.

Цель изобретения создание полоскового полосно-пропускающего фильтра, обеспечивающего повышение частотной селекции при одновременном сохранении малых значений диссипативных потерь в полосе пропускания.

Это достигается тем, что в полосковый полосно-пропускающий фильтр, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой размещено заземляющее основание, а на другой стороне расположены две полуволновых проводника, разомкнутых на концах, магнитно связанных между собой в средней части и установленных зеркально отображенными относительно оси, проходящей перпендикулярно силовым линиям магнитной связи, два проводника, электромагнитно связанных с полуволновыми проводниками со стороны одних зеркально отображенных концов соответственно, и входную и выходную линии передачи, конец одного проводника, электромагнитно связанного с первым полуволновым проводником, соединен с входной линией передачи непосредственно, введены два дополнительных проводника, электромагнитно связанных с полуволновыми проводниками со стороны других зеркально отображенных концов соответственно, причем удаленный от оси конец одного дополнительного проводника, электромагнитно связанного с первым полуволновым проводником, кондуктивно связан с входной линией передачи через один введенный соединенный проводник, а удаленный конец другого дополнительного проводника, электромагнитно связанного с вторым полуволновым проводником, непосредственно соединен с выходной линией передачи, и удаленный конец другого проводника, электромагнитно связанный с вторым полуволновым проводником, соединен с выходной линией передачи кондуктивно через другой введенный соединительный проводник, причем приближенные к оси концы двух проводников и концы двух дополнительных проводников имеют между собой емкостную связь соответственно.

На фиг. 1 показан предлагаемый фильтр в микрополосковом исполнении; на фиг. 2 схема замещения предлагаемого фильтра; на фиг. 3 схема замещения предлагаемого фильтра на частотах, расположенных за пределами полосы пропускания; на фиг. 4 расчетная АЧХ предлагаемого фильтра, полученная на ПЭВМ.

На чертежах и в тексте приняты следующие обозначения: 00' ось, проходящая перпендикулярно силовым линиям магнитной связи между полуволновыми проводниками; S₁ зазоры, обеспечивающие электромагнитную связь полуволновых проводников 5, 6 с проводниками 7, 8 и дополнительными проводниками 9, 10 соответственно; S₂ зазор, обеспечивающий магнитную связь между полуволновыми проводниками 5, 6; W ширина введенных соединительных проводников 11, 12; W₁ ширина проводников 7, 8, дополнительных проводников 9, 10 и концевых участков полуволновых проводников 5, 6; W₂ ширина полуволновых проводников 5, 6 в их средней части; l₂ геометрическая длина средней части полуволновых проводников 5, 6; l₁ геометрическая длина концевых участков полуволновых проводников 5, 6; l геометрическая длина зазора между торцами концевых участков полуволновых проводников 5, 6 и введенными соединительными проводниками 11, 12 соответственно (l 2-3h, где h толщина подложки).

Предлагаемый полосковый полосно-пропускающий фильтр выполнен на полосковой линии (симметричной или микрополосковой).

В микрополосковом исполнении фильтр содержит диэлектрическую подложку 1 с за- земляющим основанием 2. На подложку 1 нанесены проводники входной 3 и выходной 4 линий передачи, два полуволновых проводника 5, 6 разомкнутых на концах, магнитно связанных между собой в средней части и установленных зеркально отображенными относительно оси 00', проходящей перпендикулярно силовым линиям магнитной связи, два проводника 7, 8 электромагнитно связанных с полуволновыми проводниками 5, 6 со стороны одних зеркально отображенных концов соответственно, два дополнительных проводника 9, 10 электромагнитно связанных с полуволновыми проводниками 5, 6 со стороны других зеркально отображенных концов.

Нанесенный на подложку 1 введенный соединительный проводник 11 кондуктивно связывает удаленный от оси 00' конец дополнительного проводника 9 с входной 3 линией передачи, а нанесенный на подложку 1 введенный проводник 12 кондуктивно соединяет удаленный от оси 00' конец проводника 8 с выходной 4 линией передачи. Конец проводника 7 непосредственно соединен в сечении i с входной 3 линией передачи, а удаленный от оси 00' конец дополнительного проводника 10 непосредственно соединен в сечении i' с выходной линией передачи.

Полосковый полосно-пропускающий фильтр работает следующим образом.

СВЧ-сигнал, поступающий по входной линии передачи 3 проходит с малым затуханием к выходной линии передачи 4, если его частота находится в полосе пропускания фильтра и имеет высокий уровень отражения в других частотных интервалах. АЧХ фильтра (см.фиг.4) имеет два полюса затухания, расположенных слева от центральной частоты f_o, и два полюса, расположенных справа от центральной частоты в непосредственной близости от полосы пропускания. Наличие полюсов f_п1, f_п2, f_п3, f_п4 существенно повышает частотную селекцию при одновременно малых значениях диссипативных потерь в полосе пропускания и затухания в полосе заграждения.

Для обоснования наличия полюсов проведен анализ схемы замещения предлагаемого фильтра, которая изображена на фиг.2. Схема составлена на том основании, что для узких или умеренно широких полос пропускания каждая параллельно связанная секция длиной l₁ эквивалентна каскадному соединению последовательной емкости С₁ и отрезка линии передачи с волновым сопротивлением ρ (см. Фильтры и цепи СВЧ. Перевод с английского Л.В.Алексеева и др. М. Связь, 1976, с. 153). На схеме замещения емкости С образованы емкостными зазорами S, а длина l' отрезков 11, 12 равна l' l + +l₁ + l₂.

Представленная схема замещения очень сложна для аналитического описания, но для объяснения происхождения полюсов затухания этого не требуется. Рассмотрим ее работу в определенных частотных интервалах.

1. Пусть частотный интервал ограничен полосой пропускания фильтра и в непосредственной близости от нее. В этом интервале АЧХ формируется только частью общей структуры, а именно резонансными элементами, содержащими полуволновые проводники 5, 6, между которыми существует магнитная связь и дополнительная емкостная связь, образованная емкостью С. Такая схема формирует АЧХ ППФ с двумя полюсами затухания f_п2, f_п3, которые расположены в непосредственной близости от полосы пропускания по обе стороны от нее.

2. На частотах, расположенных вне полосы пропускания слева и справа от нее, длина полуволновых отрезков 5, 6 отлична от резонансной, входное сопротивление резонаторов велико, и схему замещения, изображенную на фиг.2, можно представить в виде, изображенном на фиг.3. Известно (см. Осипенков В.М. Частотно-селективное звено СВЧ, реализующее полюсы затухания. Радиотехника и электроника, т. 35, N 6, 1989, с. 1250), что звено, изображенное на фиг.3, формирует АЧХ с полюсами затухания на конечных частотах.

Таким образом, исследуемая структура фильтра формирует АЧХ с двумя парами полюсов, расположенных слева и справа от полосы пропускания в малой близости от нее. Природа происхождения пар полюсов разная. Одна пара полюсов (f_п2, f_п3) образуется за счет наличия в структуре магнитной связи между резонаторами и емкостной связи между торцами проводников 7, 8, и также емкостной связи между торцами дополнительных проводников 9, 10. Другая пара полюсов (f_п3, f_п4) есть результат того, что структура предложенного фильтра на частотах, удаленных от полосы пропускания, представляет собой известное звено, реализующее полосы затухания на конечных частотах. При этом звено образовано параллельным соединением двух цепей. Одна цепь содержит следующие каскадно соединенные схемные элементы: отрезок линии передачи длиной l' и связанный с ним через емкость С отрезок линии передачи длиной l₁. Другая цепь содержит такие же схемные элементы, но включенные по направлению передачи сигнала "встречно".

Наличие в АЧХ двух пар полюсов обеспечивает повышение минимального уровня затухания (b_гар.) и существенное увеличение селективности (уменьшение К_п), при этом фильтр имеет малые значения диссипативных потерь, которые практически равны сумме потерь вносимых двумя резонаторами. Напомним, что увеличение селективности в известном фильтре осуществляется за счет увеличения числа резонатора, что приводит к существенному увеличению потерь.

На фиг. 4 изображена расчетная АЧХ предлагаемого фильтра, полученная на ПЭВМ. Анализ и оптимизация структуры фильтра проводили методом декомпозиции на основе математических моделей высокого уровня с помощью системы автоматизированного проектирования "Фильтр СВЧ". Соотношения между полосой пропускания и геометрическими параметрами фильтра представлены в табл.1, где символами U_0,5, U₁, U₃ обозначены относительные полосы пропускания, вычисленные по уровням b₀ + 0,5 дБ, b₀+ 1 дБ, b₀ + 3 дБ соответственно (b₀ потери в полосе пропускания).

Соотношения между другими значениями полосы пропускания в геометрическими размерами и на других заданных частотах f_о могут быть получены с помощью указанной программы "Фильтр СВЧ".

Предлагаемый фильтр может быть использован при относительных полосах пропускания, изменяющихся от 2 до 28% В табл. 2 и 3 приведены для сравнения рассчитанные электрические параметры предлагаемого фильтра и двухзвенного фильтра-прототипа соответственно. В таблицах символами обозначены: U_п полоса пропускания, измеренная по уровню затухания b_о + 3 дБ; К²₃⁰, К³₃⁰, К⁴₃⁰ коэффициенты прямоугольности АЧХ, которые равны отношению полос заграждения, вычисленных по уровню затухания 20, 30, 40 дБ к полосе пропускания U_п соответственно.

b_о начальные тепловые потери в полосе пропускания.

Из сравнения полосковых полосно-пропускающих фильтров, выполненных по предлагаемой схеме и схеме прототипа видно, что частотная селекция предлагаемого фильтра, характеризуемая коэффициентом прямоугольности К_пв два и более раз выше частотной селекции фильтра-прототипа, при этом потери b_о у сравниваемых фильтров примерно одинаковые. Анализ на ПЭВМ показывает, что предлагаемый фильтр, содержащий 2 резонатора по частотной селекции эквивалентен 5-звенному полиноминальному фильтру и 4-звенному фильтру-прототипу с полюсами затухания на конечных частотах. Потери b_о в указанных фильтрах в 2,5-3 раза (по децибелам) больше, чем у предлагаемого фильтра.

Таким о бразом, использование изобретения позволит повысить частотную селекцию сигнала при одновременном сохранении малых значений диссипативных потерь в полосе пропускания.

Формула изобретения

ПОЛОСКОВЫЙ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой размещено заземляющее основание, а на другой стороне - два полуволновых проводника, разомкнутых на концах, магнитно связанных между собой в средней части и установленных зеркально отображенными относительно оси, проходящей перпендикулярно силовым линиям магнитной связи, два проводника, электромагнитно связанных с полуволновыми проводниками со стороны одних зеркально отображенных концов соответственно, а входная и выходная линии передачи, конец одного проводника, электромагнитно связанного с первым полуволновым проводником, соединены с входной линией передачи непосредственно, отличающийся тем, что в него введены два дополнительных проводника, электромагнитно связанных с полуволновыми проводниками со стороны других зеркально отображенных концов соответственно, причем удаленный от оси конец одного дополнительного проводника, электромагнитно связанного с первым полуволновым проводником, кондуктивно связан с входной линией передачи через один введенный соединительный проводник, а удаленный конец другого дополнительного проводника, электромагнитно связанного с вторым полуволновым проводником, непосредственно соединен с выходной линией передачи и удаленный конец другого проводника, электромагнитно связанный с вторым полуволновым проводником, соединен с выходной линией передачи кондуктивно через другой введенный соединительный проводник, причем приближенные к оси концы двух проводников и концы двух дополнительных проводников имеют между собой емкостную связь соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6