Полосковый полосно-пропускающий фильтр (варианты)

 

Изобретение относится к СВЧ-технике и может быть использовано в технике связи, радиолокации, телевидении, в измерительной технике. Техническим результатом является повышение избирательности. Это достигается за счет того, что в полосковом полосно-пропускающем фильтре, содержащем две наружные металлические пластины, между которыми расположены параллельные индуктивные стержни, передающий проводник, концы которого соединены непосредственно с проводниками входной и выходной линий передачи соответственно, проводники резонаторов, которые разнесены один от другого вдоль передающего проводника, имеют с ним кондуктивную связь, одни концы проводников резонаторов соединены непосредственно с параллельными индуктивными стержнями соответственно. Длина проводников резонаторов выбирается меньше 1/4 длины волны, а их другие концы при этом разомкнуты, или длина проводников резонаторов выбирается меньше 1/2 длины волны, а их другие концы при этом короткозамкнуты на постоянном токе. Введены дополнительные проводники, посредством которых осуществлена кондуктивная связь проводников резонаторов с передающим проводником. Проводники резонаторов выполнены в форме, например изогнутыми в средней части, обеспечивающей наличие зазоров между ними, через которые осуществлена емкостная связь. 2 с.п.ф-лы, 2 ил., 1 табл.

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

Известен полосковый полосно-пропускающий фильтр (ППФ), описанный в статье "Узкополосные фильтры СВЧ с большой крутизной скатов характеристики вносимых потерь". Вопросы радиоэлектроники, сер. Общетехническая, 1960, вып. 23, стр. 22 - 30; авторы: Воробцов А. И., Рахманов В.С.

Этот фильтр выполнен на симметричной воздушной полосковой линии и содержит две наружные металлические пластины, между которыми расположены параллельные индуктивные стержни и передающий проводник, концы которого соединены непосредственно с проводниками входной и выходной линий передачи соответственно. Каждый конец полуволнового отрезка (участка) передающего проводника соединен непосредственно с параллельным индуктивным стержнем соответственно, а осевая линия параллельного индуктивного стержня пересекает осевую линию передающего проводника. (Согласно принятой в технике СВЧ терминологии, под понятием "параллельный индуктивный стержень" в симметричной полосковой линии понимается металлический стержень, соединяющий передающий проводник с двумя наружными металлическими пластинами соответственно. Параллельный индуктивный стержень короткозамыкает линию передачи на постоянном токе, а на СВЧ вносит в линию передачи неоднородность, эквивалентную параллельно включенной индуктивности. См., например, Справочник по элементам полосковой техники/ Под редакцией Фельдштейна А. Л. - М.: Связь, 1979, с. 197. ) Указанный ППФ обладает следующим недостатком - имеет малую избирательность. Объясняется это тем, что амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) рассматриваемого фильтра не имеет полюсов затухания вблизи полосы пропускания и, следовательно, крутизна скатов АЧХ недостаточно высокая.

Таким образом, известный полосковый полосно-пропускающий фильтр имеет малую избирательность.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному полосковому полосно-пропускающему фильтру является полосковый фильтр по Авт. свид. N 198417, Бюллетень N 14, 1967; авторы: Фельдштейн А.Л., Смирнов В.П., Русанов Б.П., Исаков А.И.

Этот фильтр выполнен на симметричной воздушной полосковой линии и содержит две наружные металлические пластины, между которыми расположены параллельные индуктивные стержни, передающий проводник, концы которого соединены непосредственно с проводниками входной и выходной линий передачи соответственно, проводники резонаторов, которые разнесены один от другого вдоль передающего проводника, имеют с ним непосредственную кондуктивную связь и одни их концы соединены непосредственно с параллельными индуктивными стержнями соответственно. Длина проводников резонаторов выбрана меньше одной четверти длины волны, а другие их концы разомкнуты. Известной из теории длинных линий альтернативой фильтру-прототипу является фильтр, длина проводников резонаторов которого выбрана иной, а именно меньше половины длины волны, но при этом их другие концы короткозамкнуты на постоянном токе. Короткое замыкание осуществляют разными способами: посредством металлических пластин, дополнительных параллельных индуктивных стержней и т.д.

Недостатком фильтра-прототипа является малая избирательность.

Это обусловлено следующими причинами. Из теории фильтров известно, что из всего многообразия структур наименьшую избирательность имеют полиномиальные фильтры, т. е. такие фильтры, АЧХ которых описывается полиномами. Структуры, обеспечивающие существование полюсов затухания вблизи полосы пропускания, позволяют существенно повысить избирательность, которую можно характеризовать крутизной скатов АЧХ. Чем ближе к полосе пропускания располагается полюс, тем больше крутизна ската и, тем самым, выше избирательность. В фильтре-прототипе резонатор представляет собой совокупность параллельного индуктивного стержня и проводника резонатора (параллельно включенного шлейфа), длина и граничные условия на концах которого выбираются из условия обеспечения в сечении его включения емкостной проводимости на центральной частоте полосы пропускания. Наличие параллельно включенного шлейфа в структуре резонатора гарантирует существование полюса затухания. При этом для случая разомкнутого шлейфа длина (1) проводника резонатора и полюс затухания (Ω_∞) определяются из системы уравнений: где ρ - нормированное волновое сопротивление шлейфа; X_L- нормированное индуктивное сопротивление параллельного индуктивного стержня; λ_o - длина волны, соответствующая центральной частоте полосы пропускания; Ω = f/f₀ - относительная частота; f₀ - центральная частота полосы пропускания.

Если выбран короткозамкнутый шлейф, то его длина и полюс затухания определяются из аналогичной (1) системы уравнений: Анализ аналитических выражений, входящих в системы (1), (2) показывает, что полюс затухания находится по частотной оси выше полосы пропускания. Его расположение зависит от значения индуктивного сопротивления X_L, определяющего также ширину полосы пропускания. Для вычисленной, например, по уровню 3 дБ полосы пропускания (V₃) V₃=5,5%, при разомкнутом шлейфе, X_L=0,144; l/λ_o = 0,227; ρ = 1, значение полюса равно Ω_∞ = 1,1. Из этого примера видно, что от центральной частоты (Ω = 1) полосы пропускания полюс расположен выше на 10% и, следовательно, мало влияет на избирательность, которая сравнима с избирательностью полиномиального фильтра. Аналогично, полюс затухания слабо влияет на избирательность при других полосах пропускания, а также при короткозамкнутом шлейфе.

Таким образом, фильтр-прототип имеет малую избирательность.

Целью изобретения является создание полоскового полосно-пропускающего фильтра, обеспечивающего повышение избирательности.

Поставленная цель достигается тем, что в полосковом полосно-пропускающем фильтре, содержащем две наружные металлические пластины, между которыми расположены параллельные индуктивные стержни, передающий проводник, концы которого соединены непосредственно с проводниками входной и выходной линий передачи соответственно, проводники резонаторов, которые разнесены один от другого вдоль передающего проводника, имеют с ним кондуктивную связь и одни их концы соединены непосредственно с параллельными индуктивными стержнями соответственно, причем длина проводников резонаторов выбирается меньше одной четверти длины волны, а их другие концы при этом разомкнуты или длина проводников резонаторов выбирается меньше одной половины длины волны, а их другие концы при этом короткозамкнуты на постоянном токе, согласно изобретению введены дополнительные проводники, посредством которых осуществлена кондуктивная связь проводников резонаторов с передающим проводником и проводники резонаторов выполнены в форме, например, изогнутыми в средней части, обеспечивающей наличие зазоров между ними, через которые осуществлена емкостная связь.

Изобретение поясняется следующим описанием и чертежами.

На фиг. 1 изображена конструкция предлагаемого фильтра.

На фиг. 2 изображена АЧХ предлагаемого фильтра.

На фиг. 1, 2 и в тексте приняты следующие обозначения:
1, 2 - наружные металлические пластины;
3, 4 - проводники входной и выходной линий передачи;
5 - передающий проводник;
6, 7 - проводники резонаторов;
8, 9 - параллельные индуктивные стержни;
10, 11 - дополнительные параллельные индуктивные стержни;
12, 13 - дополнительные проводники;
S₁ - зазор между проводниками резонаторов;
l₁ - длина дополнительных проводников;
i, i¹ - условно выбранные сечения, в которых концы передающего проводника 5 соединены непосредственно с проводником 3 входной и проводником 4 выходной линий передачи;
L_гар- гарантированное затухание;
Ω_∞1. - первый по счету от полосы пропускания полюс затухания;
Ω_∞2.- второй по счету от полосы пропускания полюс затухания.

Предлагаемый полосковый полосно-пропускающий фильтр выполнен на симметричной воздушной полосковой линии. Он содержит наружные металлические пластины 1, 2, между которыми расположены: передающий проводник 5, концы которого соединены непосредственно в условно выбранных сечениях i, i¹ с проводниками 3, 4 входной и выходной линий передачи соответственно и проводники резонаторов 6, 7, одни концы которых соединены непосредственно с параллельными индуктивными стержнями 8, 9. Другие концы проводников резонаторов 6, 7 короткозамкнуты на постоянном токе посредством дополнительных параллельных индуктивных стержней 10, 11. Отметим, что в альтернативных структурах фильтра другие концы проводников резонаторов 6, 7 могут быть разомкнуты или короткозамкнуты на постоянном токе посредством одного дополнительного параллельного индуктивного стержня, общего для двух соседних проводников резонаторов или короткозамкнуты другими способами. Проводники резонаторов 6, 7 кондуктивно связаны с передающим проводником 5 посредством введенных дополнительных проводников 12, 13, длина которых l₁. Форма выполнения проводников резонаторов 6, 7 выбирается из условия обеспечения между ними зазоров S₁ через которые осуществляется емкостная связь, при этом форма выполнения может быть разнообразной, например, Т-образная форма, проводники резонаторов могут быть изогнутыми в средней части и т. д.

Полосковый полосно-пропускающий фильтр работает следующим образом.

СВЧ-сигнал, поступающий по входной линии передачи 3, проходит к выходной линии передачи 4 с малым затуханием в заданной полосе частот-полосе пропускания и вследствие отражения проходит с большим затуханием в полосе заграждения. Предложенный фильтр имеет высокую избирательность посредством увеличения крутизны одного из двух скатов АЧХ: или высокочастотного, расположенного по оси частот выше полосы пропускания, или низкочастотного, расположенного ниже полосы пропускания. Для увеличения крутизны ската в структуре фильтра созданы два условия. Во-первых, благодаря наличию введенных дополнительных проводников, полюс затухания значительно приближается к полосе пропускания. Это подтверждается экспериментально и с помощью аналитических выражений, приведенных ниже. Для случая разомкнутого шлейфа длина проводника резонатора и полюс затухания определяются из системы уравнений:

где ρ₁ - нормированное волновое сопротивление линии передачи с введенным дополнительным проводником;
l₁- длина дополнительного проводника.

В альтернативной структуре при выбранном короткозамкнутом шлейфе его длина и полюс затухания определяются из системы уравнений:

Вычисленные по формулам (3), (4) основные параметры резонатора, имеющего кондуктивную связь с передающим проводником посредством введенного дополнительного проводника, представлены в таблице. В ней, в третьей строке, приведены для сравнения основные параметры с непосредственной кондуктивной связью с передающим проводником (резонатор фильтра-прототипа). Таблица составлена для альтернативной структуры резонатора, короткозамкнутого на другом конце.

Анализ табличных данных показывает следующее: расположение полюса затухания относительно полосы пропускания определяется в значительной мере длиной l₁ дополнительного проводника. Так, у резонатора фильтра-прототипа (l₁/λ_o= 0) с полосой пропускания V₃=3,5% полюс удален на 5,3% от центральной частоты f₀. Полюс слабо влияет на крутизну ската АЧХ и тем самым мало влияет на повышение избирательности. У предложенного фильтра с полосой V₃ больше 3,5% при относительной длине дополнительного проводника l₁/λ_o= 0,07 полюс удален на 1,6% от центра полосы пропускания. По сравнению с фильтром-прототипом переходная область частот от полосы пропускания и высокочастотной части полосы заграждения сужена в 3,3 раза. При увеличении l₁/λ_o(l₁< λ_o/4) полюс еще ближе приближается к полосе пропускания, оставаясь с правой высокочастотной стороны от нее. Если выбрать l₁ > то полюс затухания "мигрирует" с правой высокочастотной полосы заграждения в левую низкочастотную область частот. Как видно из таблицы, при l₁/λ_o= 0,43, полюс затухания располагается слева от полосы пропускания и удален на 2% от центральной частоты f₀. Представленные числовые данные позволяют сделать вывод о существенном повышении крутизны любого одного из двух скатов АЧХ и, тем самым, можно сделать вывод о повышении избирательности посредством введенных дополнительных проводников.

Повышение избирательности, во-вторых, обеспечивается тем, что при каскадном соединении двух и более резонаторов, между ними (по меньшей мере между двумя соседними) осуществлена емкостная связь, реализованная посредством зазоров между проводниками резонаторов. Введение емкостной связи приводит к расщеплению полюса затухания. Для дальнейшего отметим, что полюс характеризуется порядком, который соответствует числу резонаторов. Для простейшего случая, когда каскадно соединены только два резонатора, наличие емкостной связи приводит к тому, что полюс второго порядка расщепляется на два полюса первого порядка. При этом один полюс первого порядка удаляется от полосы пропускания, а другой - наоборот, приближается к ней. За счет этого приблизившегося полюса дополнительно (на 0,2-2%) сужается переходная область частот и, тем самым, дополнительно повышается избирательность. Необходимо отметить, что наряду с повышением избирательности, при введении емкостной связи одновременно уменьшается L_гар, поэтому при проектировании фильтра выбирают оптимальные компромиссные соотношения по избирательности и гарантированному затуханию.

Достижимые основные параметры предлагаемого фильтра: относительная полоса пропускания (%) V₃ = 0,2-10; отношение полюса затухания (f_∞) к центральной частоте (f₀ полосы пропускания (избирательность по одному скату АЧХ) f_∞/f_o (или f_o/f_∞ = 1,01; гарантированное затухание в полосе заграждения L_гар = 20 дБ и более.

Экспериментально полученные основные параметры предлагаемого ППФ с двумя емкостно связанными между собой резонаторами и относительной длиной дополнительного проводника l₁/λ_o = 0,05: центральная частота полосы пропускания f₀ = 706 МГц; измеренная по уровню 3 дБ относительная полоса пропускания V₃ = 5,6%; ближний к полосе пропускания полюс затухания f_∞1 = 718,9 МГц; гарантированное затухание в полосе заграждения L_гар = 35 дБ; f_∞1/f_o = 1,019.

У двухрезонаторного фильтра-прототипа с относительной полосой пропускания V₃ = 5,5% и L_гар = 35 дБ отношение f_∞1/f_o =1,1.

Из представленных экспериментальных данных видно, что по сравнению с фильтром-прототипом у предлагаемого фильтра переходная полоса на 8% меньше и, следовательно, существенно выше избирательность по высокочастотному скату АЧХ (избирательность по низкочастотному скату АЧХ у сравниваемых фильтров примерно одинаковая).

Таким образом, использование изобретения позволит повысить избирательность.

Формула изобретения

1. Полосковый полосно-пропускающий фильтр, содержащий две наружные металлические пластины, между которыми расположены параллельные индуктивные стержни, передающий проводник, концы которого соединены непосредственно с проводниками входной и выходной линий передачи соответственно, проводники резонаторов, которые разнесены один от другого вдоль передающего проводника, имеют с ним кондуктивную связь и их одни концы соединены непосредственно с параллельными индуктивными стержнями соответственно, причем длина проводников резонаторов выбирается меньше 1/4 длины волны, а их другие концы при этом разомкнуты, отличающийся тем, что введены дополнительные проводники, посредством которых осуществлена кондуктивная связь проводников резонаторов с передающим проводником и проводники резонаторов выполнены в форме, обеспечивающей наличие зазоров между ними, через которые осуществлена емкостная связь.

2. Полосковый полосно-пропускающий фильтр, содержащий две наружные металлические пластины, между которыми расположены параллельные индуктивные стержни, передающий проводник, концы которого соединены непосредственно с проводниками входной и выходной линий передачи соответственно, проводники резонаторов, которые разнесены один от другого вдоль передающего проводника, имеют с ним кондуктивную связь и их одни концы соединены непосредственно с параллельными индуктивными стержнями соответственно, причем длина проводников резонаторов выбирается меньше 1/2 длины волны, а их другие концы при этом короткозамкнуты на постоянном токе, отличающийся тем, что введены дополнительные проводники, посредством которых осуществлена кондуктивная связь проводников резонаторов с передающим проводником, и проводники резонаторов выполнены в форме, обеспечивающей наличие зазоров между ними, через которые осуществлена емкостная связь.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3