Микрополосковый трансформатор сопротивлений

Изобретение относится к радиотехнике и технике СВЧ и может быть использовано в согласующе-трансформирующих микрополосковых СВЧ-устройствах с одновременной частотной селекцией колебаний и мод. Микрополосковый трансформатор сопротивлений содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположены два импедансных проводника с разными волновыми сопротивлениями. Между ними расположена частотно-селективная трансформирующая секция, выполненная в виде импедансной штыревой гребенки с симметричным относительно ее основания расположением не менее четырех штырей, и огибающих концы штырей с зазором двух наклонных планок, которые соединены с металлическим экраном. Сумма удвоенной длины первого штыря и ширины основания гребенки равна четверти замедленной длины волны, а также равна ширине импедансного проводника с меньшим волновым сопротивлением. Техническим результатом является четкая фиксация частоты отсечки, отсутствие высших полос пропускания и уменьшение геометрических размеров. 4 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и технике СВЧ и может быть использовано в согласующе-трансформирующих микрополосковых СВЧ-устройствах с одновременной частотной селекцией колебаний и мод.

Известны согласующие устройства в виде фильтров низких частот (ФНЧ), выполненных на основе Г-, Т- или П-образных ячеек, содержащих катушки индуктивности, подключаемые последовательно нагрузке, и конденсаторы, подключаемые параллельно нагрузке [Изюмов Н.М., Линде Д.П. Основы радиотехники. М.: Радио и связь, 1983].

Недостатком таких фильтров с сосредоточенными постоянными являются большие потери и малая собственная добротность в СВЧ-диапазоне.

Известны также одно- или многоступенчатые трансформаторы, представляющие собой фильтры низких частот, выполненные в виде соединения отрезков нерегулярно-включенных линий [Мещанов В.П., Тупикин В.Д., Чернышев С.Л. Коаксиальные пассивные устройства. Саратов, изд.-во СГУ, 1993; Миниатюрные устройства УВЧ- и ОВЧ-диапазонов на отрезках линий / Э.В.Зелях, А.Л.Фельдштейн, Л.Р.Явич, В.С.Брилон. М.: Радио и связь, 1989].

Недостатком известных устройств являются их большие продольные геометрические размеры.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является микрополосковый фильтр низких частот, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой выполнена штыревая гребенка и огибающая с зазором ее концы ломаная планка, которая соединена с изотропным металлическим экраном, выполненным с другой стороны подложки [Патент РФ на полезную модель №46389, МПК Н01Р 1/205 «Микрополосковый фильтр низких частот на штыревой гребенке». // А.А.Елизаров, Т.А.Лебедева. Опубл. в БИ №18, 2005].

Однако данное устройство не может быть использовано как согласующий трансформатор.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание малогабаритного микрополоскового трансформатора - фильтра низких частот с четкой фиксацией частоты отсечки, отсутствием высших полос пропускания и геометрическими размерами, меньшими четвертьволновой секции без ухудшения согласования в рабочей полосе частот.

Решение поставленной задачи обуславливается тем, что микрополосковый трансформатор - фильтр низких частот содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой с помощью металлизации созданы два импедансных проводника с разными волновыми сопротивлениями. Между ними расположена частотно-селективная трансформирующая секция, выполненная в виде импедансной штыревой гребенки с симметричным относительно ее основания расположением штырей, и огибающих концы штырей с зазором двух наклонных планок. Обе наклонные планки соединены с изотропным металлическим экраном, находящимся с другой стороны диэлектрической подложки. Конструкция частотно - селективной трансформирующей секции характеризуется также тем, что содержит не менее четырех штырей с линейно уменьшающейся длиной. Концы штырей срезаны под углом, равным углу наклона планок, причем расстояние между штырями гребенки выполняется равным ширине импедансного проводника, а зазор между штырями гребенки и планками - не более указанной ширины. Сумма удвоенной длины первого штыря и ширины основания гребенки равна четверти замедленной длины волны, а также равна ширине импедансного проводника с меньшим волновым сопротивлением.

Предлагаемый микрополосковый трансформатор - фильтр низких частот иллюстрируется на фиг.1-4. На фиг.1, 2 показаны варианты его топологии с разным количеством штырей, на фиг.3 - изометрия устройства, выполненного на диэлектрической подложке с габаритными размерами 112·41,5, на фиг.4 - результаты численного моделирования характеристик устройства.

Работа микрополоскового трансформатора - фильтра низких частот осуществляется следующим образом.

Между импедансными проводниками с разными волновыми сопротивлениями 1 и 2 и шириной соответственно W₁ и W₂, которые нанесены с помощью металлизации с одной стороны диэлектрической подложки, располагают частотно-селективную трансформирующую секцию 3 (фиг.1, 2). Указанная секция 3 выполняется в виде микрополосковой импедансной штыревой гребенки с симметричным относительно ее основания расположением штырей, и огибающих концы штырей с зазором двух наклонных планок 4. Обе наклонные планки 4 соединены с изотропным металлическим экраном, находящимся с другой стороны диэлектрической подложки. Конструкция частотно-селективной трансформирующей секции характеризуется также тем, что содержит не менее четырех штырей с линейно уменьшающейся длиной. Концы штырей срезаны под углом, равным углу наклона планок, причем расстояние между штырями гребенки выполняется равным ширине импедансного проводника, а зазор между штырями гребенки и планками - не более указанной ширины. Сумма удвоенной длины первого штыря и ширины основания гребенки равна четверти замедленной длины волны, а также равна ширине импедансного проводника с меньшим волновым сопротивлением - W₁.

Возможность достижения поставленной цели подтверждается результатами численного моделирования, полученными с помощью программы AWR Design Environment (Microwave Office v.6.53).

На фиг.4 показаны расчетные характеристики моделей согласующего трансформатора - фильтра низких частот с разной топологией гребенчатой штыревой секции в виде зависимостей безразмерного параметра S11, характеризующего согласование структуры (графики 1, 2) и комплексного коэффициента передачи S21 в дБ (графики 3, 4), от частоты в ГГц. Графики 1 и 3 получены для топологии структуры по фиг.1, графики 2 и 4 - по фиг.2. Ширина W₁ импедансного проводника для обеих топологий структур соответствует волновому сопротивлению 25 Ом, W₂ - волновому сопротивлению 50 Ом. Из анализа данных кривых следует, что увеличение числа штырей гребенчатой секции улучшает фильтровые свойства трансформатора и сдвигает АЧХ в более низкочастотную область при практически неизменном согласовании. При этом для топологии структуры по фиг.2 крутизна АЧХ вблизи частоты отсечки максимальна - частота среза на уровне -5 дБ составляет 1,0 ГГц, а на частоте 1,2 ГГц затухание уже более 40 дБ. Величина зазора между гребенкой и планками также влияет на крутизну АЧХ и целесообразно ее выбирать минимальной.

Принцип построения фильтра низких частот на планарной гребенчатой замедляющей системе заключается в следующем. Периодическая штыревая гребенка при последовательном включении в линию передачи пропускает электромагнитные волны, начиная с нулевой частоты - и до частоты среза, которая определяется свойствами гребенки, в режиме противофазного наложения волн, отраженных от первого четвертьволнового и последующих, меньших по размеру выступов. Для более четкой фиксации частоты отсечки периодической структуры в конструкции используются металлические планки, соединенные с экраном-подложкой на обратной стороне диэлектрической платы. Согласование микрополосковых линий с помощью предлагаемого трансформатора - фильтра низких частот обеспечивается за счет нерегулярности свойств структуры, волновое сопротивление которой меняется вдоль ее длины по линейному закону. Это позволяет обеспечить трансформацию сопротивлений при меньшей их геометрической длине и получить широкую полосу пропускания частот цепи.

Достоинством предложенного микрополоскового трансформатора - фильтра низких частот является также отсутствие высших паразитных полос пропускания. Это объясняется тем, что нерегулярные согласующие выступы гребенки на входе и на выходе одновременно фильтруют все частоты цепи выше частоты отсечки.

Микрополосковый трансформатор сопротивлений, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой выполнены два импедансных проводника с разными волновыми сопротивлениями, между которыми расположена частотно-селективная трансформирующая секция в виде импедансной штыревой гребенки с симметричным относительно ее основания расположением штырей, и огибающих с зазором концы штырей двух наклонных планок, которые соединены с изотропным металлическим экраном, находящимся с другой стороны диэлектрической подложки, отличающийся тем, что частотно-селективная трансформирующая секция содержит не менее четырех штырей с линейно уменьшающейся длиной, концы которых срезаны под углом, равным углу наклона планок, причем расстояние между штырями гребенки выполняется, равным ширине импедансного проводника с большим волновым сопротивлением, а зазор между штырями гребенки и планками не более указанной ширины, кроме того, сумма удвоенной длины первого штыря и ширины основания гребенки равна четверти замедленной длины волны, а также равна ширине импедансного проводника с меньшим волновым сопротивлением.