Волноводный керамический фильтр
Владельцы патента RU 2462799:
ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "СПЕЦИАЛЬНОЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ БЮРО ПО РЕЛЕЙНОЙ ТЕХНИКЕ" (ОАО "СКТБ РТ") (RU)
Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и предназначено для использования, преимущественно, в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн. Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение возможностей настройки фильтра для реализации большей номенклатуры изделий на основе базового керамического блока, а также увеличение его механической прочности. Для достижения указанного выше технического результата предлагается керамический волноводный фильтр в виде металлизированного прямоугольного керамического блока, в котором сквозные металлизированные отверстия выполняют функции индуктивных стержневых диафрагм. Для настройки резонаторов фильтра используются в различных сочетаниях глухие металлизированные, глухие неметаллизированные, а также глухие и сквозные частично металлизированные отверстия. Подстройка согласования фильтра с входной и выходной линиями передачи после установки фильтра на плату производится за счет изменения длины короткозамкнутых отрезков копланарных линий на торцевых гранях керамического блока. 6 ил.
Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и предназначено для использования в устройствах частотной селекции, преимущественно, в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн.
Известна конструкция фильтров на полых волноводах с поперечными плоскими емкостными и индуктивными диафрагмами и стержневыми индуктивными диафрагмами [Семенов Н.А. Техническая электродинамика. - М.: «Связь», 1973, с.394-397].
Известна конструкция фильтра на полых волноводах с Е-плоскостными диафрагмами [патент US 2004/0017272 A1, Jan.29, 2004].
Одним из недостатков этих фильтров является необходимость применения специальных переходов для использования их в устройствах на микрополосковых и копланарных линиях, что увеличивает габариты изделия.
Известна конструкция фильтра на основе металлизированного высокодобротного блока в форме прямоугольного параллелепипеда из термостабильной керамики, в котором сформирована цепочка резонаторов на связанных симметричных полосковых линиях с внутренними проводниками, образованными металлизированными отверстиями в керамическом блоке и металлизированными гранями блока, по схеме гребенчатых и встречно-стержневых фильтров с элементами связи в виде разомкнутых отрезков копланарных линий [патент RU 22480745 С1].
Фильтры изготавливаются по отработанной технологии, имеют малое затухание в полосе пропускания на частотах менее 10 ГГц. В более высокочастотном диапазоне размеры фильтров становятся миниатюрными, поскольку длина резонатора на основной ТЕМ-моде ~λ/4 (где λ - длина волны в диэлектрике), вследствие чего технологические погрешности оказывают сильное влияние на характеристики фильтра и затрудняют его реализацию. Кроме того, паразитные полосы пропускания объемных мод, располагающихся вблизи основной полосы пропускания, также ухудшают характеристики фильтра.
Наиболее близким по техническому решению является принятый за прототип волноводный керамический фильтр, состоящий из металлизированного керамического блока в форме прямоугольного параллелепипеда, в котором сформирована цепочка объемных резонаторов с непосредственной связью через плоские индуктивные диафрагмы, выполненные в виде металлизированных пазов со стороны узких стенок керамического блока, с элементами связи в виде емкостных площадок на нижней грани блока [патент US 2009/0231064 A1, Sep.17, 2009].
Фильтр работает на основной объемной моде прямоугольного резонатора H101 и в миллиметровом диапазоне длин волн, имеет размеры и топологию металлизации, легко реализуемую в типовом технологическом процессе.
Недостатками прототипа являются отсутствие элементов настройки отдельных объемных резонаторов и элементов настройки связи для обеспечения согласования с входной и выходной линиями. Кроме того, глубокие пазы в керамическом блоке снижают механическую прочность фильтра.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение возможностей настройки фильтра для реализации большей номенклатуры изделий на основе базового керамического блока, а также увеличение его механической прочности.
Для достижения указанного выше технического результата предлагается керамический волноводный фильтр в виде металлизированного прямоугольного керамического блока, в котором сквозные металлизированные отверстия выполняют функции индуктивных стержневых диафрагм, элементами настройки резонаторов фильтра являются используемые в различных сочетаниях глухие металлизированные, глухие неметаллизированные, а также глухие и сквозные частично металлизированные отверстия, а подстройка согласования фильтра с входной и выходной линиями передачи после установки фильтра на плату производится за счет изменения длины короткозамкнутых отрезков копланарных линий на торцевых гранях керамического блока.
Применение индуктивных стержневых диафрагм позволяет повысить механическую прочность фильтра за счет меньшего изменения поперечного сечения керамического блока.
При этом металлизированные глухие отверстия увеличивают эквивалентную емкость резонатора, неметаллизированные глухие отверстия уменьшают эквивалентную емкость резонатора. Элементы в виде частично металлизированных глухих или сквозных отверстий позволяют как уменьшать, так и увеличивать эквивалентную емкость резонатора, что дает возможность увеличить номенклатуру изделий на основе базового керамического блока. Полностью металлизированные и неметаллизированные элементы настройки более технологичны, но смешанные элементы имеют больший диапазон изменения эквивалентной емкости резонатора.
Возможность изменения длины короткозамкнутых отрезков копланарных линий на торцевых гранях керамического блока позволяет производить подстройку согласования фильтра с входной и выходной линиями передачи после установки фильтра на плату.
Принцип действия указанных элементов настройки можно пояснить с помощью теории малых возмущений объемных резонаторов [В.В.Никольский, Теория электромагнитного поля. М. Высшая школа 1961 г. стр.345-351]. При внесении в полость резонирующего объема возмущающего тела нарушается баланс энергии электрического и магнитного полей, вследствие чего резонансная частота резонатора изменяется на величину Δf, определяемую из отношения:
где: 
где f0 - частота резонатора в отсутствие возмущающего тела;
f - частота резонатора при наличии возмущающего тела;
ΔWE и ΔWH - изменение максимальной энергии электрического и магнитного полей при внесении в резонатор возмущающего тела;
W0 - запасенная в резонаторе энергия электромагнитного поля.
Элемент настройки в виде металлизированного отверстия можно трактовать как возмущающее тело в виде проводящего цилиндра, неметаллизированное отверстие - как диэлектрический цилиндр с диэлектрической проницаемостью ε0.
Количественно соотношения для определения Δf/f0 в первом приближении можно установить, если рассматривать звено фильтра как полуволновый резонатор на основе прямоугольного волновода с волной Н10 с диэлектрическим заполнением ε∂ (фиг.1).
Для проводящего цилиндра (металлизированное отверстие):
где R0 - радиус цилиндра;
l - длина цилиндра;
a, b, L - длина, ширина, высота резонатора.
При введении проводящего цилиндра резонансная частота понижается, что можно трактовать как увеличение эквивалентной емкости резонатора.
Для неметаллизированного отверстия:
где εr - относительная, диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего объем резонатора.
При введении неметаллизированного отверстия резонансная частота увеличивается, что можно трактовать как уменьшение эквивалентной емкости резонатора.
В случае частично металлизированных отверстий влияния металлизированной и неметаллизированной частей отверстия складываются, что дает универсальный элемент настройки фильтра.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
фиг.1 - волноводный керамический фильтр;
фиг.2 - разрез фильтра с глухими металлизированными и неметаллизированными отверстиями в качестве элементов настройки;
фиг.3 - разрез фильтра с глухими, частично металлизированными отверстиями;
фиг.4 - разрез фильтра со сквозными частично металлизированными отверстиями;
фиг.5 - экспериментальная и расчетная АЧХ фильтра;
фиг.6 - исходная АЧХ фильтра и АЧХ настроенного фильтра.
На фиг.1-4 и далее по тексту:
поз.1 - металлизированный керамический блок;
поз.2 - индуктивные стержневые диафрагмы;
поз.3 - резонаторы;
поз.4 - входной элемент связи;
поз.5 - выходной элемент связи.
Элементы настройки фильтра:
поз.6 - глухие металлизированные отверстия;
поз.7 - глухие неметаллизированные отверстия;
поз.8 - глухие, частично металлизированные отверстия;
поз.9 - сквозные, частично металлизированные отверстия.
Несмотря на то что изобретение проиллюстрировано изображением волноводного керамического фильтра, представленного на фиг.1, количество резонаторов и элементов настройки, а также их вид могут быть другими. Число резонаторов определяется требуемой характеристикой фильтра и ограничивается допускаемыми потерями фильтра.
Предлагаемый волноводный фильтр выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда из термостабильного керамического материала, на всех гранях которого нанесена металлизация (поз.1). В блоке сформированы одно, два или большее количество сквозных металлизированных отверстий в качестве индуктивных стержневых диафрагм (поз.2), формирующих в керамическом блоке цепочку связанных резонаторов (поз.3) с непосредственной связью. Входной (поз.4) и выходной (поз.5) элементы связи выполнены на нижней грани керамического блока в виде разомкнутых на концах отрезков копланарных линий и короткозамкнутых отрезков копланарных линий на торцевых гранях керамического блока. Глухие металлизированные отверстия (поз.6), глухие неметаллизированные отверстия (поз.7), глухие частично металлизированные отверстия (поз.8), а также сквозные частично металлизированные отверстия (поз.9) являются элементами настройки резонаторов фильтра.
Керамический волноводный фильтр работает следующим образом.
После поступления СВЧ сигнала на входной элемент (поз.4) осуществляется эффективный ввод энергии в фильтр, представляющий собой цепочку резонаторов с непосредственной связью, сформированных в металлизированном керамическом блоке с помощью индуктивных стержневых диафрагм (поз.2). Вывод энергии осуществляется посредством выходного элемента связи (поз.5). Вид характеристики фильтра определяется распределением взаимных связей резонаторов фильтра, которые, в свою очередь, определяются диаметром стержней индуктивных диафрагм.
Настройка резонаторов керамического волноводного фильтра осуществляется посредством настроечных элементов в виде глухих металлизированных отверстий (поз.6), глухих неметаллизированных отверстий (поз.7), глухих частично металлизированных отверстий (поз.8), а также сквозных частично металлизированных отверстий (поз.9). Описанные элементы настройки могут применяться в различных сочетаниях, обеспечивающих требуемую характеристику фильтра, размеры и вид элементов настройки определяются расчетно-экспериментальным путем. Согласование фильтра с входной и выходной линиями передачи после установки фильтра на плату обеспечивается регулировкой длины короткозамкнутого отрезка копланарной линии на торцевых гранях керамического блока.
На основе предложенной конструкции был разработан и изготовлен полосно-пропускающий фильтр из термостабильной керамики с диэлектрической проницаемостью ε=37. Габаритные размеры фильтра составили 17×4,65×2,2 мм. Центральная частота фильтра f0=8300 МГц, ширина полосы пропускания по уровню 0,5 дБ-Δf=200 МГц, вносимое затухание в полосе пропускание авн - не более 3 дБ, гарантированное затухание агар - не менее 45 дБ. На фиг.5 - расчетная и экспериментальная АЧХ фильтра. На фиг.6 показаны исходная АЧХ фильтра после изготовления и АЧХ после настройки фильтра. Настройка производилась посредством изменения глубины глухих неметаллизированных отверстий и изменения площади металлизации глухих частично металлизированных отверстий.
Волноводный керамический фильтр, содержащий керамический блок в форме прямоугольного параллелепипеда из термостабильного керамического материала, на всех гранях которого нанесена металлизация, в котором сформированы цепочка объемных резонаторов, входной и выходной элементы связи, отличающийся тем, что в блоке сформированы сквозные металлизированные отверстия, выполняющие функции индуктивных стержневых диафрагм, элементами настройки резонаторов фильтра являются используемые в различных сочетаниях глухие металлизированные, глухие неметаллизированные, а также глухие и сквозные частично металлизированные отверстия, а подстройка согласования фильтра с входной и выходной линиями передачи после установки фильтра на плату производится за счет изменения длины короткозамкнутых отрезков копланарных линий на торцевых гранях керамического блока.
