Керамический полосно-пропускающий фильтр на квазистационарных резонаторах

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и предназначено для использования в устройствах частотной селекции, преимущественно в сантиметровом и дециметровом диапазоне длин волн. Техническим результатом является расширение верхней полосы заграждения полосового фильтра, создание керамических фильтров с малыми габаритными размерами в сантиметровом и дециметровом диапазоне длин волн. Для этого керамический полосно-пропускающий фильтр на квазистационарных резонаторах состоит из соединенных между собой металлизированного керамического блока в форме прямоугольного параллелепипеда из термостабильного керамического материала с диэлектрической проницаемостью ε_r1, на которой сформированы элементы связи в виде отрезков копланарных линий и нижних емкостных площадок, а также цепочка индуктивностей с непосредственной индуктивной связью, выполненной в виде металлизированных отверстий в керамическом блоке, и элементы связи в виде отрезков копланарных линий, и металлизированной керамической пластины из термостабильного керамического материала с диэлектрической проницаемостью ε_r2>>ε_r1, на которой сформированы цепочка емкостей в виде плоских конденсаторов с металлизированными отверстиями и элементы связи в виде верхних емкостных площадок. 4 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и предназначено для использования в устройствах частотной селекции, преимущественно в сантиметровом и дециметровом диапазоне длин волн.

Известна конструкция монолитного керамического фильтра, состоящего из металлизированного высокодобротного блока в форме прямоугольного параллелепипеда из термостабильной керамики, в котором сформирована цепочка резонаторов на связанных симметричных полосковых линиях с круглыми внутренними проводниками, образованными круглыми металлизированными отверстиями в керамическом блоке и металлизированными гранями блока по схеме гребенчатых фильтров с элементами связи в виде разомкнутых отрезков копланарных линий (патент RU 2335045).

Недостатком данной конструкции являются достаточно большие габариты фильтра в дециметровом диапазоне, поскольку длина резонатора на основной ТЕМ-моде ~ λ/4 (где ~ λ - длина волны в диэлектрике). Другим недостатком данных фильтров является наличие в верхней полосе заграждения паразитных полос пропускания вблизи частот, кратных рабочей частоте фильтра, и резонансных частот объемных мод керамического блока.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является волноводный керамический фильтр, описанный в патенте RU №2462799, состоящий из металлизированного керамического блока в форме прямоугольного параллелепипеда, в котором сформирована цепочка объемных резонаторов с непосредственной связью через индуктивные стержневые диафрагмы, выполненные в виде сквозных металлизированных отверстий в керамическом блоке. Входные и выходные элементы связи выполнены в виде короткозамкнутых отрезков копланарных линий на торцевых гранях керамического блока и разомкнутых на концах отрезков копланарных линий на нижней грани керамического блока.

Фильтру присущи принципиальные недостатки волноводных керамических фильтров, такие как малая ширина верхней полосы заграждения и большие габаритные размеры фильтра в дециметровом диапазоне длин волн.

Технический результат, который будет получен при осуществлении изобретения, заключается в расширении верхней полосы заграждения керамического полосно-пропускающего фильтра, а также в уменьшении габаритных размеров фильтра в сантиметровом и дециметровом диапазоне длин волн.

Для достижения данного технического результата предлагается керамический полосно-пропускающий фильтр на квазистационарных резонаторах, состоящий из двух соединенных между собой частей:

- металлизированного керамического блока в форме прямоугольного параллелепипеда из термостабильного керамического материала с диэлектрической проницаемостью ε_r1, на котором сформированы цепочка индуктивностей с непосредственной индуктивной связью, выполненной в виде металлизированных отверстий в керамическом блоке, и элементы связи в виде отрезков копланарных линий и нижних емкостных площадок;

- металлизированной керамической пластины из термостабильного керамического материала с диэлектрической проницаемостью ε_r2>>ε_r1, на которой сформированы цепочка емкостей в виде плоских конденсаторов с металлизированными отверстиями и элементы связи в виде верхних емкостных площадок.

При соединении металлизированного керамического блока и металлизированной керамической пластины обеспечивается электрический контакт между отверстиями керамического блока и отверстиями керамической пластины, что приводит к образованию цепочки связанных квазистационарных резонаторов, а также формирует входной и выходной элементы связи.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 - фиг. 3 представлена конструкция четырехрезонаторного фильтра на квазистационарных резонаторах.

На фиг. 4 показана расчетная амплитудно-частотная характеристика модели фильтра. При этом на фиг. 1 - фиг. 3 и далее по тексту:

поз.1- металлизированный керамический блок;

поз.2 - металлизированная керамическая пластина;

поз.3 - отрезки копланарных линии;

поз.4 - металлизированные площадки, формирующие емкость квазистационарных резонаторов;

поз.5 - металлизированные сквозные отверстия, формирующие индуктивность квазистационарных резонаторов;

поз.6, поз.7 - нижние и верхние металлизированные площадки, формирующие входную и выходную емкости первого и последнего квазистационарных резонаторов (нижние емкостные площадки, верхние емкостные площадки).

Предлагаемый керамический полосно-пропускающий фильтр на квазистационарных резонаторах (фиг. 1) состоит из керамического блока поз. 1 в форме прямоугольного параллелепипеда из термостабильного керамического материала, на всех гранях которого нанесена металлизация, со сквозными металлизированными отверстиями, и керамической пластины поз. 2 с металлизированной верхней гранью, со сквозными металлизированными отверстиями, при этом диэлектрическая проницаемость керамического блока ε_r1 значительно превышает диэлектрическую проницаемостью пластины ε_r2.

В керамическом блоке поз. 1 сформированы:

- сквозные металлизированные отверстия поз.5, замкнутые на металлизацию нижней грани блока и изолированные от металлизации верхней грани блока, выполняющие роль индуктивностей квазистационарных резонаторов и формирующие в керамическом блоке цепочку индуктивностей с непосредственной индуктивной связью;

- отрезки копланарных линий поз.3;

- нижние емкостные площадки поз.6, выполненные в виде металлизированных площадок на верхней грани блока.

В керамической пластине поз.2 на верхней металлизированной грани сформированы емкостные площадки поз.4, выполняющие совместно с металлизацией верхней грани керамического блока роль емкостей квазистационарных резонаторов, а также верхние емкостные площадки поз.7, выполненные в виде металлизированных площадок на верхней грани пластины.

Отрезки копланарных линий поз. 3, выполненные на нижней, торцевых и верхней гранях керамического блока поз. 1, соединенные с нижними емкостными площадками поз.6 и верхними емкостными площадками поз. 7, образуют соответственно входной и выходной элементы связи.

При сборке фильтра обеспечивают электрический контакт между емкостями поз. 4 и индуктивностями поз. 5 квазистационарных резонаторов.

Керамический полосно-пропускающий фильтр на квазистационарных резонаторах работает следующим образом.

После поступления СВЧ-сигнала на входной элемент связи осуществляется эффективный ввод энергии через отрезок копланарной линии и емкость связи во входной резонатор фильтра, представляющего собой цепочку квазистационарных резонаторов с непосредственной индуктивной связью. Вывод энергии осуществляется в обратном порядке посредством выходного элемента связи. Вид характеристики фильтра определяется распределением нагруженных добротностей, входящих в цепочку связанных резонаторов. Распределение нагруженных добротностей в свою очередь определяется диаметром отверстий, реализующих индуктивности, и расстоянием между ними. Настройка резонаторов керамического полосно-пропускающего фильтра на квазистационарных резонаторах на центральную частоту полосы пропускания осуществляется посредством корректировки размеров емкостных площадок поз. 4. Настройка согласования фильтра с входной и выходной линией передачи обеспечивается корректировкой размеров емкостных площадок поз. 7.

Обоснование возможности решения поставленных задач с помощью фильтра предлагаемой конструкции вытекает из положений, приведенных ниже.

Известно, что уменьшение габаритов и увеличение ширины полосы заграждения гребенчатых фильтров можно получить путем увеличения укорачивающих емкостей [1]. Предлагаемый фильтр является предельным случаем гребенчатого фильтра на коаксиальных резонаторах с укорачивающими емкостями. Спектр резонансных частот коаксиального резонатора с укорачивающей емкостью определяется из решения трансцендентного уравнения:

где X_i - входное сопротивление короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии; Х_с - сопротивление укорачивающей емкости.

Укорачивающая емкость определяется по формуле

где С_п - емкость плоского конденсатора; С_б - боковая емкость конденсатора; С_k- конструктивная емкость резонатора в месте сочленения керамического блока и керамической пластины.

В первом приближении

где S - площадь емкостной площадки; tp - толщина керамической пластины; ε_r2 - диэлектрическая проницаемость пластины; ε_r0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.

При использовании тонких керамических пластин с высокой диэлектрической проницаемостью (ε_r2 -100) возможно получение больших укорачивающих емкостей, что позволяет реализовать фильтры со средней частотой f₀ основной полосы пропускания в сантиметровом и дециметровом диапазоне и частотой первой паразитной полосы пропускания «коаксиальной моды» порядка десяти f₀.

Применение в предлагаемом фильтре керамического материала блока и пластины с различными диэлектрическими проницаемостями (ε_r2>>ε_r1) позволяет существенно увеличить разделение основной полосы пропускания фильтра, частота которой обратно пропорциональна $$\sqrt{{\epsilon }_{r2}},$$ и паразитных полос пропускания объемных мод керамического блока, частота которых обратно пропорциональна

На основе описанной конструкции были проведены расчеты и моделирование керамического полосно-пропускающего фильтра дециметрового диапазона длин волн с широкой полосой заграждения. Исходные данные: граничные частоты полосы пропускания f₁=1,9 ГГц, f₂=2,1 ГГц; граничные частоты полосы заграждения f_z1=1,7 ГГц, f_z2=2,3 ГГц; неравномерность ослабления в полосе пропускания L_p = 0,5 дБ; ослабление на граничных частотах полосы заграждения L_z = 40 дБ; характеристика фильтра - чебышевская; керамический блок : ширина=2,75 мм, высота=1,5 мм, длина=10,92 мм, ε_r1=20; керамическая пластина : ширина=2,75 мм, толщина=0,25 мм, длина=10,92 мм, ε_r2=100.

На фиг. 4 показаны расчетные характеристики четырехрезонаторного фильтра, которые подтверждают, что предлагаемая конструкция фильтра позволяет реализовать миниатюрный керамический фильтр дециметрового диапазона с широкой полосой заграждения (более 4÷5 f₀).

Источники информации

1. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Г.Л. Маттей, Л. Янг, Е.М.Т. Джонс. Т. 2. 1988 г., 495 с.

2. Справочник по элементам полосковой техники / Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.И., Фельдштейн А.Л. / Под ред. А.Л. Фельдштейна. - М.: Связь, 1979 г.

Керамический полосно-пропускающий фильтр на квазистационарных резонаторах, состоящий из металлизированного керамического блока в форме прямоугольного параллелепипеда из термостабильного керамического материала с диэлектрической проницаемостью ε_r1, с цепочкой индуктивностей с непосредственной индуктивной связью, выполненной в виде металлизированных отверстий в керамическом блоке, и металлизированной керамической пластины из термостабильного керамического материала с диэлектрической проницаемостью ε_r2>>ε_r1, на которой сформирована цепочка емкостей в виде плоских конденсаторов с металлизированными отверстиями, в котором при соединении металлизированного керамического блока и металлизированной керамической пластины обеспечивается электрический контакт между отверстиями керамического блока и отверстиями керамической пластины, что приводит к образованию цепочки связанных квазистационарных резонаторов, а входной и выходной элементы связи реализованы в виде отрезков копланарной линии, выполненных на нижней, торцевых и верхней гранях керамического блока, соединенных с нижними емкостными площадками, выполненными в виде металлизированных площадок на верхней грани керамического блока, и верхними емкостными площадками, выполненными в виде металлизированных площадок на верхней грани керамической пластины.