Микрополосковый фильтр на замедляющей системе с диэлектрическими вставками

Микрополосковый фильтр на замедляющей системе с диэлектрическими вставками

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике и технике СВЧ и может быть использовано в радиоэлектронной аппаратуре.

Известны гребенчатые полосовые фильтры на симметричных воздушно-полосковых или печатных микрополосковых линиях, содержащие ряд однонаправленных стержней круглой или прямоугольной формы, одинаковой длины и равного диаметра, нагруженные на конденсаторы одинаковых емкостей. Длина стержней l выбирается из условия: l/λ₀ ≤l/8, где λ₀ - центральная длина волны полосы пропускания. [Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. М.: Связь, 1971, 1972. - Т.1, 2. - 451 с., 494 с.]. Недостатком таких фильтров является отсутствие четкой фиксации частот отсечек, что обусловлено сравнительно большой оконечной емкостью гребешков, наличие высших паразитных полос пропускания, а также их большие габариты и масса при использовании металлической конструкции.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является плоская замедляющая система лампы с бегущей волной типа «зигзаг», проводник которой образует последовательность ячеек со скользящей плоскостью симметрии, причем каждая ячейка замедляющей системы содержит металлическую полоску, расположенную по ее оси симметрии, что позволяет снизить уровень пространственных гармоник. [Авт. св. СССР №577581. Плоская замедляющая система // Ю.Н. Пчельников, Ю.Г. Кристев. Опубл. в БИ №39, 1977]. Недостатком такой замедляющей системы является отсутствие пригодной для использования полосы пропускания, поскольку такая структура является фильтром низких частот и не имеет требуемых полосовых свойств.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание миниатюрного полосового фильтра с размерами, меньшими центральной рабочей длины волны полосы пропускания и четкой фиксацией частот отсечек, обладающего малыми потерями и высокой собственной добротностью в диапазоне СВЧ.

Решение технической задачи достигается тем, что микрополосковый фильтр содержит подложку с относительной диэлектрической проницаемостью ε и толщиной d, с одной стороны которой выполнен изотропный металлический экран, а с другой стороны - металлический проводник, образующий последовательность ячеек со скользящей плоскостью симметрии. Согласно предложенному изобретению, металлический проводник фильтра выполнен в виде отрезка пленарной замедляющей системы с шириной, равной четверти замедленной длины волны, а каждая ячейка фильтра содержит прямоугольную диэлектрическую вставку, расположенную по ее оси симметрии с шириной, равной ширине металлического проводника, толщиной, равной (1,5…2)d, и относительной диэлектрической проницаемостью (8…10)ε. Металлический проводник фильтра может быть выполнен в виде отрезка зигзаг-линии.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является четкая фиксация частот отсечек полосы пропускания фильтра при малых потерях и высокой собственной добротности структуры в диапазоне СВЧ, что позволяет обеспечить его габаритные размеры меньше центральной рабочей длины волны.

Предлагаемый микрополосковый фильтр иллюстрируется чертежами (фиг. 1-3), на которых представлены изометрия устройства (фиг. 1), выполненного на диэлектрической подложке с габаритными размерами 90,5×47, вариант топологии фильтра (фиг. 2), на фиг. 3 - результаты численного моделирования характеристик фильтра.

Конструкция микрополоскового фильтра на основе отрезка зигзаг-линии (фиг. 1) содержит диэлектрическую подложку 1, металлический проводник в виде отрезка зигзаг-линии 2 и диэлектрические вставки 3.

Работа микрополоскового фильтра на замедляющей системе с диэлектрическими вставками осуществляется следующим образом.

Отрезок металлического проводника планарной замедляющей системы (например, зигзаг-линии) при последовательном включении в линию передачи пропускает электромагнитные волны, начиная с нулевой частоты и до частоты отсечки, которая определяется свойствами замедляющей системы. В то же время периодическая структура, состоящая из диэлектрических вставок-резонаторов, которые имеют толщину, превышающую почти вдвое толщину подложки, также имеет свою, более низкую частоту среза, что объясняется несколько большими, чем у металла, потерями. Однако, как показано в книге [Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем.- М.: Радио и связь, 2002, с.18-23], за счет большой разницы (8…10) между относительными диэлектрическими проницаемостями подложки и вставок-резонаторов, последние ведут себя подобно металлическим проводникам, практически не поглощая электромагнитные волны, а отражая их. Таким образом, суперпозиция волн металлической и диэлектрической периодических структур, образующих фильтр, позволяет четко зафиксировать частоты отсечек, являющихся граничными частотами полосы пропускания фильтра. Кроме того, за счет использования в конструкции фильтра отрезков периодических замедляющих систем удается обеспечить его габаритные размеры меньше центральной рабочей длины волны при малых потерях и достаточно высокой собственной добротности структуры в диапазоне СВЧ.

Возможность достижения поставленной цели подтверждается результатами численного эксперимента, полученными с помощью известных программных средств AWR Design Environment (Microwave Office v.6.53).

На фиг. 3 показаны характеристики комплексного коэффициента передачи (параметр S₂₁ в дБ) от частоты в ГГц для отрезка зигзаг-линии (кривая 1), для фильтра на отрезке зигзаг-линии с центральными металлическими проводниками (кривая 2) и для фильтра на отрезке зигзаг-линии с центральными диэлектрическими вставками, выполненого на подложке из поликора с габаритными размерами 90,5×47 (кривая 3). Поскольку топология металлических проводников всех трех структур идентична, то они имеют практически равные частоты отсечек 2,7…2,8 ГГц, но сильно отличаются по величине коэффициента затухания (S₂₁). Амплитудно-частотная характеристика 3, в отличие от 1 и 2, демонстрирует наличие второй, более низкой частоты среза, вызванной периодичностью диэлектрических вставок-резонаторов, что позволяет получить фильтр с полосой пропускания 2,0…2,7 ГГц. При этом коэффициент затухания в полосе пропускания не превышает 3 дБ (на границах полосы ~5 дБ), а вне полосы - 80…100 дБ.

Достоинством изобретения является возможность четкой фиксации частот отсечек полосы пропускания фильтра при малых потерях и высокой собственной добротности структуры в диапазоне СВЧ, что позволяет обеспечить его габаритные размеры меньше центральной рабочей длины волны.

Микрополосковый фильтр, содержащий подложку с относительной диэлектрической проницаемостью ε и толщиной d, с одной стороны которой выполнен изотропный металлический экран, а с другой стороны - металлический проводник, образующий последовательность ячеек со скользящей плоскостью симметрии, отличающийся тем, что металлический проводник микрополоскового фильтра выполнен в виде отрезка зигзаг-линии планарной замедляющей системы с шириной, равной четверти замедленной длины волны, а каждая ячейка микрополоскового фильтра содержит прямоугольную диэлектрическую вставку, расположенную по ее оси симметрии, с шириной, равной ширине металлического проводника, толщиной, равной (1,5…2)d, и выполненную из материала с относительной диэлектрической проницаемостью (8…10)ε.