Полосно-заграждающий фильтр на несимметричной полосковой линии с использованием элементов фильтра нижних частот

Полосно-заграждающий фильтр на несимметричной полосковой линии с использованием элементов фильтра нижних частот

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к СВЧ-технике, и может быть использовано в технике связи и в радиолокации. Актуальность разработки таких полосно-заграждающих фильтров (ПЗФ) обусловлена все возрастающими требованиями к устройствам фильтрации и повышенных требований к электромагнитной совместимости, для которых минимальная величина подавления высших типов гармоник должна быть не менее 50-60 дБ на изделие. Такие повышенные требования диктуют самое серьезное отношение к устройствам подобного типа.

Известны ПЗФ с четвертьволновыми связями, описанные в работе [1]. В этих фильтрах при полосковой печатной реализации используются четвертьволновые отрезки электромагнитно связанных линий передач, одно плечо которых закорочено. Отрезки являются конструктивной печатной реализацией сосредоточенных LC-контуров на СВЧ. В свою очередь LC-контура соединяются каскадно посредством четвертьволновых отрезков одиночных полосковых линий передач. В результате описанные фильтры хотя и реализуются в печатном исполнении, но обладают значительными продольными размерами, особенно в метровом диапазоне частот.

Известен также ПЗФ с широкой полосой заграждения, описанный в работе [2].

Этот фильтр содержит объемный (стержневой) полосковый проводник, начало и конец которого являются входом и выходом фильтра и соединяются с подводящими линиями передачи, имеющими одинаковое волновое сопротивление ρ_л=50 Ом. Кроме того, фильтр содержит три разомкнутых на одном конце шлейфа из проволоки круглого сечения, поддерживаемых внутри металлического заземленного корпуса пенопластом с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r близкой к 1. Шлейфы имеют волновое сопротивление 145 Ом и 176 Ом соответственно. Реализовать в печатном исполнении на серийно выпускаемых листовых фольгированных диэлектриках не представляется возможным.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству и выбранным в качестве прототипа является ПЗФ, описанный в работе [3] и изображенный на фигуре 3.

ПЗФ содержит полосковую линию передачи, два параллельных LC контура с сосредоточенными LC параметрами, соединенных последовательно, два последовательных LC контура, соединенных параллельно входу устройства. В итоге имеется четыре контура с восемью звеньями, по два звена на контур. Конфигурация прототипа с восемью звеньями является достаточной для получения подавления второй и третей гармоник в полосе рабочих частот не менее чем на 30 дБ.

К недостаткам прототипа следует отнести избыточное количество звеньев, что увеличивает его массу и габариты, а также ведет к удорожанию такого устройства.

Задачей предлагаемого изобретения является создание печатного варианта ПЗФ, обеспечивающего вне полосы рабочих частот уровень вносимого затухания как минимум в 30 дБ (L_зат≥30 дБ) на всех гармониках, включая пятую. Кроме того, устройство должно сохранять малый уровень рассогласования в полосе рабочих частот (К_стν≤1,3) и обладать минимальными потерями (L_п≤0,5 дБ).

Техническим результатом заявляемого устройства является уменьшение числа звеньев при снижении массы, габаритов и стоимости устройства, причем без ухудшения технических характеристик фильтра.

Поставленная цель достигается тем, что в ПЗФ, содержащем несимметричную полосковую линию передачи, выполненную в печатном варианте, два параллельных LC контура с сосредоточенными LC параметрами, соединенных последовательно и две емкости, имеющие общую точку с корпусом устройства, каждая емкость с другой стороны контакта соединяется со средней точкой индуктивностей каждого параллельного LC контура в отдельности, образуя звенья фильтра нижних частот (ФНЧ), настроенных на основную рабочую частоту ω₀, причем индуктивности звеньев ФНЧ составляют примерно десятую часть индуктивностей параллельных контуров (≈0,1(L₁+L₂) и ≈0,1(L₃+L₄)), кроме того, полосковая линия свернута в «меандр».

Предлагаемое устройство поясняется на чертежах.

Фиг. 1 - схема электрическая принципиальная заявляемого устройства.

Фиг. 2 - топология печатной платы заявляемого устройства.

Фиг. 3 - схема электрическая принципиальная прототипа.

Фиг. 4 и фиг. 5 - амплитудно-частотная характеристика и коэффициент стоячей волны, К_ств предлагаемого ПЗФ.

Составные части на фигурах обозначены следующим образом:

Предлагаемый ПЗФ, изображенный на фигурах 1 и 2, выполнен на печатной плате 1, изготовленной например из СВЧ материала ФЛАН-5-2. Центральный проводник 2 выполнен в виде высокочастотной линии свернутой в «меандр» в целях экономии габаритных размеров. Открытые концы изогнутых и не замкнутых участков линии 2, определенной и равной длины, формируют индуктивности L₁, L₂, L₃ и L₄, причем L₁=L₂, a L₃=L₄. Индуктивности L₁ и L₂ соединены между собой керамическим конденсатором С₂, а индуктивности L₃ и L₄ - конденсатором С₄, причем С₂=С₄. В качестве конденсаторов С₂ и С₄ могут быть применены, например конденсаторы типа К10-57, обладающие высоким напряжением пробоя 500 В. Элементы L₁, L₂, L₃, L₄, C₂ и C₄. соединяются таким образом, чтобы реализовать параллельные контура на частотах второй и третьей гармоник, но с таким расчетом, чтобы на этих гармониках в контурах преобладало индуктивное сопротивление, то есть или

, а , где:

- индуктивное сопротивление первого совмещенного контура на частоте второй гармоники;

- индуктивное сопротивление второго совмещенного контура на частоте третей гармоники;

- емкостное сопротивление параллельных контуров на частотах второй и третей гармоник

На закороченном участке меандровой (изогнутой) линии, с противоположной ее стороны, расположены равные конструктивные емкости С₁ и С₃, каждая из которых соединена одним концом с корпусом устройства. Емкости С₁ и С₃ другими концами соединены со средними точками индуктивностей L₆ и L₈ соответственно, причем емкости подключены так, что индуктивности L₆ и L₈ прототипа разделяются пополам на L₁, L₂ и L₃, L₄ соответственно, то есть выполняется следующее соотношение: L₁=L₂=0.5L₆, L₃=L₄=0.5L₈. Кроме того, емкости С₁ и С₃ являются звеньями ФНЧ и выполнены в виде металлических площадок, определенной величины.

Величина емкостей С₁, С₂, С₃ и С₄ выбирается из расчета равенства волновых сопротивлений выбранной микрополосковой линии на частотах второй и третей гармоник (ω₂, ω₃ соответсвенно).

где X_L≈0,1ω₀(L₁+L₂) - малая часть индуктивного сопротивления параллельных контуров на основной гармонике с частотой ω₀;

X_C - емкостное сопротивление конструктивных емкостей;

- индуктивное сопротивление первого параллельного контура на частоте второй гармоники;

- емкостное сопротивление первого параллельного контура на частоте второй гармоники;

- индуктивное сопротивление второго параллельного контура на частоте третей гармоники;

- емкостное сопротивление второго параллельного контура на частоте третей гармоники;

- емкостные сопротивления конструктивных емкостей С₁ и С₃ на основной частоте ω₀;

то есть

- индуктивные сопротивления параллельных контуров на основной частоте ω₀.

На рабочей частоте ω₀ устройство работает как обычный ФНЧ с минимальными потерями L_п≤0,5 дБ и при хорошем согласовании в полосе рабочих частот К_стν≤1,3 за счет встроенного в ПЗФ двух трехзвенных ФНЧ, соединенных последовательно. Индуктивное сопротивление каждого звена этого фильтра определяется выражениями:

- для первого звена ФНЧ и четных гармоник,

- для второго звена ФНЧ и нечетных гармоник,

где ω₂ и ω₃ - частоты 2^й и 3^й гармоник соответственно,

L₁+L₂ - индуктивность первого параллельного контура,

L₃+L₄ - индуктивность второго параллельного контура.

На более высоких частотах ПЗФ работает за счет параллельных контуров, настроенных по частоте второй и третьей гармоник и включенных последовательно в полосковую линию передачи, при этом должны выполняться условия:

и , где:

L’≈0,9(L₁+L₂), L’’≈0,9(L₃+L₄) - большие части от общей индуктивности первого и второго параллельных контуров. Результаты измерений приведены на фиг. 4 и фиг. 5.

Заявляемое устройство было изготовлено в АО «ФНПЦ «ННИИРТ» и успешно реализовано в делителе Д1:2 на микрополосковой линии, находящегося в составе восьмиканального СВЧ переключателя мощности. На фигуре 4 изображена характеристика КСВН, потери на основной частоте и развязка на четных и нечетных гармониках для первого канала делителя, а на фигуре 5 - для второго канала.

Таким образом, в целом за счет включения элементов ФНЧ в параллельные контура ПЗФ заявляемое устройство позволяет уменьшить количество звеньев по сравнению с прототипом, что приводит к снижению массы, габаритов и стоимости. Кроме того вне рабочей полосы частот обеспечивается уровень подавления высших гармоник в 50-60 дБ, а в рабочей полосе - малый уровень рассогласования К_стν≤1,3 и малый уровень диссипативных потерь L_п≤0,5 дБ. Это свидетельствует о том, что электрические характеристики фильтра остаются на уровне прототипа.

Список используемой литературы

1. А.П. Фельдштейн, Л.Р. Явич, В.П. Смирнов. Справочник по элементам волноводной техники. «Советское радио» М. 1967 г. изд. 2. гл. 8.6 с 425. рис 8.15 рис 8.13.

2. Д.Л. Маттей и др. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи М. «Связь» 1972 - Т. 2, рис. 12.10.1 а), с. 215.

3. Д.Л. Маттей и др. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи М. «Связь» 1972 - Т. 2., рис. 12.02.2 а), с. 181.

Полосно-заграждающий фильтр, содержащий полосковую линию передачи, два параллельных контура с сосредоточенными LC параметрами, соединенных последовательно, две включенные параллельно входу устройства емкости, имеющие с одной стороны контакта общую точку соединения с корпусом устройства, отличающийся тем, что каждая емкость с другой стороны контакта соединяется со средней точкой индуктивностей каждого параллельного LC контура в отдельности, образуя звенья фильтра нижних частот, настроенных на основную рабочую частоту, причем индуктивности звеньев фильтра нижних частот составляют десятую часть от суммы индуктивностей, образующих первый параллельный контур или второй параллельный контур, кроме того, полосковая линия свернута в «меандр».