ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР СО СВЕРХШИРОКОЙ ПОЛОСОЙ ЗАГРАЖДЕНИЯ И УРОВНЕМ ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ БОЛЕЕ 100 ДБ

Полный текст

Как известно, полосно-пропускающие фильтры (ППФ) являются важнейшими элементами современ- потерь на узком участке полоскового проводника. Для ных радиотехнических систем связи, радиолокации и подавления ближайших паразитных полос пропускарадионавигации. Одними из основных требований, ния ППФ на планарных резонаторах могут использопредъявляемых к таким устройствам, являются ми- ваться резонаторы со скачком волнового сопротивлениатюрность и высокие селективные свойства, кото- ния с несовпадающими частотами высших мод колерые в том числе определяются наличием у ППФ ши- баний [3]. Часто для подавления одной из паразитных рокой полосы заграждения (ПЗ) с большим уровнем полос предлагается использовать нули прохождения затухания. мощности, возникающие при кондуктивной связи Распространенным способом расширения полосы концевых резонаторов с портами фильтра [4-6]. заграждения является использование резонаторов со Расширить полосу заграждения также позволяет скачком волнового сопротивления, в которых частота исключение взаимодействия смежных пар резонатоосновной моды колебаний может быть многократно ров на частотах высших мод колебаний [5; 6]. ниже частоты следующей моды. Ширина ПЗ в таких Это происходит в результате взаимной компенсации фильтрах растет с увеличением скачка волнового со- индуктивного и емкостного взаимодействий, наприпротивления [1; 2]. Однако этот рост сопровождается мер при определенной длине области связи резонатосущественным падением собственной добротности ров [7-9]. Несмотря на определенный прогресс в создании фильтров с широкой полосой заграждения высокочастотный край ПЗ по уровню -60 дБ во всех рассмотренных работах располагается не выше 8/0, где f0 - центральная частота фильтра. Одним из путей расширения ПЗ является создание новых конструкций резонаторов, частота второй моды колебаний в которых многократно превышает частоту первой. Например, в случае коаксиального фильтра четвертого порядка [10] использование конструкции резонатора нового типа позволило повысить верхнюю границу ПЗ по уровню -90 дБ до 47 f0 [11]. Однако с точки зрения технологичности, надежности и стоимости такие устройства существенно уступают конструкциям на полосковых и микрополосковых структурах. В настоящей работе предлагается миниатюрная конструкция полоскового резонатора, позволяющая создавать полосковые ППФ с рекордно глубокой и широкой полосой заграждения. Резонатор (рис. 1) представляет собой двухслойную подвешенную подложку, на которой три полосковых проводника расположены один под другим. Два наружных проводника замкнуты одним концом на одну из боковых стенок корпуса. Внутренний проводник замкнут одним концом на противоположную боковую стенку. Другие концы полосковых проводников свободны и не достают до боковых стенок. Рис. 1. Конструкция полоскового резонатора Для первой (рабочей) моды колебаний, имеющей самую низкую частоту f1, токи на всех трех проводниках текут в одну сторону (рис. 2, а). Для второй моды, имеющей более высокую частоту f2, токи на верхнем и нижнем проводнике текут в противоположные стороны, а ток на внутреннем проводнике отсутствует (рис. 2, б). Для третьей моды, частота которой f3 > /2, токи на верхнем и нижнем проводнике текут в одном направлении, а ток на внутреннем проводнике течет в противоположном направлении (рис. 2, в). Важно, что в конструкциях фильтров на основе рассматриваемого резонатора, возбуждения второй моды колебаний можно избежать, если порты фильтра кондуктивно подключить к внутреннему проводнику резонатора. Вследствие этого протяженность ПЗ фильтра будет определяться соотношением частот fi и f3. Проведенные исследования показали, что параметром, в наибольшей степени влияющим на частоту основной моды f1 и отношение /з/ f1, является толщина диэлектрических слоев hd. Эти зависимости были получены электромагнитным 3Б-моделированием с использованием программы Ansoft HFSS. При расчете использовались следующие параметры: длина резонатора lr = 20 мм, длина полосковых проводников ls = 0.98lr, ширина проводников w = 3 мм, высота воздушных зазоров ha = 3.5 мм, диэлектрическая проницаемость слоев sr = 2.2. Из рис. 3, а видно, что частота f1 понижается с уменьшением толщины hd, а отношение f3 /1, характеризующее ширину полосы заграждения фильтра, растет. Отметим, что при этом будет одновременно уменьшаться длина резонатора, и увеличиваться его собственная добротность за счет снижения омических потерь. На рис. 3, б построены зависимости собственной добротности резонатора Q1 для первой моды от толщины hd. Расчет выполнен для двух значений тангенса угла диэлектрических потерь tg8. Проводимость проводников была а = 5.6х107 См/м (соответствует меди). Частота резонатора поддерживалась постоянной /1 = 1 ГГц) за счет соответствующего укорочения его длины lr. Значения остальных параметров были теми же, что и при расчете графиков на рис. 3, а. Как показали исследования, для увеличения ширины полосы заграждения также следует увеличивать ширину полосковых проводников w и увеличивать толщину воздушного зазора между диэлектрической подложкой и стенками металлического корпуса ha. Однако это приводит к увеличению размеров фильтра. Увеличение диэлектрической проницаемости подложки несущественно увеличивает ширину полосы заграждения. Перспективность применения предложенного резонатора в технике СВЧ подтверждается приводимыми ниже результатами электромагнитного 3D моделирования четырехрезонаторного фильтра (рис. 4), а также результатами измерений опытного образца. ) £ £ (-) -6- ■ .■ (0) Л - Л (-) -— -6-—- (+) ' ■■■ . -- » (-)■ ■ - - ^ (+) Рис. 2. Распределение токов в полосковых проводниках резонатора для первых трех мод колебаний б а в 163 Вестник СибГАУ. № 3(49). 2013 hd, мм hd, мм а б Рис. 3. Зависимости частоты первой моды резонатораf1 и отношения f3/ f1 от hd (а); зависимости собственной добротности резонатора на частотеf1 от hd: 1 - при tg5 = 0; 2 - при tg5 = 0.001 (б) В конструкции, приведенной на рис. 4, порты фильтра кондуктивно подключены к внутренним полосковым проводникам наружных резонаторов. Расчет показал, что изменяя только толщину диэлектрических слоев при прочих равных условиях (в данном случае при sr = 2.2, ha = 3.5 мм, w = 3 мм, ls = 0.98lr, зазоре между внутренними резонаторами S1 = 6.5 мм и зазоре между внутренними и наружными резонаторами S2 = 5.75 мм), можно существенно расширить полосу заграждения фильтра. tg5 « 0.002. Подложка имеет размеры 12x38 мм2. Все полосковые проводники резонаторов имеют ширину w = 3 мм. Длина проводников внутренних резонаторов равна ls = 9 мм, а длина проводников наружных резонаторов - ls = 9.25 мм. Толщина воздушных зазоров между диэлектрической подложкой и стенками металлического корпуса равна ha = 3.5 мм. Зазор между соседними внутренними резонаторами составлял S1 = 6.5 мм, а между внутренним и наружным резонатором - S2 = 5.75 мм. 1 2 Рис. 4. Конструкция четырехрезонаторного фильтра (без корпуса-экрана): 1 - двухслойная подвешенная диэлектрическая подложка; 2 - полосковые проводники; 3 - порты фильтра На рис. 5 приведены АЧХ фильтров, рассчитанные для трех значений hd: 0.5 мм (кривая 1), 0.25 мм (кривая 2) и 0.125 мм (кривая 3). Относительная ширина полосы пропускания всех трех фильтров 5 %, центральная частота f0 = 1 ГГц для каждой толщины подстраивалась длиной резонаторов lr. Из рисунка видно, что с уменьшением толщины диэлектрических слоев ширина полосы заграждения существенно увеличивается. Для эксперимента двухслойная подложка макета фильтра была выполнена из материала RT/Duroid толщиной hd = 0.2 мм, имеющего диэлектрическую проницаемость £Т = 3.4 и диэлектрические потери f, ГГц Рис. 5. АЧХ фильтров при разных значениях толщины диэлектрических слоев: 1 - hd = 0.5 мм, 2 - hd = 0.25 мм, 3 - hd = 0.125 мм Измеренная амплитудно-частотная характеристика изготовленного макета представлена на рис. 6, здесь же приведена фотография устройства. Фильтр имеет центральную частоту полосы пропускания f0 = 1 ГГц при относительной ширине полосы пропускания Aff - 5 %. Минимальные потери СВЧ мощности в полосе пропускания составляют около 3 дБ. Верхняя граница полосы заграждения по уровню -100 дБ простирается до 10.5 f0. Наиболее эффективно предложенная конструкция полосно-пропускающего фильтра может быть реали 164 Технологические процессы и материалы зована с помощью технологии многослойных интегральных схем на основе керамики с низкой температурой отжига (Low Temperature Cofired Ceramics -LTCC). На рис. 7 приведена расчетная АЧХ четырех-резонаторного монолитного фильтра, выполненного на основе материалов, применяемых в LTCC технологии. Конструктивные параметры фильтра были следующими. 0 123456789 10 11 f ГГц Рис. 6. Измеренная АЧХ макета четырехрезонаторного фильтра f ГГц Рис. 7. Расчетная АЧХ четырехрезонаторного LTCC фильтра Материал диэлектрических слоев (керамических листов), заполняющих весь объем фильтра - Heratope CT2000 (є = 9.1, tg5 = 0.002) толщиной 20 мкм (между полосковыми проводниками) и 600 мкм (3 листа по 200 мкм между проводниками и экранами) [1]. Ширина полосковых проводников 1 мм, их длина 3.5 мм, полная длина резонаторов 4.5 мм. Материал проводников - воженная проводящая паста HF612 на основе Ag толщиной 10 мкм с удельным поверхностным сопротивлением 2 мОм/Т [1]. Расстояние между парой внутренних резонаторов 1 мм, между парами наружных 0.875 мм. Для оптимальной настройки фильтра в полосе пропускания центральные проводники внутренних резонаторов были укорочены на 0.1 мм. Разработанный фильтр имеет центральную частоту полосы пропускания /0 =1 ГГц при относительной ширине полосы пропускания 10 %. Минимальное затухание в полосе пропускания фильтра составило 1.7 дБ. Полоса заграждения по уровню -70 дБ составила —11/0, а по уровню -40 дБ составила ~30f0. Габариты фильтра 1.24х4.25х5 мм3. Таким образом, в работе предложена и исследована миниатюрная конструкция оригинального полоскового резонатора на двухслойной подвешенной подложке, позволяющая создавать планарные микроволновые полосно-пропускающие фильтры с рекордно широкой и глубокой полосой заграждения. Показана возможность реализации устройств на таких резонаторах в монолитном исполнении с использованием LTCC технологии.

Об авторах

Я. Ф. Бальва

Сибирский государственный аэрокосмический университет им. академика М. Ф. Решетнева

Email: ya.f.balva@mail.ru
660014, Россия, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

А. М. Сержантов

Сибирский федеральный университет

Email: cubicus@mail.ru
660074, Россия, Красноярск, ул. Киренского, 26

С. А. Ходенков

Сибирский государственный аэрокосмический университет им. академика М. Ф. Решетнева

660014, Россия, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

В. В. Иванин

Сибирский государственный аэрокосмический университет им. академика М. Ф. Решетнева

660014, Россия, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

В. А. Шокиров

Сибирский государственный аэрокосмический университет им. академика М. Ф. Решетнева

660014, Россия, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы