RU109618U1

RU109618U1 - WAVEGUIDE CERAMIC MICROWAVE FILTER WITH SETTING ELEMENTS

Info

Publication number: RU109618U1
Application number: RU2011122007/08U
Authority: RU
Inventors: Евгений Васильевич Петров; Вячеслав Викторович Попов; Антон Юрьевич Беляков
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2011-10-20

Abstract

Волноводный керамический СВЧ фильтр с элементами настройки 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. A waveguide ceramic microwave filter with tuning elements in the shape of a rectangular parallelepiped made of thermostable ceramic material, on all faces of which a metallization is applied, in which a chain of volume resonators is formed, input and output communication elements, characterized in that through the metalized holes are formed in the block, which serve as inductive rod diaphragms, filter resonator tuning elements are deaf metallized used in various combinations, deaf not metallized, as well as blind and through partially metallized holes, and adjustment of the filter matching with the input and output transmission lines after installing the filter on the board is done by changing the length of the short-circuited segments of the coplanar lines on the end faces of the ceramic block.

Description

Полезная модель относится к радиотехнике СВЧ и предназначена для использования в устройствах частотной селекции, преимущественно, в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн.The utility model relates to microwave radio engineering and is intended for use in frequency selection devices, mainly in the centimeter and millimeter wavelength ranges.

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].A known design of filters on hollow waveguides with transverse flat capacitive and inductive diaphragms and rod inductive diaphragms. [Semenov N.A. Technical electrodynamics. M .: "Communication", 1973, S. 394-397].

Известна конструкция фильтра на полых волноводах с Е-плоскостными диафрагмами [патент US 2004/0017272 A1, Jan.29, 2004].A known design of a filter on hollow waveguides with E-planar diaphragms [patent 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.One of the drawbacks of these filters is the need to use special transitions for use in devices on microstrip and coplanar lines, which increases the dimensions of the product.

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].A known filter design based on a metallized high-Q block in the form of a rectangular parallelepiped made of thermostable ceramic, in which a chain of resonators is formed on connected symmetrical strip lines with internal conductors formed by metallized holes in the ceramic block and metallized block faces, according to the comb and interdigital filter scheme with communication elements in the form of open segments of coplanar lines [patent RU 22480745 C1].

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.Filters are manufactured using proven technology, have low attenuation in the passband at frequencies less than 10 GHz. In the higher frequency range, the filter sizes become miniature, since the resonator length on the main TEM mode is ~ λ / 4 (where λ is the wavelength in the dielectric), as a result of which, technological errors strongly affect the filter characteristics and impede its implementation. In addition, the spurious passband of the surround modes located near the main passband also degrades the filter performance.

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].The closest in technical solution is the waveguide ceramic filter adopted for the prototype, consisting of a metallized ceramic block in the shape of a rectangular parallelepiped, in which a chain of volume resonators is formed with direct coupling through flat inductive diaphragms made in the form of metallized grooves on the side of the narrow walls of the ceramic block, with communication elements in the form of capacitive pads on the lower edge of the block [patent 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.The filter operates on the main volumetric mode of the H ₁₀₁ rectangular resonator and in the millimeter wavelength range; it has dimensions and metallization topology that can be easily implemented in a typical technological process.

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.The disadvantages of the prototype are the lack of tuning elements of individual volume resonators and communication tuning elements to ensure coordination with the input and output lines. In addition, deep grooves in the ceramic block reduce the mechanical strength of the filter.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение возможностей настройки фильтра для реализации большей номенклатуры изделий на основе базового керамического блока, а также увеличение его механической прочности.The technical result of the claimed utility model is to expand the filter settings to implement a larger product range based on the base ceramic block, as well as increase its mechanical strength.

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.To achieve the above technical result, a ceramic waveguide filter is proposed in the form of a metallized rectangular ceramic block, in which through metallized holes serve as inductive rod diaphragms, filter resonator tuning elements are deaf metallized, non-metallic deaf, and deaf and partially metallized through holes, and fine-tuning the matching of the filter with the input and output lines per cottages filter after installation on board is made by changing the length of short-circuited segments coplanar lines on the end faces of the ceramic block.

Применение индуктивных стержневых диафрагм позволяет повысить механическую прочность фильтра за счет меньшего изменения поперечного сечения керамического блока.The use of inductive rod diaphragms makes it possible to increase the mechanical strength of the filter due to a smaller change in the cross section of the ceramic block.

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.In this case, metallized blind holes increase the equivalent capacitance of the resonator, non-metallized blind holes reduce the equivalent capacitance of the resonator. Elements in the form of partially metallized blind or through holes can both reduce and increase the equivalent resonator capacity, which makes it possible to increase the product range based on the base ceramic block. Completely metallized and non-metallized tuning elements are more technologically advanced, but mixed elements have a larger range of variation in the equivalent capacitance of the resonator.

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.The ability to change the length of short-circuited segments of coplanar lines on the end faces of the ceramic block allows you to adjust the matching of the filter with the input and output transmission lines after installing the filter on the board.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:The essence of the utility model is illustrated by drawings, where:

фиг.1 - волноводный керамический фильтр;figure 1 - waveguide ceramic filter;

фиг.2 - разрез фильтра с глухими металлизированными и неметаллизированными отверстиями в качестве элементов настройки;figure 2 is a sectional view of a filter with blank metallic and non-metallic holes as tuning elements;

фиг.3 - разрез фильтра с глухими, частично металлизированными отверстиями;figure 3 is a sectional view of a filter with blind, partially metallized holes;

фиг.4 - разрез фильтра со сквозными частично металлизированными отверстиями;4 is a sectional view of a filter with through partially metallized holes;

фиг.5 - экспериментальная и расчетная АЧХ фильтра;figure 5 - experimental and calculated frequency response of the filter;

фиг.6 - исходная АЧХ фильтра и АЧХ настроенного фильтра.6 is the original frequency response of the filter and the frequency response of the tuned filter.

На фиг.1 - 4 и далее по тексту:Figure 1 - 4 onwards:

поз.1 - металлизированный керамический блок;Pos.1 - metallized ceramic block;

поз.2 - индуктивные стержневые диафрагмы;pos.2 - inductive rod diaphragms;

поз.3 - резонаторы;pos.3 - resonators;

поз.4 - входной элемент связи;pos.4 - input communication element;

поз.5 - выходной элемент связи.Pos.5 - output communication element.

Элементы настройки фильтра:Filter settings items:

поз.6 - глухие металлизированные отверстия;pos.6 - deaf metallized holes;

поз.7 - глухие неметаллизированные отверстия;pos.7 - deaf non-metallic holes;

поз.8 - глухие, частично металлизированные отверстия;Pos.8 - blind, partially metallized holes;

поз.9 - сквозные, частично металлизированные отверстия.Pos. 9 - through, partially metallized holes.

Несмотря на то, что полезная модель проиллюстрирована изображением волноводного керамического фильтра, представленного на фиг.1, количество резонаторов и элементов настройки, а так же их вид могут быть другими. Число резонаторов определяется требуемой характеристикой фильтра и ограничивается допускаемыми потерями фильтра.Despite the fact that the utility model is illustrated by the image of the waveguide ceramic filter shown in figure 1, the number of resonators and tuning elements, as well as their appearance may be different. The number of resonators is determined by the required filter characteristic and is limited by the permissible filter losses.

Предлагаемый волноводный керамический СВЧ фильтр с элементами настройки 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.The proposed waveguide ceramic microwave filter with tuning elements is made in the form of a rectangular parallelepiped of thermostable ceramic material, metallization is applied on all faces of it (item 1). One, two or more through metallized holes are formed in the block as inductive rod diaphragms (pos. 2), forming a chain of coupled resonators (pos. 3) in a ceramic block with a direct connection. The input (pos. 4) and output (pos. 5) communication elements are made on the lower face of the ceramic block in the form of open segments of coplanar lines at the ends and short-circuited segments of coplanar lines on the end faces of the ceramic block. Blind metallized holes (key 6), blind non-metallized holes (key 7), blind partially metallized holes (key 8), and also through partially metallized holes (key 9) are filter resonator settings.

Волноводный керамический СВЧ фильтр с элементами настройки работает следующим образом.A waveguide ceramic microwave filter with tuning elements operates as follows.

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.After the microwave signal arrives at the input element (item 4), energy is effectively input into the filter, which is a chain of resonators with direct coupling formed in a metallized ceramic block using inductive rod diaphragms (item 2). The energy output is carried out by means of the output coupling element (pos. 5). The type of filter characteristic is determined by the distribution of the mutual connections of the filter resonators, which, in turn, are determined by the diameter of the rods of inductive diaphragms.

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 применятся 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.The resonators of the ceramic waveguide filter are tuned by means of tuning elements in the form of blind metallized holes (pos. 6), blind non-metallized holes (pos. 7), blind partially metallized holes (pos. 8), as well as through partially metallized holes (pos. 9) . The described settings can be used in various combinations that provide the required filter characteristic, the size and type of settings are determined by calculation and experimental methods. Coordination of the filter with the input and output transmission lines after installing the filter on the board is provided by adjusting the length of the short-circuited segment of the coplanar line at the end faces of the ceramic block.

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 a_вн - не более 3 дБ, гарантированное затухание a_гар - 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.Based on the proposed design, a band-pass filter was developed and manufactured from thermostable ceramics with a dielectric constant ε = 37. The overall dimensions of the filter were 17 × 4.65 × 2.2 mm. The central frequency of the filter is f ₀ = 8300 MHz, the bandwidth at the level of 0.5 dB-Δf = 200 MHz, the attenuation in the passband a _vn is not more than 3 dB, the guaranteed attenuation a _gar is not less than 45 dB. Figure 5 - calculated and experimental frequency response of the filter. Figure 6 shows the initial frequency response of the filter after manufacturing and frequency response after tuning the filter. The adjustment was made by changing the depth of the deaf non-metallized holes and changing the metallization area of the deaf partially metallized holes.

Claims

A waveguide ceramic microwave filter with tuning elements in the shape of a rectangular parallelepiped made of thermostable ceramic material, on all faces of which a metallization is applied, in which a chain of volume resonators is formed, input and output communication elements, characterized in that through the metalized holes are formed in the block, which serve as inductive rod diaphragms, filter resonator tuning elements are deaf metallized used in various combinations, deaf not metallized, as well as blind and through partially metallized holes, and adjustment of the matching of the filter with the input and output transmission lines after installing the filter on the board is done by changing the length of the short-circuited segments of the coplanar lines on the end faces of the ceramic block.