RU209668U1

RU209668U1 - Miniature microstrip resonator with interdigitated structure

Info

Publication number: RU209668U1
Application number: RU2021128839U
Authority: RU
Inventors: Борис Афанасьевич Беляев; Алексей Михайлович Сержантов; Тимофей Юрьевич Шумилов; Андрей Александрович Лексиков; Ярослав Федорович Бальва; Евгений Олегович Грушевский
Priority date: 2021-10-04
Filing date: 2021-10-04
Publication date: 2022-03-17

Abstract

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот и предназначена для создания фильтров, задающих цепей генераторов и др. Миниатюрный микрополосковый резонатор со встречно-штыревой структурой содержит диэлектрическую подложку, нижняя сторона которой полностью металлизирована и является заземляемым основанием, а на вторую сторону нанесены полосковые металлические проводники, электромагнитно связанные между собой. Совокупность этих проводников образует встречно-штыревую структуру. Проводники выполнены четвертьволновыми, при этом концы проводников встречно-штыревой структуры соединены единым общим проводником и не замкнуты на экран, а встречно-штыревая структура имеет форму квадратной петли. Техническим результатом заявляемого устройства является увеличение собственной добротности микрополоскового резонатора и расширение высокочастотной полосы заграждения фильтров на его основе.The utility model relates to microwave technology and is intended for creating filters, driving circuits of generators, etc. electromagnetically interconnected. The combination of these conductors forms an interdigital structure. The conductors are made quarter-wave, while the ends of the conductors of the interdigital structure are connected by a single common conductor and are not closed to the screen, and the interdigital structure has the shape of a square loop. The technical result of the proposed device is to increase the intrinsic quality factor of the microstrip resonator and to expand the high-frequency stopband of filters based on it.

Description

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот и предназначена для создания фильтров, задающих цепей генераторов и др.The utility model relates to microwave technology and is designed to create filters, generator circuits, etc.

Известна конструкция микрополоскового резонатора на квазисосредоточенных емкостных и индуктивных элементах [Jiwen Zhu, Zhenghe Feng Microstrip interdigital hairpin resonator with optimal physical length //IEEE Microwave and wireless component letters, 2006, №12, P.672-674]. Резонатор состоит из емкости, образованной микрополосковой встречно-штыревой структурой (ВШС) и включенной параллельно ей индуктивности, реализованной на основе регулярного отрезка микрополосковой линии передачи. A well-known design of a microstrip resonator on quasi-concentrated capacitive and inductive elements [Jiwen Zhu, Zhenghe Feng Microstrip interdigital hairpin resonator with optimal physical length //IEEE Microwave and wireless component letters, 2006, No. 12, P.672-674]. The resonator consists of a capacitance formed by a microstrip interdigital structure (VSS) and an inductance connected in parallel to it, implemented on the basis of a regular segment of a microstrip transmission line.

Недостатком такого резонатора является сравнительно низкая собственная добротность, которая быстро падает с уменьшением размеров резонатора.The disadvantage of such a resonator is the relatively low intrinsic Q factor, which rapidly decreases with decreasing resonator size.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является миниатюрный микрополосковый резонатор [Патент РФ №157847, МПК H01P 1/205, опубл. 20.12.2015 бюл. №35], содержащий диэлектрическую подложку, нижняя сторона которой полностью металлизирована и является заземляемым основанием, а на вторую сторону нанесены полосковые металлические проводники, образующие встречно-штыревую структуру. Проводники с нечетными номерами одним концом гальванически соединены с экраном с одного края подложки, а с четными номерами – с противоположного. Такой резонатор имеет более высокую добротность по сравнению с первым аналогом при прочих равных условиях. The closest analogue in terms of essential features is a miniature microstrip resonator [RF Patent No. 157847, IPC H01P 1/205, publ. 12/20/2015 bul. No. 35], containing a dielectric substrate, the lower side of which is completely metallized and is a grounded base, and strip metal conductors are deposited on the second side, forming an interdigital structure. Conductors with odd numbers are galvanically connected to the screen at one end of the substrate, and with even numbers - from the opposite. Such a resonator has a higher quality factor compared to the first analogue, all other things being equal.

Однако в такой конструкции требуется соединение полосковых проводников с экраном, которое выполняется, как правило, припоем, имеющим низкую проводимость, что уменьшает предельно достижимую величину собственной добротности и ухудшает технологичность изготовления.However, this design requires the connection of strip conductors with a screen, which is usually carried out with solder having a low conductivity, which reduces the maximum achievable value of its own quality factor and worsens manufacturability.

Еще одним недостатком, как первого, так и второго аналога является малая протяженность полосы заграждения в полосно-пропускающих фильтрах на основе таких резонаторов.Another disadvantage of both the first and second analogs is the short stop band length in band pass filters based on such resonators.

Техническим результатом полезной модели является увеличение собственной добротности микрополоскового резонатора и расширение высокочастотной полосы заграждения фильтров на его основе.The technical result of the utility model is to increase the intrinsic quality factor of the microstrip resonator and to expand the high-frequency stopband of filters based on it.

Указанный технический результат достигается тем, что в микрополосковом резонаторе, содержащем диэлектрическую подложку, одна сторона которой полностью металлизирована и является заземляемым основанием, а на вторую сторону нанесены металлические параллельные друг другу полосковые проводники встречно-штыревой структуры, у которой проводники с нечетными номерами одним концом гальванически соединены друг с другом посредством общего проводника с одной стороны, а с четными номерами соединены друг с другом посредством общего проводника с противоположной стороны, новым является то, что проводники выполнены четвертьволновыми, при этом концы проводников встречно-штыревой структуры соединены единым общим проводником и не замкнуты на экран, а встречно-штыревая структура имеет форму квадратной петли.This technical result is achieved by the fact that in a microstrip resonator containing a dielectric substrate, one side of which is completely metallized and is a grounded base, and metal strip conductors parallel to each other of an interdigital structure are deposited on the second side, in which conductors with odd numbers are galvanically are connected to each other through a common conductor on one side, and with even numbers are connected to each other through a common conductor on the opposite side, what is new is that the conductors are made quarter-wave, while the ends of the conductors of the interdigital structure are connected by a single common conductor and are not closed onto the screen, and the interdigital structure has the shape of a square loop.

Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что проводники выполнены четвертьволновыми, при этом концы проводников встречно-штыревой структуры соединены единым общим проводником и не замкнуты на экран, а встречно-штыревая структура имеет форму квадратной петли. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». The difference between the proposed device and the closest analogue lies in the fact that the conductors are made quarter-wave, while the ends of the conductors of the interdigital structure are connected by a single common conductor and are not closed to the screen, and the interdigital structure has the shape of a square loop. These differences allow us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty".

Полезная модель поясняется чертежами:The utility model is illustrated by drawings:

фиг. 1 – пример реализации топологии полосковых проводников заявляемой конструкции микрополоскового резонатора; fig. 1 - an example of the implementation of the topology of the strip conductors of the proposed design of the microstrip resonator;

фиг. 2 – зависимость нижайшей резонансной частоты заявляемого резонатора и его собственной добротности от числа проводников встречно-штыревой структуры; fig. 2 - dependence of the lowest resonant frequency of the proposed resonator and its own quality factor on the number of conductors of the interdigital structure;

фиг. 3 – рассчитанные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) потерь на прохождение и отражение четырехзвенного полосно-пропускающего фильтра на основе заявляемого резонатора. fig. 3 - calculated amplitude-frequency characteristics (AFC) of transmission and reflection losses of a four-section bandpass filter based on the proposed resonator.

Заявляемый резонатор (Фиг. 1) содержит диэлектрическую подложку, нижняя сторона которой полностью металлизирована и является заземляемым основанием, а на вторую сторону нанесены полосковые металлические проводники 1, электромагнитно связанные между собой. Совокупность этих проводников образует встречно-штыревую структуру, у которой проводники с нечетными номерами одним концом гальванически соединены друг с другом общим полосковым проводником 2 с одной стороны, а с четными номерами – с противоположной стороны. При этом все параллельные полосковые проводники встречно-штыревой структуры на резонансной частоте являются четвертьволновыми, а сама ВШС имеет форму квадратной петли. The inventive resonator (Fig. 1) contains a dielectric substrate, the lower side of which is completely metallized and is a grounded base, and strip metal conductors 1 are applied on the second side, electromagnetically connected to each other. The combination of these conductors forms an interdigital structure, in which the conductors with odd numbers are galvanically connected to each other at one end by a common strip conductor 2 on one side, and with even numbers - on the opposite side. In this case, all parallel strip conductors of the interdigital structure at the resonant frequency are quarter-wave, and the IHS itself has the shape of a square loop.

Как известно, в дециметровом и особенно в метровом диапазоне длин волн одной из наиболее важных проблем является уменьшение размеров электродинамических резонаторов при обеспечении их достаточно высокой собственной добротности. Также известно, что значение собственной добротности микрополосковых резонаторов на практике в этих диапазонах обычно не превышает нескольких сотен, причем она уменьшается с понижением частоты. Это обусловлено несколькими факторами, главными из которых являются малая толщина проводников по сравнению с глубиной скин-слоя, конечная проводимость металла, из которого изготовляются полосковые проводники, и неравномерное распределение токов в поперечном сечении проводников. Кроме того, при реализации миниатюризованных конструкций микрополосковых резонаторов, использующих традиционные подходы к уменьшению размеров, например, применение скачка ширины проводника или использование квази-сосредоточенных емкостных и индуктивных элементов, приводит к снижению собственной добротности. Это объясняется высокой плотностью тока в индуктивной части нерегулярного проводника резонатора, имеющего относительно узкое сечение.As is known, in the decimeter and especially in the meter wavelength range, one of the most important problems is to reduce the size of electrodynamic resonators while ensuring their sufficiently high intrinsic quality factor. It is also known that the value of the intrinsic quality factor of microstrip resonators in practice in these ranges usually does not exceed several hundred, and it decreases with decreasing frequency. This is due to several factors, the main of which are the small thickness of the conductors compared to the depth of the skin layer, the finite conductivity of the metal from which the strip conductors are made, and the uneven distribution of currents in the cross section of the conductors. In addition, when implementing miniaturized microstrip resonator designs using traditional approaches to size reduction, for example, the use of a jump in conductor width or the use of quasi-lumped capacitive and inductive elements, leads to a decrease in intrinsic Q factor. This is due to the high current density in the inductive part of the irregular conductor of the resonator, which has a relatively narrow cross section.

Заявляемая конструкция микрополоскового резонатора позволяет повысить собственную добротность по сравнению с известными конструкциями при сохранении высокой степени миниатюрности, что, в свою очередь, позволяет улучшить характеристики частотно-селективных устройств на ее основе. The claimed design of the microstrip resonator makes it possible to increase its own quality factor in comparison with known designs while maintaining a high degree of miniaturization, which, in turn, improves the characteristics of frequency-selective devices based on it.

Предлагаемый резонатор работает следующим образом. На нижайшей резонансной частоте конструкции, когда каждый полосковый проводник ВШС является четвертьволновым, эти проводники имеют одинаковое распределение высокочастотных токов и напряжений по их длине, т.е. ток в резонаторе поровну делится на все проводники. А так как проводники заявляемого резонатора образуют встречно-штыревую структуру, то при их большом количестве высокочастотный ток более равномерно распределяется по площади резонатора. Проводники заявляемого резонатора имеют сильную электромагнитную связь друг с другом, а высокочастотные токи в проводниках встречно-штыревой структуры на нижайшей резонансной частоте имеют одинаковое направление. Это увеличивает индуктивность колебательной системы и приводит к существенному уменьшению длины резонатора для нижайшей резонансной частоты. В результате уменьшаются «джоулевы» потери в резонаторе, и, соответственно, возрастает его собственная добротность по сравнению с известными аналогами.The proposed resonator works as follows. At the lowest resonant frequency of the structure, when each strip conductor of the VSS is a quarter-wave conductor, these conductors have the same distribution of high-frequency currents and voltages along their length, i.e. the current in the resonator is equally divided among all the conductors. And since the conductors of the inventive resonator form an interdigital structure, then with a large number of them, the high-frequency current is more evenly distributed over the resonator area. The conductors of the inventive resonator have a strong electromagnetic connection with each other, and high-frequency currents in the conductors of the interdigital structure at the lowest resonant frequency have the same direction. This increases the inductance of the oscillatory system and leads to a significant reduction in the length of the resonator for the lowest resonant frequency. As a result, the "Joule" losses in the resonator are reduced, and, accordingly, its own quality factor increases in comparison with known analogues.

Заявляемая конструкция резонатора принципиально отличается от резонатора-прототипа тем, что встречно-штыревая структура 1 имеет форму квадратной петли, а максимум плотности высокочастотного тока приходится на проводник 2, который имеет малую длину и не требует замыкания на экран. Отсутствие замыкания с экраном в местах максимума плотности тока, которое обычно выполняется либо тонкими проволоками, либо высокоомными припоями, позволяет достигнуть более высокой собственной добротности резонатора по сравнению с резонатором прототипом при прочих равных условиях.The claimed resonator design is fundamentally different from the prototype resonator in that the interdigital structure 1 has the shape of a square loop, and the maximum high-frequency current density falls on the conductor 2, which is short and does not require a short circuit to the screen. The absence of a short circuit with the screen in places of maximum current density, which is usually performed either with thin wires or high-resistance solders, makes it possible to achieve a higher intrinsic quality factor of the resonator compared to the prototype resonator, all other things being equal.

Отличительной особенностью предлагаемой конструкции резонатора является то, что увеличение числа проводников встречно-штыревой структуры при ее фиксированной ширине приводит к существенному понижению первой резонансной частоты. Это означает, что при фиксированной резонансной частоте увеличение числа проводников ВШС приводит к уменьшению длины резонатора, то есть к уменьшению его размеров. При этом собственная добротность резонатора изменяется слабо. Сказанное подтверждается результатами электродинамического моделирования.A distinctive feature of the proposed design of the resonator is that an increase in the number of conductors of the interdigital structure with its fixed width leads to a significant decrease in the first resonant frequency. This means that at a fixed resonant frequency, an increase in the number of IGW conductors leads to a decrease in the length of the resonator, i.e., to a decrease in its dimensions. In this case, the intrinsic quality factor of the resonator changes slightly. The foregoing is confirmed by the results of electrodynamic simulation.

На Фиг. 2 представлена рассчитанная зависимость нижайшей резонансной частоты f1 заявляемого микрополоскового резонатора от числа полосковых проводников встречно-штыревой структуры. Материал подложки «Поликор» (ε=9.8) толщиной 1 мм. Ширина ВШС резонатора была зафиксирована и составляла W=1 мм. Ширина проводников ВШС изменялась обратно пропорционально их числу при фиксированном расстоянии между ними 20 мкм. Размеры сторон резонатора составляли 4.5мм х 4.5мм. Видно, что с увеличением числа проводников ВШС резонансная частота значительно понижается. Это означает, что на фиксированной резонансной частоте при увеличении числа проводников ВШС заявляемого резонатора его длина будет существенно уменьшаться. On FIG. 2 shows the calculated dependence of the lowest resonant frequency f1 of the proposed microstrip resonator on the number of strip conductors of the interdigital structure. Substrate material "Polikor" (ε=9.8) 1 mm thick. The width of the IHS of the resonator was fixed and amounted to W=1 mm. The width of the ISL conductors varied in inverse proportion to their number at a fixed distance between them of 20 µm. The dimensions of the resonator sides were 4.5 mm x 4.5 mm. It can be seen that with an increase in the number of IHS conductors, the resonant frequency decreases significantly. This means that at a fixed resonant frequency, with an increase in the number of conductors of the inventive resonator, its length will significantly decrease.

На Фиг.2 также представлена рассчитанная зависимость собственной добротности Q0 нижайшей моды колебаний заявляемого полоскового резонатора от числа полосковых проводников встречно-штыревой структуры. Расчет произведен для фиксированной резонансной частоты 1 ГГц, по известным из литературы формулам приведенной добротности [Leksikov, A.A., Serzhantov, A.M., Govorun, I.V., Ugryumov, A.V., Leksikov, A.A. Miniaturized suspended-substrate two-conductors resonator and a filter on its base // Progress In Electromagnetics Research M, 2019, Vol. 84, p. 127–135]. Остальные конструктивные параметры были такими же, как указано выше. Как видно из представленной зависимости с увеличением количества проводников происходит рост собственной добротности почти в 1.5 раза, в то время как длина резонатора при этом уменьшается почти в два раза, что подтверждает заявляемый технический результат. Figure 2 also shows the calculated dependence of the intrinsic quality factor Q0 of the lowest oscillation mode of the inventive stripline resonator on the number of stripline conductors of the interdigital structure. The calculation was made for a fixed resonant frequency of 1 GHz, according to the formulas of the reduced quality factor known from the literature [Leksikov, A.A., Serzhantov, A.M., Govorun, I.V., Ugryumov, A.V., Leksikov, A.A. Miniaturized suspended-substrate two-conductors resonator and a filter on its base // Progress In Electromagnetics Research M, 2019, Vol. 84, p. 127–135]. The rest of the design parameters were the same as above. As can be seen from the presented dependence, with an increase in the number of conductors, the intrinsic Q factor increases by almost 1.5 times, while the length of the resonator decreases by almost a factor of two, which confirms the claimed technical result.

Как известно, основной областью применения микрополосковых резонаторов является разработка на их основе различных частотно-селективных устройств, в частности, полосно-пропускающих фильтров. На Фиг. 3 представлены рассчитанные в программе электродинамического анализа амплитудно-частотные характеристики потерь на прохождение (S21) и отражение (S11) четырехзвенного полосно-пропускающего фильтра на основе микрополосковых резонаторов заявляемой конструкции, имеющих форму квадратного петли. Фильтр имеет относительную ширину полосы пропускания Δf3/f0≈10 % (по уровню –3 дБ) с центральной частотой f0=1ГГц. Конструктивные параметры фильтра были следующими: материал подложки «Поликор» (ε=9.8) толщиной 1мм, число проводников встречно-штыревой структуры в каждом резонаторе N=13, ширина полосковых проводников ВШС 50 мкм, зазор между проводниками в резонаторе 20 мкм. Расстояние между внутренними резонаторами в фильтре составляло 0.6 мм, между наружными 0.2 мм. As is known, the main field of application of microstrip resonators is the development on their basis of various frequency-selective devices, in particular, bandpass filters. On FIG. Figure 3 shows the amplitude-frequency characteristics of the transmission (S21) and reflection (S11) losses calculated in the electrodynamic analysis program for a four-section bandpass filter based on microstrip resonators of the proposed design, having the shape of a square loop. The filter has a relative bandwidth Δf3/f0≈10% (at –3 dB level) with a center frequency f0=1GHz. The design parameters of the filter were as follows: the substrate material "Polikor" (ε=9.8) 1 mm thick, the number of interdigital conductors in each resonator N=13, the width of the VSS strip conductors 50 μm, the gap between the conductors in the resonator 20 μm. The distance between the internal resonators in the filter was 0.6 mm, and between the outer ones, 0.2 mm.

Достоинствами заявляемой конструкции резонатора являются малые размеры полосковой структуры фильтра на его основе (7 мм × 20 мм), по сравнению с другими известными конструкциями микрополосковых фильтров, резонаторы которых не имеют замыканий полосковых проводников на экран, а также небольшое вносимое затухание в полосе пропускания (менее 2дБ) и высокая селективность, которая обеспечивается двумя близкорасположенными к полосе пропускания нулями коэффициента передачи. Фильтр также имеет протяженную высокочастотную полосу заграждения, которая по уровню ‒30дБ простирается до частоты почти 7f0, что больше, чем у известных аналогов при прочих равных условиях.The advantages of the proposed design of the resonator are the small size of the stripe structure of the filter based on it (7 mm × 20 mm), compared with other known designs of microstrip filters, the resonators of which do not have short circuits of the strip conductors to the screen, as well as a small insertion attenuation in the passband (less than 2dB) and high selectivity, which is provided by two gain zeros close to the passband. The filter also has an extended high-frequency stopband, which, at a level of ‒30 dB, extends to a frequency of almost 7f0, which is more than that of known analogues, all other things being equal.

Таким образом, заявляемая конструкция резонатора позволяет существенно уменьшить вносимые потери в полосе пропускания фильтров при сохранении высокой степени миниатюрности. Важным преимуществом заявляемого устройства является также и то, что заявляемый резонатор не требует замыкания его полосковых проводников на экран, что повышает технологичность изготовления устройства в интегральном исполнении. Предлагаемый подход может быть использован для создания высокодобротных резонаторов для задающих цепей генераторов и узкополосных полосно-пропускающих фильтров, имеющих малые вносимые потери, для систем связи, радиолокации, радионавигации и специальной радиоаппаратуры. Thus, the claimed design of the resonator can significantly reduce the insertion loss in the passband filters while maintaining a high degree of miniaturization. An important advantage of the proposed device is also the fact that the proposed resonator does not require the shorting of its strip conductors on the screen, which increases the manufacturability of the device in an integrated design. The proposed approach can be used to create high-quality resonators for driving circuits of oscillators and narrow-band bandpass filters with low insertion loss for communication systems, radar, radio navigation and special radio equipment.

Claims

A miniature microstrip resonator with an interdigitated structure containing a dielectric substrate, one side of which is completely metallized and is a grounded base, and on the other side metal strip conductors of an interdigitated structure parallel to each other are deposited, in which the odd-numbered conductors are galvanically connected to each other at one end with the other through a common conductor on one side, and with even numbers are connected to each other through a common conductor on the opposite side, characterized in that the conductors are made quarter-wave, while the ends of the conductors of the interdigital structure are connected by a single common conductor and are not closed to the screen, and the interdigital structure is in the shape of a square loop.