RU2327261C2 - Полосно-заграждающий фильтр - Google Patents

Abstract

Заявляемое устройство может быть использовано в широкополосных радиотехнических системах различного назначения в качестве элементной базы при частотной фильтрации сигналов. В полосно-заграждающем фильтре содержатся полосковый проводник и разомкнутый на обоих концах шлейф, расположенные параллельно друг другу в металлическом заземленном корпусе. Начало и конец полоскового проводника являются входом и выходом фильтра и соединяются с подводящими линиями. Шлейф выполнен в виде сплошного пустотелого проводника, полностью экранирующего полосковый проводник от корпуса фильтра. Относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика внутри шлейфа в 4 раза превышает относительную диэлектрическую проницаемость материала снаружи шлейфа. Техническим результатом является обеспечение на уровне 30 дБ подавления сигналов в полосе заграждения более чем двукратный (~2,5 раза) выигрыш по широкополосности при небольших поперечных размерах фильтра в печатном исполнении и существенно меньшем уровне потерь за счет рассогласования на неоднородностях. 5 ил.

Description

Предлагаемое устройство относится к области техники сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано в радиотехнических системах различного назначения в качестве элементной базы при частотной фильтрации широкополосных сигналов.

Актуальность разработки таких полосно-заграждающих фильтров (ПЗФ) обусловлена все возрастающими требованиями к устройствам фильтрации и частотного уплотнения систем связи, телекоммуникаций и радиолокации в отношении эффективного использования отведенного участка рабочего диапазона частот (радиочастотного ресурса), массогабаритных показателей и надежности. Для обеспечения предъявляемых ныне требований по рациональному использованию радиочастотного ресурса дециметрового диапазона необходимо реализовать широкополосные [с относительной полосой частот заграждения порядка (40...50)%] компактные ПЗФ при высоких показателях производственной и эксплуатационной технологичности. Зачастую фильтры устанавливаются в непосредственной близости от полезных нагрузок, в качестве которых, как правило, фигурируют излучатели антенных систем. Поэтому они подвергаются прямому воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды, в числе которых: высокая влажность, изморозь и иней, пыль, солнечная радиация и пр.

Известны ПЗФ с четвертьволновыми связями, описанные в работе: Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. "Справочник по элементам волноводной техники", М.: Советское радио, 1967 год, раздел 8.6. В этих фильтрах при полосковой печатной реализации используются четвертьволновые отрезки электромагнитно связанных линий передачи, одно плечо которых закорочено [см. вышеупомянутый "Справочник...", рисунок 8.15, в]. Упомянутые отрезки являются конструктивной печатной реализацией сосредоточенных LC-контуров на СВЧ. В свою очередь, LC-контура соединяются каскадно посредством четвертьволновых отрезков одиночных полосковых линий передачи [см. вышеупомянутый "Справочник...", рис.8.13]. В результате описанные фильтры, хотя и реализуются в печатном исполнении, характеризуются значительными продольными размерами. Так, двухрезонаторный ПЗФ с двумя всплесками затухания в полосе заграждения имеет продольный размер 3λ_0S/4, где λ_0S - центральная длина волны требуемой полосы частот Δf_S заграждения с коэффициентом перекрытия χ_S и граничными частотами f_SL слева и f_SR справа от центральной частоты f_0S этой полосы:

К тому же резонаторы упомянутых ПЗФ реализованы на отрезках электромагнитно связанных полосковых линий. Это ограничивает полосу частот заграждения таких фильтров величиной коэффициента перекрытия χ_S порядка 1,25 (относительная полоса частот Δf_S/f_0S порядка 20%), что определяется в основном двумя факторами: приближенностью понятия добротности Q_P резонаторов на отрезках электромагнитно связанных линий и погрешностями, вносимыми четвертьволновыми связями [см. вышеупомянутый "Справочник...", раздел 8.4 - "Реализация полосно-пропускающего фильтра", стр.414]. Использовать материалы из раздела по полосно-пропускающим фильтрам для оценки характеристик полосно-заграждающих фильтров можно на том основании, что расчет упомянутых ПЗФ в данном "Справочнике..." рекомендуется проводить с помощью фильтра-прототипа, в качестве которого служит как раз полосно-пропускающий фильтр [см. начало раздела 8.6 - "Расчет полосно-заграждающих фильтров с четвертьволновыми связями", стр.425 вышеупомянутого "Справочника..."]. Подчеркнем также, что здесь и далее следует различать общепринятый в литературе по СВЧ-фильтрам термин "фильтр-прототип" (используемый для обозначения эквивалентной расчетной схемы фильтра на сосредоточенных элементах) и термин "прототип предлагаемого изобретения" (используемый в патентной документации).

Таким образом, описанные ПЗФ с четвертьволновыми связями пригодны для подавления полос частот с коэффициентами перекрытия χ_S порядка 1.25, что явно недостаточно для современных широкополосных систем связи и телекоммуникаций.

Известны также полосовые режекторные фильтры (А.С. СССР №930439, Н01Р 1/203, опубл. 23.05.1982 г.), содержащие основную линию и полуволновые резонаторы, связанные с основной линией распределенной связью. В упомянутых фильтрах длина области электромагнитной [или что то же: распределенной] связи каждого полуволнового резонатора, короткозамкнутого на обоих концах, меньше λ_0S/8, где λ_0S - длина волны на центральной частоте полосы заграждения (1). Такой выбор продольного размера области связи приводит к более раннему формированию изгиба резонатора, где разрядная мощность примерно вдвое меньше чем на регулярном участке резонатора, что приводит согласно формуле изобретения №930439, к повышению электрической прочности фильтра.

Однако для реализации одной и той же добротности Q_P в фильтрах по А.С. СССР №930439 потребуется более интенсивное электромагнитное взаимодействие резонатора с основной линией, чем в ПЗФ из вышеупомянутого "Справочника...", так как длины областей связи отличаются более чем в 2 раза. Поэтому полосковый печатный фильтр по А.С. СССР №930439 будет либо с конструктивно нереализуемыми малыми зазорами, либо будет иметь недостаточные добротности Q_P (т.е. малую полосу частот заграждения Δf_S).

Таким образом, описанные в А.С. СССР №930439 полосовые режекторные фильтры при печатном исполнении характеризуются еще меньшими коэффициентами перекрытия χ_S полосы частот заграждения, чем ПЗФ из вышеупомянутого "Справочника...", и не могут быть использованы в широкополосных радиотехнических системах.

Известны также ПЗФ с четвертьволновыми связями и оптимальными частотными характеристиками, описанные в вышеупомянутом "Справочнике...", раздел 10.7. В этих фильтрах резонаторы на отрезках электромагнитно связанных линий передачи с одним закороченным на корпус плечом соединяются каскадно без использования четвертьволновых отрезков одиночных линий, так как фигурирующие в расчетах "эквивалентные резонаторы" включают в себя сосредоточенный LC-контур и отрезки одиночных линий длиной λ_0S/8 с обеих сторон LC-контура (см. рис.10.14 вышеупомянутого "Справочника..."). И хотя расчет таких ПЗФ ведется по полосно-пропускающему фильтру-прототипу раздела 8.4 "Справочника...", модифицированная методика проектирования, изложенная в обсуждаемом разделе 10.7, приводит к тому, что теперь продольный размер 3λ_0S/4 будет иметь не двух, а трехзвенный ПЗФ (см. рис.10.18 "Справочника..."). Однако, несмотря на сокращение продольного размера ПЗФ, его резонаторы образованы по-прежнему отрезками электромагнитно связанных полосковых линий с одним закороченным плечом, что ограничивает коэффициент перекрытия χ_S полосы заграждения величиной порядка 1,3. Даже пример (а примеры, как правило, характеризуют устройства с наиболее востребованным оптимальным сочетанием характеристик), приведенный на стр.566 и рис.10.18 упомянутого "Справочника...", характеризуется относительной полосой частот заграждения Δf_S/f_0S=8.4% с соответствующей величиной χ_S≈1.1.

Таким образом, описанные ПЗФ с четвертьволновыми связями и оптимальными частотными характеристиками не удовлетворяют современным требованиям по широкополосности подавления нежелательных спектров, когда необходимо обеспечить подавление в полосе частот с коэффициентом перекрытия χ_S более 1,5.

Известны также ПЗФ, описанные в Патенте РФ №1356050, Н01Р 1/203, опубл. 30.11.1987 г. Эти ПЗФ содержат направленные ответвители, выполненные на двух четвертьволновых отрезках электромагнитно связанных линий. При этом с целью расширения полосы частот заграждения конец первого отрезка полосковой линии каждого направленного ответвителя соединен с началом второго отрезка полосковой линии этого же направленного ответвителя, а конец второго отрезка подключен к началу первого отрезка следующего направленного ответвителя, для чего отрезки полосковой линии свернуты в спираль. Изменением расстояния между отрезками полосковых линий можно добиться изменения положения на частотной оси частот f_S∞ полюсов вносимого затухания (частота f_S∞ называется также "частотой всплеска" вносимого затухания), формируемых в полосе заграждения Δf_S каждым направленным ответвителем. Теоретические значения всплесков вносимого затухания L_S∞ (дБ) на частотах f_S∞ равны бесконечности [L_S∞=L(f=f_S∞)=∞]. Практически достижимые значения L_S∞ составляют величины порядка 50...80 дБ и зависят от тщательности конструктивно-технологической реализации и наличия диэлектрика (чем больше относительная диэлектрическая проницаемость ε_r диэлектрика, тем меньше величина L_S∞ всплеска вносимого затухания на частоте f_S∞).

Однако в полосе пропускания упомянутые фильтры имеют осциллирующую частотную характеристику вносимого затухания L (дБ) с пульсациями, достигающими 7...10 дБ, что неприемлемо при экономном использовании радиочастотного ресурса в приемопередающих устройствах систем связи и телекоммуникаций и оправдано лишь в радиоизмерительной аппаратуре, где эти пульсации можно не принимать во внимание после надлежаще выполненной калибровки нулевого уровня измеряемого параметра устройства. К тому же и в этих ПЗФ фигурируют четвертьволновые отрезки электромагнитно связанных линий. И хотя в упомянутых отрезках отсутствуют какие-либо короткозамыкающие на корпус фильтра перемычки, все равно относительная полоса частот заграждения Δf_S/f_0S при уровне пульсаций в полосе пропускания 3 дБ ограничена величиной 30% (соответствующее значение χ_S=1.35).

Таким образом, описанные в А.С. СССР №1356050 ПЗФ также не удовлетворяют современным требованиям по широкополосности подавления нежелательных спектров с коэффициентами перекрытия χ_S≥1.5 при экономном использовании радиочастотного ресурса дециметрового диапазона.

Известны также полосовые фильтры (А.С. СССР №1693663, Н01Р 1/203, опубл. 23.11.1991 г.), содержащие короткозамкнутые регулярные и ступенчатые, а также разомкнутые ступенчатые шлейфы. Упомянутые шлейфы подключаются к основному отрезку линии передачи на расстояниях l_D, равных четверти длины волны λ_0D, причем ступенчатые шлейфы подключаются к основному отрезку попарно и параллельно друг другу в соответствующей точке. Это позволяет повысить порядок реактансной функции входного сопротивления и обеспечить тем самым возможность подавления нежелательных паразитных резонансов в широкой полосе частот заграждения. Между тем при практической реализации такой возможности в печатном полосковом исполнении возникает ряд трудностей конструкторско-технологического характера.

Во-первых, как следует из описания изобретения к А.С. СССР №1693663, патентным прототипом упомянутых полосовых фильтров является полосно-пропускающий фильтр с четвертьволновыми соединительными линиями, описанный в работе: Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. "Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи", том 2, М.: Связь, 1972 год, раздел 10.03, рис.10.03.1. Следовательно, всю область нижних частот до первой полосы пропускания на частоте f_0D=3·10⁸/λ_0D фильтр подавляет, в то время как в полосно-заграждающих фильтрах первой на частоте f_0D является полоса заграждения, а область нижних частот полосно-заграждающий фильтр должен пропускать с незначительными потерями. Следовательно, если в техническом задании на проектирование задана согласно (1) центральная частота f_0S (или центральная длина волны λ_0S) полосы заграждения, то при использовании фильтра по А.С. СССР №1693663 должно быть соблюдено условие f_0D=/f_0S/2, так как расстояния l_D между точками включения шлейфов выбираются равными четверти длины волны, соответствующей центральной частоте полосы пропускания. Иными словами, фильтр по А.С. СССР №1693663, рассчитываемый по полосно-пропускающему фильтру-прототипу, должен быть спроектирован на частоту f_0D, в 2 раза меньше заданной f_0S по техническому заданию на проектирование. Поэтому расстояние между точками включения шлейфов l_D=λ_0D/4 получается в два раза больше того же расстояния l_S=λ_0S/4 для случая, когда расчет фильтра ведется по полосно-заграждающему фильтру-прототипу. Кроме того, возрастают примерно в 2 раза и длины всех шлейфов. В итоге габариты фильтра по А.С. СССР №1693663 становятся весьма громоздкими даже в печатном исполнении, а возрастание длины всех проводников в 2 раза ведет к увеличению в 2 раза диссипативных потерь в проводниках и диэлектрике конструкции фильтра, что будет неприемлемо в приемопередающих устройствах.

Во-вторых, в вышеупомянутой книге Маттея Д.Л., Янга Л., Джонса Е.М.Т. в конце раздела 10.03 (том №2, стр.78) отмечается, что (цитируем): "...фильтры на рис.10.03.1... имеют дополнительные полосы пропускания с центральной частотой 3f_0D... и узкие паразитные полосы пропускания вблизи частоты 2f_0D. Эти фильтры рекомендуется применять, главным образом, в качестве широкополосных, так как при расчете их на узкую полосу они будут иметь либо слишком низкие, либо слишком высокие значения сопротивлений шлейфов". Как видно из этой цитаты, фильтры по А.С. СССР №1693663, где в качестве фильтра-прототипа взят фильтр рис.10.03.1, должны иметь широкую полосу пропускания на частотах f_0D, 3f_0D, 5f_0D. А это неизбежно ведет к существенному сужению полосы заграждения, лежащей в области частоты 2f_0D (то есть между f_0D и 3f_0D). Подключение же дополнительных ступенчатых шлейфов по А.С. СССР №1693663 при печатном полосковом исполнении фильтров этого типа приведет, по оценкам Заявителя, лишь к устранению упомянутых в цитате паразитных полос пропускания вблизи частоты 2f_0D без заметного расширения полосы частот заграждения в области этой частоты (то есть между f_0D и 3f_0D).

Таким образом, описанные в А.С. СССР №1693663 полосовые фильтры характеризуются при их печатном исполнении неприемлемыми для дециметрового диапазона габаритами и уровнем диссипативных потерь в проводниках и диэлектрике, а также ограниченным диапазоном частот заграждения с относительной полосой подавления Δf_S/f_0S, составляющей по оценкам Заявителя не более 25%.

Отмеченные выше недостатки фильтров по А.С. СССР №1693663 присущи также и фильтрам на неоднородных шлейфах, описанным в патенте РФ №2099823, Н01Р 1/203, опубл. 20.12.1997 г., потому что, судя по описанию изобретения к патенту №2099823, А.С. СССР №1693663 было взято в упомянутом патенте за прототип. Более того, по мнению Заявителя, отмеченные выше недостатки фильтров по А.С. СССР №1693663 в патенте №2099823 лишь усугубляются, так как общее количество резонаторов выбирается больше трех и кратно трем, а число однородных резонаторов в два раза больше числа ступенчатых резонаторов. Подобный экстенсивный путь решения проблемы расширения полосы заграждения оборачивается еще большими габаритно-массовыми показателями, особенно в дециметровом диапазоне. При этом вряд ли можно надеяться на заметное сокращение габаритов за счет "сворачивания" линий передачи и шлейфов в меандры. К тому же меандровое исполнение характеризуется значительным уровнем отражений и интенсивным возбуждением высших типов волн.

Что касается диссипативных потерь в проводниках и диэлектрике полосковой печатной реализации вышеупомянутых фильтров, то, по оценкам Заявителя, их уровень даже в дециметровом диапазоне составляет не менее 5...7 дБ на фильтр, так как минимальное число резонаторов (количество которых должно быть согласно Формулы изобретения по патенту РФ №2099823 больше трех и кратно трем) равно шести, а длина основной линии передачи составляет при шести резонаторах 5λ_0D/4 (см. фиг.1 Описания к патенту №2099823). Что уж говорить о сантиметровом диапазоне волн, поскольку уровень диссипативных потерь прямо пропорционален корню квадратному из частоты. Такие уровни потерь совершенно неприемлемы в приемопередающих радиотехнических системах при жестких требованиях к использованию радиочастотного ресурса.

Таким образом, фильтры СВЧ на неоднородных шлейфах, описанные в патенте РФ №2099823, характеризуются экстенсивным методом решения проблемы и имеют при печатном исполнении значительные габариты и массу, а также неудовлетворительные показатели по уровню диссипативных потерь, хотя достижимая полоса частот заграждения при минимальном числе шлейфов, равном шести, составляет не менее октавы (Δf_S/f_0S порядка 66%).

Известен также ПЗФ с широкой полосой заграждения, описанный в работе: Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. "Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи", том 2, М.: Связь, 1972 год, раздел 12.10, рис.12.10.1. Этот фильтр выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения и содержит объемный (стержневой) полосковый проводник, начало и конец которого являются входом и выходом фильтра и соединяются с подводящими линиями передачи, имеющими одинаковое волновое сопротивление ρ₀=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 единице. При расчете фильтра на заданную относительную полосу частот Δf_S/f_0S заграждения по минимальному уровню вносимого затухания L_Smin=30 дБ, равную 0.23 ГГц/1.6 ГГц=0.14=14%, использовался сосредоточенный фильтр-прототип с числом реактивных элементов n=3. В результате в изготовленном макете описанного фильтра (см. вышеупомянутый рис.12.10.1) при расстоянии b между наружными пластинами корпуса 11.3 мм (b=11.3 мм) используется стержневой полосковый проводник шириной w=2.54 мм и толщиной t=4.22 мм, при ширине w₀ подводящих линий, равной 7.09 мм. В то же время два крайних разомкнутых на одном конце шлейфа с волновым сопротивлением 145 Ом выполнены из проволоки диаметром 1.29 мм и соединены со входом и выходом фильтра, а третий шлейф с волновым сопротивлением 176 Ом из проволоки диаметром 0.81 мм соединен с серединой объемного стержневого полоскового проводника.

Разумеется, можно также попытаться реализовать и печатную полосковую версию описанного фильтра, так как уровни волновых сопротивлений всех элементов известны. Однако реализовать в печатном исполнении на отечественных серийно выпускаемых листовых фольгированных диэлектриках с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r=2,5...10 шлейфы с волновым сопротивлением 145 и 176 Ом не представляется возможным, что следует из материалов работы: "Справочник по элементам полосковой техники", под редакцией А.Л.Фельдштейна, М.: Связь, 1979 год, стр.9, рис.1.4.

Таким образом, описанный полосно-заграждающий фильтр в объемном полосковом исполнении, являющийся прототипом, характеризуется небольшой относительной полосой частот заграждения (Δf_S/f_0S=14%; χ_S=1.15) и не может быть реализован в печатном исполнении на серийно выпускаемых листовых фольгированных диэлектриках.

Задачей предлагаемого изобретения является создание печатного полосно-заграждающего фильтра, имеющего коэффициент перекрытия χ_S полосы заграждения по минимальному уровню вносимого затухания L_Smin=30 дБ не менее 1.4 (соответствующая величина Δf_S/f_0S≥30%).

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известном полосно-заграждающем фильтре, содержащем размещенные в металлическом заземленном корпусе полосковый проводник, начало и конец которого являются входом и выходом фильтра и соединены с подводящими линиями передачи, а также разомкнутый на одном конце шлейф, отличающийся тем, что полосковый проводник и шлейф расположены параллельно друг другу, при этом шлейф выполнен в виде сплошного пустотелого проводника, полностью экранирующего полосковый проводник от корпуса, с относительной диэлектрической проницаемостью диэлектрика внутри шлейфа, в 4 раза превышающей таковую снаружи, а второй конец шлейфа разомкнут.

На фиг.1 изображен прелагаемый полосно-заграждающий фильтр; на фиг.2 - его частотная характеристика; на фиг.3 - поперечное сечение предлагаемого фильтра плоскостью А-А; на фиг.4 - эскиз заготовок G₁ и G₂, образующих шлейф; на фиг.5 - теоретическая и экспериментальная частотные характеристики вносимого затухания опытного образца заявляемого полосно-заграждающего фильтра.

Предлагаемый полосно-заграждающий фильтр (фиг.1) содержит полосковый проводник 1 и разомкнутый на обоих концах шлейф 2, расположенные параллельно друг другу в металлическом заземленном корпусе 3. Начало 4 и конец 5 полоскового проводника 1 являются входом и выходом фильтра и соединяются с подводящими линиями передачи 6, имеющими, как правило, одинаковые волновые сопротивления ρ₀, равные 50 или 75 Ом. Упомянутый шлейф 2 выполнен в виде сплошного пустотелого проводника, полностью экранирующего полосковый проводник 1 от корпуса 3 фильтра. Для обеспечения полного экранирования длина l₂ шлейфа 2 равна длине l₁ полоскового проводника 1: l₁=l₂. При этом диэлектрическая проницаемость ε_rB диэлектрика внутри шлейфа 2 в 4 раза превышает диэлектрическую проницаемость ε_rN диэлектрика снаружи шлейфа 2: ε_rB=4ε_rN. В результате полосковый проводник 1, находящийся внутри шлейфа 2 в диэлектрике с проницаемостью ε_rB, характеризуется волновым сопротивлением ρ_B и электрической длиной

, где λ - текущая длина волны генератора. В то же время сплошной шлейф 2, находящийся внутри металлического заземленного корпуса 3 в диэлектрике с проницаемостью ε_rN, характеризуется волновым сопротивлением ρ_N и электрической длиной

. Таким образом, несмотря на то что геометрические длины l₁ и l₂ полоскового проводника 1 и шлейфа 2 равны, их электрические длины θ_B и θ_N по диэлектрикам с проницаемостями соответственно ε_rB и ε_rN различны:

Поскольку ε_rB=4ε_rN, to дальнейшее рассмотрение ведется, как следует из (2), для случая θ_B=2θ_N. При этом подводящие линии передачи 6, имеющие внутри металлического заземленного корпуса 3 волновые сопротивления ρ₀, располагаются в диэлектрике, имеющем относительную диэлектрическую проницаемость ε_rN. Электрическая длина подводящих линий не имеет принципиального значения, так как они предназначены для соединения начала 4 и конца 5 полностью экранированного от корпуса 3 полоскового проводника 1 с центральными выводами коаксиально-полосковых переходов (например, разъемов типа Э2-116/1, СРГ-50-751-ФВ и др.), установленных на корпусе 3 фильтра (на фиг.1 разъемы условно не показаны) так, чтобы их проводящий корпус имел надежный электрический контакт с проводящим корпусом 3 фильтра.

Принцип действия заявляемого ПЗФ состоит в следующем. Пусть к началу 4 полоскового проводника 1 (входу ПЗФ) через подводящую линию 6 с волновым сопротивлением ρ₀ от источника СВЧ-сигнала с вещественным внутренним сопротивлением R_S подводится гармонически изменяющееся во времени напряжение u₄(t)=U_4maxcos(ωt+φ4) с комплексной амплитудой

, где ω=2πf=2π·3·10⁸/λ - текущая круговая частота, φ₄ - начальная фаза напряжения u₄(t). Будем полагать, что амплитуда U_4max и начальная фаза φ₄ этого напряжения остаются неизменными в широкой полосе частот. Тогда часть энергии входного сигнала поступит по полосковому проводнику 1 к его концу 5 (на выход ПЗФ) и далее по подводящей линии - на выходной разъем в полезную нагрузку, которая в общем случае может быть комплексной Z_L=R_L+jX_L. Оставшаяся часть энергии входного сигнала отражается от начала 4 полоскового проводника 1 и, поступив обратно в источник, рассеивается на его внутреннем сопротивлении R_S. Как правило, стремятся обеспечить вещественный характер не только внутреннего сопротивления источника, но и полезной нагрузки, поэтому далее принимается, что:

Тогда при соответствующем расчете волновых сопротивлений ρ_B и ρ_N (см. ниже) частотная характеристика вносимого затухания

фильтра, рассматриваемого как четырехполюсник (двуплечее устройство), имеет форму (фиг.2), позволяющую квалифицировать заявляемое устройство как полосно-заграждающий фильтр с тремя всплесками затухания на частотах f_SH∞, f_SB∞ и центральной частоте f_0S полосы заграждения Δf_S=f_SB-f_SH по уровню L_Smin, где

- комплексная амплитуда напряжения на конце 5 полоскового проводника 1 (выходе ПЗФ); S₁₂ - комплексный коэффициент передачи фильтра по напряжению, совпадающий с соответствующим элементом его матрицы рассеяния. В полосах пропускания фильтр имеет подъем характеристики затухания до небольшого уровня L_ar, а вся частотная характеристика L (дБ) симметрична относительно вертикали в частотной точке f=f_0S и имеет период 2f_0S.

Расчет волнового сопротивления ρ_B полоскового проводника 1 в среде с проницаемостью ε_rB и волнового сопротивления ρ_N шлейфа 2 в среде с проницаемостью ε_rN производится численными электродинамическими методами с использованием разработанного Заявителем пакета прикладных программ. В процессе вычислений применяются явные и неявные разностные схемы, которые построены на основе сеточных моделей, когда поперечное сечение А-А фильтра (фиг.3) покрывается сеткой с квадратными ячейками "плавающей" размерности в зависимости от степени кривизны силовых линий электрического поля поперечной электромагнитной волны, распространяющейся в двухпроводной (первый провод - полосковый проводник 1; второй провод - шлейф 2) объемной полосковой структуре над "землей" (роль "земли" выполняет металлический заземленный корпус 3). Алгоритмы формирования и ключевые этапы решения соответствующих электродинамических уравнений базируются на бесконечных рекуррентных соотношениях циклических процедур, сходящихся с требуемым приближением (порядка 1...3%) к финальным значениям волновых сопротивлений ρ_B и ρ_N, и описаны в литературе, например: "Конструирование и расчет полосковых устройств" / Под ред. И.С.Ковалева. - М.: Советское Радио, 1974 г. В результате геометрические размеры b_N, w_N, b_B, w_B, t_B поперечного сечения фильтра (фиг.3) могут быть подобраны так, чтобы обеспечить любые, но конструктивно исполнимые по технологии реализации полосковых микросхем значения волновых сопротивлений ρ_B и ρ_N с учетом соблюдения условия (3). При этом структура заявляемого полосно-заграждающего фильтра, отличительной особенностью которого является полная экранировка шлейфом 2 полоскового проводника 1 при четырехкратном различии относительных диэлектрических проницаемостей внутри и снаружи шлейфа 2 (ε_rB=4ε_rN), такова, что при выполнении условия

удается обеспечить при одинаковом с прототипом уровне L_Smin=30 ДБ коэффициент перекрытия χ_S=(f_SB/f_SH) относительной полосы частот заграждения Δf_S/f_0S=(f_SB-f_SH)/f_0S, равный χ_S=1.42 (Δf_S/f_0S=35%). Более чем двукратный выигрыш по относительной полосе заграждения (35%/14%=2.5 раза) в заявляемом фильтре достигается при том, что в нем, в отличие от прототипа, отсутствуют какие-либо фрагменты, ориентированные перпендикулярно полосковому проводнику 1 и соединенные с ним гальванически. Это дает возможность существенно сократить поперечный размер фильтра, так как в дециметровом диапазоне на отечественных диэлектриках с проницаемостью ε_r=2...10, как правило, соблюдается условие (см. пример ниже):

что позволяет квалифицировать печатную реализацию заявляемого полосно-заграждающего фильтра как весьма компактную. К тому же в заявляемом ПЗФ в отличие от прототипа отсутствуют неоднородности, неизбежно возникающие в местах гальванических соединений шлейфов и основного полоскового проводника и приводящие к заметным, дополнительным к уровню L_ar (фиг.2), значениям потерь мощности источника сигнала в полосе пропускания нижних частот за счет отражений на этих неоднородностях.

Для экспериментальных исследований была выполнена печатная версия заявляемого ПЗФ для подавления сигналов в телевизионном передатчике дециметрового диапазона при следующих исходных данных на проектирование (фиг.2):

Для реализации использовались серийно выпускаемые:

А) листовой фольгированный диэлектрик ФЛАН-10, толщиной а_B=1 мм (фиг.3) и относительной диэлектрической проницаемостью ε_rB=10±0.5 (среда внутри шлейфа 2);

Б) листовой фольгированный диэлектрик ФАФ-4, толщиной а_N=2 мм и а^*=1 мм с относительной диэлектрической проницаемостью ε_rN=2.5±0.2 (среда снаружи шлейфа 2).

Подробные сведения о свойствах и основных конструкционных характеристиках этих диэлектриков приведены в работе: И.П.Бушминский, Г.В.Морозов, "Технологическое проектирование микросхем СВЧ". - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001 г., стр.40-41.

Длина l₂ шлейфа 2 определяется из условия (2) так, чтобы на центральной частоте f_0S=1 ГГц полосы заграждения f_SH...f_SB (ф-ла 6) электрическая длина θ_N составляла π:

Ширина w_B полоскового проводника 1 (фиг.3) рассчитывается из условия (4) обеспечения волнового сопротивления ρ_B=28.6 Ом в среде с проницаемостью ε_rB=10 по материалам работы: "Справочник по элементам полосковой техники", под ред. А.Л.Фельдштейна, М.: "Связь", 1979 г., рис.1.3 и составляет w_B=1.2 мм. При этом толщиной фольги t_F=25 мкМ по сравнению с толщиной диэлектрика a_B=1 мм можно пренебречь (t_F=t_B; t_F/a_B≈0), а ширина w_N горизонтальных проводящих граней объемного шлейфа 2 (фиг.3) должна быть не менее 2w_B (w_N≥2w_B). Обоснованием этого выбора могут служить рекомендации работы: "Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств" / Под ред. В.И.Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982 г., стр.32-35, рис.2.5.

В результате шлейф 2 конструктивно реализуется из двух заготовок 7 и 8 (фиг.4), имеющих размеры

На лицевой стороне заготовки 7 (G₁) по ее центру формируется полосковый проводник 1 шириной w_B=1.2 мм, а лицевая сторона заготовки 8 (G₂) полностью свободна от фольги. К концам 4 и 5 полоскового проводника 1 на заготовке 7 (G₁) припаиваются полосковые отводы 9 (ПО, фиг.4) шириной w_B и длиной 10...15 мм, выполненные из медной посеребренной фольги толщиной t_F=25 мкМ. Поскольку обратные стороны заготовок 7 и 8 полностью облицованы фольгой, то после наложения заготовок лицевыми сторонами и склеивания их по периметру (то есть клей не наносится на полосковый проводник 1) формируется шлейф 2, внутри которого заключен полосковый проводник 1. При этом вертикальные проводящие грани шлейфа 2 высотой b_B=2a_B+t_B≈2a_B=2 мм выполнены также из медной фольги толщиной t_F, аккуратно (то есть, без излишков припоя и флюса) припаянной к кромкам фольги обратных сторон заготовок 7 и 8 (G₁ и G₂) вдоль размера l₂ (фиг.4).

На заключительном этапе реализации фильтра его центральный экранированный фрагмент, собранный, как описано выше, и являющийся шлейфом 2 с заключенным внутри полосковым проводником 1 и выступающими полосковыми отводами 9, обкладывается листовыми заготовками из ФАФ - 4 толщиной а_N=2 мм и а^*=1 мм. При этом на лицевой стороне заготовок толщиной а*=1 мм формируются подводящие 50-омные [ρ₀=50 Ом, условие (6)] полосковые линии 6 шириной w₀=0.82·b_N=0.82(2а_N+2a_B)=1.64(а_N+a_B)≈5 мм (см. упомянутый "Справочник по элементам полосковой техники", под ред. Фельдштейна А., Л. - М.: Связь, 1979 г., рис.1.3). К этим линиям припаиваются полосковые отводы 9 собранного центрального экранированного фрагмента, причем полосковые подводящие линии 6 располагаются в корпусе 3 фильтра строго по центру, так как aN+а^*=b_N/2=3 мм.

И вот здесь определяется окончательный размер w_N заготовок 7 и 8, то есть ширина проводящих горизонтальных граней объемного шлейфа 2, имеющего длину l₂=95 мм [формула (7)]. Этот размер w_N должен обеспечить волновое сопротивление ρ_N=16 Ом [условия (4)] при следующих конструктивных параметрах:

Обратившись к рис.1.4 из вышеупомянутого "Справочника по элементам полосковой техники" / Под ред. А.Л.Фельдштейна. - М.: Связь, 1979 г., находим, что с учетом экстраполяции w_N≈2.1·b_N=12.6 мм. Найденная величина w_N удовлетворяет ранее сформулированному ограничению w_N≥2w_B и условию (5) и может быть использована для реализации заготовок 7 и 8 заявляемого ПЗФ.

Результаты экспериментальных исследований частотной характеристики вносимого затухания

, фильтра [фиг.5, поз.10 - теория (сплошные линии), поз.11 - эксперимент (кружки, штриховые линии)] свидетельствуют об успешном решении поставленной задачи - реализации печатного ПЗФ с коэффициентом перекрытия χ_S полосы заграждения по уровню L_Smin=30 дБ, равном 1.42 (χ_S=1.42), и о перспективности заявляемого фильтра для практического использования в системах радиосвязи и телекоммуникаций.

Claims (1)

1. Полосно-заграждающий фильтр, содержащий размещенные в металлическом заземленном корпусе полосковый проводник, начало и конец которого являются входом и выходом фильтра и соединены с подводящими линиями передачи, а также разомкнутый на одном конце шлейф, отличающийся тем, что полосковый проводник и шлейф расположены параллельно друг другу, при этом шлейф выполнен в виде сплошного пустотелого проводника, полностью экранирующего полосковый проводник от корпуса, с относительной диэлектрической проницаемостью диэлектрика внутри шлейфа в 4 раза превышающей таковую снаружи, а второй конец шлейфа разомкнут.

Images