RU2390889C2

RU2390889C2 - Strip-line filter

Info

Publication number: RU2390889C2
Application number: RU2008101285/09A
Authority: RU
Inventors: Борис Афанасьевич Беляев (RU); Борис Афанасьевич Беляев; Александр Александрович Лексиков (RU); Александр Александрович Лексиков; Алексей Михайлович Сержантов (RU); Алексей Михайлович Сержантов
Original assignee: Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН
Priority date: 2008-01-09
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2010-05-27
Also published as: RU2008101285A

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: device comprises dielectric substrate suspended between screens, on both surfaces of which there are strip-line conductors applied as short-circuited at one end. At the same time conductors are short-circuited to screen at one edge of substrate with adjacent ends.

EFFECT: reduction of dimensions and improvement of frequency-selective properties of strip-line filter.

6 dwg

Description

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для частотной селекции сигналов, например, в приемо-передающих системах.The invention relates to techniques for microwave frequencies and is intended for frequency selection of signals, for example, in transceiver systems.

Известна конструкция полосно-пропускающего фильтра [А.А.Александровский, Б.А.Беляев, А.А.Лексиков // Радиотехника и электроника. Том 48, №4, 2003 г. Стр.398-405]. Фильтр содержит микрополосковые резонаторы, имеющие форму шпильки. Для увеличения крутизны склонов амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в резонаторы добавлены нерегулярные шлейфы, благодаря которым можно сформировать полюса затухания на заданных частотах.The known design of a band-pass filter [A.A.Alexandrovsky, B.A. Belyaev, A.A. Lexikov // Radio engineering and electronics. Volume 48, No. 4, 2003, pp. 398-405]. The filter contains microstrip resonators having the shape of a stud. To increase the steepness of the slopes of the amplitude-frequency characteristic (AFC), irregular loops were added to the resonators, thanks to which it is possible to form attenuation poles at given frequencies.

Недостатком фильтра является большая площадь подложки, особенно при реализации узкополосных фильтров. В этом случае необходимо обеспечить малую величину связи между резонаторами и, следовательно, требуется существенное увеличение расстояния между ними. Кроме того, такой фильтр достаточно сложен в настройке.The disadvantage of the filter is the large area of the substrate, especially when implementing narrow-band filters. In this case, it is necessary to ensure a small amount of coupling between the resonators and, therefore, a substantial increase in the distance between them is required. In addition, such a filter is quite difficult to configure.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является полосно-пропускающий фильтр [Патент РФ №2237320, МПК 7 Н01Р 1/203, опубл. 27.09.2004, Бюл. №27 (Прототип)]. Фильтр содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесены закороченные с одного конца полосковые проводники, а на вторую сторону подложки вместо заземляемого основания также нанесены закороченные с одного конца полосковые проводники, причем проводники, образующие каждый из резонаторов фильтра, расположены на разных поверхностях подложки и закорочены противоположными концами. Фильтр такой конструкции имеет меньшую длину проводников по сравнению с первым аналогом, а значит и размеры.The closest analogous combination of essential features is a band-pass filter [RF Patent No. 2237320, IPC 7 Н01Р 1/203, publ. 09/27/2004, Bull. No. 27 (Prototype)]. The filter contains a dielectric substrate, on one side of which strip conductors shorted at one end are applied, and strip conductors, shorted at one end, are applied to the second side of the substrate, and the conductors forming each of the filter resonators are located on different surfaces of the substrate and are shorted opposite ends. A filter of this design has a shorter length of conductors compared to the first analogue, and hence the size.

Однако в случае узкополосных устройств, приходится значительно увеличивать расстояния между резонаторами, а тем самым и размеры фильтра, вследствие чего утрачивается вышеуказанное преимущество. Кроме того, в узкополосном фильтре такой конструкции полюса затухания находятся относительно далеко от полосы пропускания, поэтому крутизна склонов полосы пропускания устройства (селективность) сравнительно невелика.However, in the case of narrow-band devices, it is necessary to significantly increase the distance between the resonators, and thereby the size of the filter, as a result of which the above advantage is lost. In addition, in a narrow-band filter of this design, the attenuation poles are relatively far from the passband, so the slope of the slope of the passband of the device (selectivity) is relatively small.

Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритных размеров и улучшение частотно-селективных свойств фильтра.The technical result of the invention is to reduce the overall dimensions and improve the frequency-selective properties of the filter.

Указанный технический результат достигается тем, что в полосковом фильтре, содержащем подвешенную между экранами диэлектрическую подложку, на обе поверхности которой нанесены короткозамкнутые с одного конца полосковые проводники, новым является то, что проводники короткозамкнуты на экран смежными концами.The indicated technical result is achieved in that in a strip filter containing a dielectric substrate suspended between the screens, on both surfaces of which strip conductors are short-circuited at one end, are applied that the conductors are short-circuited on the screen with adjacent ends.

Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что проводники, образующие резонатор, короткозамкнуты на экран смежными концами, т.е. на одном краю подложки. Это отличие позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».The differences of the claimed device from the closest analogue are that the conductors forming the resonator are short-circuited to the screen with adjacent ends, i.e. on one edge of the substrate. This difference allows us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty." Signs that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions when studying this and related areas of technology and, therefore, provide the claimed solution with the criterion of "inventive step".

Изобретение поясняется чертежами: Фиг.1 и Фиг.2 - конструкция конкретной реализации предлагаемого полоскового фильтра на подвешенной диэлектрической подложке. Фиг.3 - зависимость коэффициента связи пары резонаторов от расстояния между их полосковыми проводниками в предлагаемом фильтре (сплошная линия) и фильтре-прототипе (штриховая линия). Фиг.4 - расчетные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) предлагаемого фильтра и ближайшего аналога, Фиг.5 - экспериментальные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) потерь на прохождение четырехзвенного полосно-пропускающего фильтра заявляемой конструкции, Фиг.6 - вариант выполнения фильтра без экрана для применения в гибридных интегральных схемах СВЧ.The invention is illustrated by drawings: Figure 1 and Figure 2 - design of a specific implementation of the proposed strip filter on a suspended dielectric substrate. Figure 3 - dependence of the coupling coefficient of a pair of resonators on the distance between their strip conductors in the proposed filter (solid line) and the filter prototype (dashed line). Figure 4 - calculated amplitude-frequency characteristics (AFC) of the proposed filter and the closest analogue, Figure 5 - experimental amplitude-frequency characteristics (AFC) of losses through a four-link bandpass filter of the claimed design, Figure 6 - embodiment of a filter without a screen for use in hybrid microwave integrated circuits.

Заявляемое устройство (Фиг.1) содержит диэлектрическую подложку 1, подвешенную между двумя экранами, на обе поверхности которой нанесены полосковые металлические проводники 2, соединенные с одного конца с экраном и электромагнитно связанные между собой. Пара полосковых проводников, располагающихся на разных поверхностях подложки, образует полосковый резонатор, причем проводники резонатора могут быть, например, прямоугольными идентичными по форме и располагаться строго друг над другом.The inventive device (Figure 1) contains a dielectric substrate 1 suspended between two screens, on both surfaces of which are applied strip metal conductors 2 connected at one end to the screen and electromagnetically coupled to each other. A pair of strip conductors located on different surfaces of the substrate forms a strip resonator, and the resonator conductors can be, for example, rectangular in shape and located strictly one above the other.

На Фиг.2 изображен разрез конструкции вдоль полосковых проводников, поясняющий способ крепления подложки. Здесь 1 - подложка, 2 - полосковые проводники, 3 - стенки корпуса с пазами для крепления подложки, 4 - пайка.Figure 2 shows a section of the structure along the strip conductors, explaining the method of mounting the substrate. Here 1 is the substrate, 2 are strip conductors, 3 are the walls of the case with grooves for attaching the substrate, 4 is soldering.

Как известно, относительная ширина полосы пропускания полосковых и микрополосковых фильтров пропорциональна коэффициентам связи образующих их резонаторов. Для любой отдельно взятой пары соседних резонаторов такой коэффициент связи k можно вычислить, зная либо коэффициенты индуктивного k_L и емкостного k_C взаимодействия резонаторов, либо собственные частоты их связанных колебаний - четных ω_e и нечетных ω₀:As you know, the relative bandwidth of the strip and microstrip filters is proportional to the coupling coefficients of the resonators forming them. For any single pair of neighboring resonators, such a coupling coefficient k can be calculated by knowing either the coefficients of the inductive k _L and capacitive k _C interaction of the resonators, or the natural frequencies of their coupled oscillations — even ω _e and odd ω ₀ :

.

В предлагаемой конструкции полоскового фильтра величина коэффициента связи резонаторов на резонансных частотах оказывается существенно меньше по сравнению с ближайшим аналогом, при прочих равных условиях. На Фиг.3 изображена зависимость коэффициента связи k пары резонаторов от расстояния S между их полосковыми проводниками в фильтре предлагаемой конструкции (сплошная линия) и в устройстве-прототипе (штриховая линия). Расчет сделан для следующих конструктивных параметров: диэлектрическая проницаемость подложки ε=80, толщина подложки 1 мм, расстояние от поверхности подложки до экрана 4 мм, ширина полосковых проводников 2 мм. Видно, что в фильтре заявляемой конструкции взаимодействие между резонаторами существенно меньше по сравнению с прототипом при одних и тех же расстояниях между проводниками. Следовательно, расстояние между резонаторами в узкополосном фильтре заявляемой конструкции будет в несколько раз меньшим по сравнению с фильтром-прототипом, а значит, меньшими будут и габариты. Малая величина взаимодействия между резонаторами заявляемого фильтра объясняется тем, что их коэффициенты емкостной и индуктивной связи имеют разные знаки, а также тем, что сами эти коэффициенты малы в силу вычитания индуктивных взаимодействий пар полосковых проводников, расположенных на одной и на разных поверхностях подложки, аналогично емкостным взаимодействиям.In the proposed design of the strip filter, the magnitude of the coupling coefficient of the resonators at the resonant frequencies is significantly less compared to the closest analogue, ceteris paribus. Figure 3 shows the dependence of the coupling coefficient k of a pair of resonators on the distance S between their strip conductors in the filter of the proposed design (solid line) and in the prototype device (dashed line). The calculation was made for the following design parameters: dielectric constant of the substrate ε = 80, thickness of the substrate 1 mm, distance from the surface of the substrate to the screen 4 mm, width of the strip conductors 2 mm. It is seen that in the filter of the claimed design, the interaction between the resonators is significantly less compared to the prototype at the same distances between the conductors. Therefore, the distance between the resonators in the narrow-band filter of the claimed design will be several times smaller compared to the prototype filter, and therefore, the dimensions will be smaller. The small amount of interaction between the resonators of the inventive filter is explained by the fact that their capacitive and inductive coupling coefficients have different signs, as well as the fact that these coefficients themselves are small due to the subtraction of inductive interactions of pairs of strip conductors located on one and on different surfaces of the substrate, similar to capacitive interactions.

На Фиг.4 приведены расчетные АЧХ четырехрезонаторного фильтра заявляемой конструкции (сплошная линия) и четырехрезонаторного фильтра-прототипа (штриховая линия). Оба фильтра имеют центральную частоту полосы пропускания f₀=500 МГц и относительную ширину полосы пропускания по уровню - 3 дБ Δf/f₀=2%.Figure 4 shows the calculated frequency response of a four-cavity filter of the claimed design (solid line) and a four-cavity filter prototype (dashed line). Both filters have a center frequency bandwidth f ₀ = 500 MHz and a relative bandwidth level of 3 dB Δf / f ₀ = 2%.

При этом были одинаковыми для обоих фильтров диэлектрическая проницаемость подложки ε=80, толщина подложки 1 мм, расстояние от поверхности подложки до экрана 4 мм и ширина полосковых проводников 2 мм. Расстояния между резонаторами в предлагаемом фильтре составили S₁=1.5 мм, S₂=2 мм, тогда как в прототипе эти размеры были S₁=7.5 мм, S₂=8.5 мм. Общая площадь подложки фильтра-прототипа составила 12.5×31.5 мм², а площадь подложки заявляемого фильтра 19.5×13 мм², что в полтора раза меньше. На фиг.4 также приведены в одном масштабе для сравнения габариты подложек заявляемого фильтра и ближайшего аналога.In this case, the dielectric constant of the substrate was ε = 80 for both filters, the thickness of the substrate was 1 mm, the distance from the surface of the substrate to the screen was 4 mm, and the width of the strip conductors was 2 mm. The distances between the resonators in the proposed filter were S ₁ = 1.5 mm, S ₂ = 2 mm, while in the prototype these sizes were S ₁ = 7.5 mm, S ₂ = 8.5 mm. The total substrate area of the prototype filter was 12.5 × 31.5 mm ² , and the substrate area of the inventive filter 19.5 × 13 mm ² , which is one and a half times less. Figure 4 is also shown in one scale for comparison, the dimensions of the substrates of the inventive filter and the closest analogue.

Важное достоинство предлагаемой конструкции - наличие на АЧХ двух полюсов затухания вблизи полосы пропускания, которые обеспечивают более высокую крутизну склонов по сравнению с обычными полосковыми и микрополосковыми фильтрами, при этом высокая симметрия частотного положения полюсов относительно центра полосы пропускания наблюдается практически при любых конструктивных параметрах устройства. Следует отметить, что данные полюса затухания присутствуют на АЧХ только при подключении внешних линий передачи к проводникам, находящимся на разных сторонах подложки (Фиг.1). Проведенные исследования показали, что при расстоянии между резонаторами большем, чем толщина подложки, и достаточно больших значениях е, емкостное взаимодействие резонаторов в исследуемой конструкции практически отсутствует. Это и объясняет высокую симметричность склонов АЧХ.An important advantage of the proposed design is the presence on the frequency response of two attenuation poles near the passband, which provide a higher slope steepness compared to conventional strip and microstrip filters, while high frequency symmetry of the poles relative to the center of the passband is observed for almost any design parameters of the device. It should be noted that these attenuation poles are present on the frequency response only when external transmission lines are connected to conductors located on different sides of the substrate (Figure 1). Studies have shown that with a distance between the resonators greater than the thickness of the substrate, and sufficiently large values of e, the capacitive interaction of the resonators in the studied design is practically absent. This explains the high symmetry of the slopes of the frequency response.

Фильтр работает следующим образом. Входная и выходная линии передачи подключаются к проводникам внешних резонаторов. Причем проводники, к которым подключаются входная и выходная линии передачи, расположены на разных поверхностях подложки. Расстояние от заземленных концов проводников до точек подключения внешних линий передачи определяется заданным уровнем отражений в полосе пропускания фильтра. Сигналы, частоты которых попадают в полосу пропускания, проходят на выход фильтра с минимальными потерями, в то время как на частотах вне полосы пропускания происходит отражение сигналов от входа устройства.The filter works as follows. The input and output transmission lines are connected to the conductors of external resonators. Moreover, the conductors to which the input and output transmission lines are connected are located on different surfaces of the substrate. The distance from the grounded ends of the conductors to the connection points of the external transmission lines is determined by the specified level of reflection in the filter passband. Signals whose frequencies fall into the passband pass to the filter output with minimal losses, while at frequencies outside the passband, signals from the input of the device are reflected.

На Фиг.5 представлены измеренные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) изготовленного четырехрезонаторного фильтра (сплошная линия). Топология проводников устройства предварительно была получена ручным параметрическим синтезом с использованием численного анализа трехмерной модели конструкции.Figure 5 presents the measured amplitude-frequency characteristics (AFC) of the manufactured four-cavity filter (solid line). The topology of the device’s conductors was previously obtained by manual parametric synthesis using numerical analysis of a three-dimensional structure model.

Фильтр был изготовлен на подложке с диэлектрической проницаемостью ε=80, толщиной 0.5 мм и высотой экрана от поверхности подложки 5.5 мм. Центральная частота полосы пропускания f₀≈2.2 ГГц при ее относительной ширине Δf/f₀≈8%. Площадь подложки фильтра всего 4.5×16.3 мм². Остальные конструктивные параметры были следующими: ширина проводников 3 мм, их длина 4 мм, расстояние между проводниками внешних резонаторов S₁=1 мм и внутренних S₂=1.25 мм.The filter was fabricated on a substrate with a permittivity ε = 80, a thickness of 0.5 mm, and a screen height of 5.5 mm from the surface of the substrate. The central frequency of the passband is f ₀ ≈ 2.2 GHz with its relative width Δf / f ₀ ≈ 8%. The filter substrate area is only 4.5 × 16.3 mm ² . The remaining design parameters were as follows: the width of the conductors is 3 mm, their length is 4 mm, the distance between the conductors of the external resonators S ₁ = 1 mm and internal S ₂ = 1.25 mm.

На фиг.5 приведена АЧХ фильтра без экранирующего корпуса (точки). Видно, что корпус оказывает незначительное влияние на положение и ширину полосы пропускания, однако без него затухание в полосах заграждения существенно больше. Слабое влияние экрана на АЧХ вблизи полосы пропускания говорит о более высокой концентрации электромагнитного поля внутри резонаторов фильтра, по сравнению с полосковыми резонаторами других конструкций. Это позволяет в некоторых случаях отказаться от экранирования фильтра и использовать его в качестве дискретного элемента гибридных интегральных схем СВЧ (Фиг.6). При этом сам фильтр 1 может устанавливаться вертикально относительно металлического основания схемы 2, что значительно уменьшает занимаемую им площадь.Figure 5 shows the frequency response of the filter without a shielding housing (dots). It can be seen that the casing has a negligible effect on the position and bandwidth of the passband, however, without it, the attenuation in the barrier bands is much greater. The weak effect of the screen on the frequency response near the passband indicates a higher concentration of the electromagnetic field inside the filter cavities, compared to strip resonators of other designs. This allows in some cases to abandon the screening of the filter and use it as a discrete element of hybrid microwave integrated circuits (Fig.6). In this case, the filter 1 itself can be installed vertically relative to the metal base of the circuit 2, which significantly reduces the area occupied by it.

Claims

A strip filter containing a dielectric substrate suspended between the screens, on both surfaces of which strip conductors shorted from one end are applied, characterized in that the conductors are shorted to the screen with adjacent ends.