RU2543933C1

RU2543933C1 - Microstrip broadband bandpass filter

Info

Publication number: RU2543933C1
Application number: RU2014115113/08A
Authority: RU
Inventors: Борис Афанасьевич Беляев; Ринат Гайсеевич Галеев; Сергей Александрович Ходенков
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2015-03-10

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: microstrip broadband bandpass filter comprises a dielectric substrate, one side of which is coated with a grounded base and the second side has strip conductors, one of the strip conductors being in the form of an irregular meander. Extended strip conductors which are grounded on the base on the side of the free ends of the meander are deposited in parallel along the longer sides of the filter, said strip conductors being electromagnetically coupled with both the meander and the outermost extended strip conductors different from the latter on length and width.

EFFECT: wider operating frequency band and improved selective properties.

2 dwg

Description

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано в селективных трактах приемных и передающих систем.The invention relates to techniques for microwave frequencies and can be used in the selective paths of receiving and transmitting systems.

Известен широкополосный полосно-пропускающий фильтр, содержащий диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую сторону нанесены полосковые проводники в виде шпилечных резонаторов, состоящие из отрезков регулярных микрополосковых линий различной ширины, электромагнитно связанных между собой (Патент РФ №2182738, Н01Р 1/203, Н01Р 1/205). Полосковые проводники выполнены в виде встречно направленных шпилечных резонаторов, а широкий отрезок полоскового проводника своим концом соединен с экраном. Полосно-пропускающий фильтр из двух резонаторов имеет четыре рабочих типа колебаний (по два в каждом резонаторе) и соответственно амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) четырехзвенного фильтра.Known broadband bandpass filter containing a dielectric substrate, on one side of which is applied a grounded base, and on the second side are strip conductors in the form of hairpin resonators, consisting of pieces of regular microstrip lines of different widths, electromagnetically interconnected (RF Patent No. 2182738, Н01Р 1/203, Н01Р 1/205). The strip conductors are made in the form of opposite directional hairpin resonators, and a wide segment of the strip conductor is connected at its end to the screen. A band-pass filter of two resonators has four working oscillation types (two in each resonator) and, accordingly, the amplitude-frequency characteristic (AFC) of a four-link filter.

Недостатком описанного широкополосного полосно-пропускающего фильтра является его недостаточно высокая селективность: отсутствие вблизи границ полосы пропускания полюсов затухания для усиления подавления мощности электромагнитных волн на этих частотах; слабое подавление мощности электромагнитных волн в низкочастотной и высокочастотной полосах заграждения, а также узкая высокочастотная полоса заграждения.The disadvantage of the described broadband bandpass filter is its selectivity is not high enough: the absence of attenuation poles near the boundaries of the passband to enhance the suppression of the power of electromagnetic waves at these frequencies; weak suppression of the power of electromagnetic waves in the low-frequency and high-frequency obstacle bands, as well as a narrow high-frequency obstacle band.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является микрополосковый полосно-пропускающий фильтр, содержащий диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую сторону нанесены соединенные в замкнутую прямоугольную рамку два полосковых проводника, имеющих разную ширину, и два полосковых проводника, имеющих ступенчатое изменение ширины. На этой же стороне подложки параллельно длинным сторонам прямоугольной рамки нанесены полосковые проводники, электромагнитно связанные с замкнутой прямоугольной рамкой. Многомодовый режим работы микрополоскового резонатора осуществляется за счет особой формы проводников, конструктивно представляющих собой замкнутую прямоугольную рамку (Патент РФ №2475900, Н01Р 1/00, Н03Н 9/46). Благодаря такому соединению полосковых проводников и их нерегулярностям можно сблизить частоты нижайших резонансов так, чтобы они сформировали первую полосу пропускания фильтра. Еще два резонанса, формирующих полосу пропускания, образуются на тех частотах, где суммарная электрическая длина (набег фазы) полосковых проводников рамки равна 360°.The closest set of essential features is a microstrip band-pass filter containing a dielectric substrate, on which one a grounded base is applied, and two strip conductors having different widths and two strip conductors having a step-like connected in a closed rectangular frame are applied change of width. On the same side of the substrate parallel to the long sides of the rectangular frame are strip conductors that are electromagnetically coupled to a closed rectangular frame. The multimode mode of operation of the microstrip resonator is due to the special shape of the conductors, which are structurally a closed rectangular frame (RF Patent No. 2475900, Н01Р 1/00, Н03Н 9/46). Due to this connection of the strip conductors and their irregularities, the frequencies of the lowest resonances can be brought together so that they form the first passband of the filter. Two more resonances forming the passband are formed at those frequencies where the total electrical length (phase advance) of the strip conductors of the frame is 360 °.

К недостаткам прототипа относятся узкая рабочая полоса пропускания и недостаточно высокая селективность вследствие слабого подавления мощности электромагнитных волн в низкочастотной и высокочастотной полосах заграждения.The disadvantages of the prototype include a narrow working bandwidth and a low selectivity due to weak suppression of the power of electromagnetic waves in the low-frequency and high-frequency barriers.

Задачей изобретения является расширение рабочей полосы пропускания и улучшение селективных свойств микрополоскового полосно-пропускающего фильтра.The objective of the invention is to expand the working bandwidth and improve the selective properties of the microstrip bandpass filter.

Указанная задача решается благодаря тому, что в микрополосковом широкополосном полосно-пропускающем фильтре, содержащем диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую - нанесены полосковые проводники, согласно техническому решению, один из полосковых проводников, обладающий осевой симметрией, выполнен в виде нерегулярного меандра, причем, вдоль его длинных сторон, параллельно нанесены заземляемые на основание с внешней стороны свободных концов меандра протяженные одиночные полосковые проводники, обладающие осевой симметрией, связанные электромагнитно как с нерегулярным меандром, так и с крайними, одиночными протяженными полосковыми проводниками, также обладающими осевой симметрией, отличающиеся от последних длиной и шириной.This problem is solved due to the fact that in a microstrip broadband bandpass filter containing a dielectric substrate, one grounded base is applied to one side and strip conductors are applied to the second, according to the technical solution, one of the strip conductors having axial symmetry is made in in the form of an irregular meander, and, along its long sides, extended single stripes of ground grounded on the base on the outside of the free ends of the meander ovodniki having axial symmetry, connected electromagnetically with irregular meander like, and with the extreme, extended single strip conductors, also having axial symmetry, differing from the latter in length and width.

Техническим результатом изобретения является расширение полосы рабочих частот и улучшение селективных свойств за счет заявляемого расположения полосковых проводников на диэлектрической подложке.The technical result of the invention is the expansion of the operating frequency band and the improvement of selective properties due to the claimed arrangement of strip conductors on a dielectric substrate.

Изобретение поясняется чертежами: Фиг.1 - устройство заявляемого микрополоскового широкополосного полосно-пропускающего фильтра, Фиг.2 - измеренные амплитудно-частотные характеристики (S₂₁, S₁₁) изготовленного фильтра.The invention is illustrated by drawings: Figure 1 - device of the inventive microstrip broadband bandpass filter, Figure 2 - measured amplitude-frequency characteristics (S ₂₁ , S ₁₁ ) of the manufactured filter.

Заявляемый микрополосковый широкополосный полосно-пропускающий фильтр (Фиг.1) содержит диэлектрическую подложку 1, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание 2, а на вторую нанесены обладающие осевой симметрией полосковые проводники: проводник, свернутый в виде нерегулярного меандра, состоящий из четырех отличных по длине и ширине протяженных (длина отрезков проводников в несколько раз превосходит их ширину) отрезков полосковых проводников 3, 4 и соединяющих их трех отличных по длине и ширине коротких отрезков полосковых проводников 5, 6, также параллельно длинной внешней стороне меандра нанесены заземляемые на основание 2 со стороны свободных концов меандра одиночные протяженные полосковые проводники 7, электромагнитно связанные как с нерегулярным меандром, так и с одиночными крайними (к которым подключается тракт СВЧ) протяженными полосковыми проводниками 8.The inventive microstrip broadband bandpass filter (FIG. 1) contains a dielectric substrate 1, on which a grounded base 2 is applied, and strip conductors having axial symmetry are applied to the second side: a conductor rolled in the form of an irregular meander, consisting of four different in length and the length of the extended (the length of the segments of the conductors is several times greater than their width) of the segments of the strip conductors 3, 4 and the three short segments of strip strips connecting them that are different in length and width odnikov 5, 6, also parallel to the long outer side of the meander are applied single extended strip conductors 7, grounded to the base 2 from the side of the free ends of the meander, electromagnetically connected with both the irregular meander and single extreme (to which the microwave path is connected) extended strip conductors 8 .

Принцип действия микрополоскового широкополосного полосно-пропускающего фильтра заключается в следующем. Нерегулярный меандр 3-6 представляет собой соединенные отрезки полосковых проводников различной длины и ширины и является резонатором, который имеет четыре моды колебаний, резонансные частоты которых близки и участвуют в формировании рабочей полосы пропускания. Полосу пропускания формируют также четвертьволновые резонансы одиночных полосковых проводников 7, заземленных на основание 2, и крайних полосковых проводников 8.The principle of operation of a microstrip broadband bandpass filter is as follows. The irregular meander 3-6 is a connected segment of strip conductors of various lengths and widths and is a resonator that has four modes of oscillation, the resonant frequencies of which are close and participate in the formation of the working passband. The passband is also formed by quarter-wave resonances of single strip conductors 7, grounded to the base 2, and extreme strip conductors 8.

В результате конструктивных особенностей используемых полосковых проводников существенно расширяется рабочая полоса пропускания фильтра, которая формируется всеми восемью резонансами (Фиг.2), а также увеличивается затухание электромагнитных волн на частотах низкочастотной и высокочастотной полос заграждения.As a result of the design features of the used strip conductors, the operating filter passband is significantly expanded, which is formed by all eight resonances (Figure 2), and the attenuation of electromagnetic waves at the frequencies of low-frequency and high-frequency barriers is also increased.

Существенному увеличению подавления мощности на частотах полос заграждения способствует смежное подключение тракта СВЧ к крайним полосковым проводникам, за счет чего возникает одновременно и емкостная, и индуктивная связь этих проводников с другими проводниками фильтра. В результате, как видно из рисунка Фиг.2, на АЧХ рядом с рабочей (первой) полосой пропускания наблюдаются по два полюса затухания СВЧ мощности как около низкочастотного, так и около высокочастотного склонов рабочей полосы пропускания. Происхождение полюсов затухания мощности связано с тем, что на этих частотах емкостная и индуктивная связи входных полосковых проводников с остальными полосковыми проводниками взаимно компенсируют друг друга.A significant increase in power suppression at the frequencies of the barrage bands is facilitated by the adjacent connection of the microwave path to the extreme strip conductors, due to which both capacitive and inductive coupling of these conductors with other filter conductors occurs. As a result, as can be seen from Figure 2, on the frequency response near the working (first) passband, two poles of attenuation of microwave power are observed both near the low-frequency and near the high-frequency slopes of the working passband. The origin of the power attenuation poles is due to the fact that at these frequencies the capacitive and inductive coupling of the input strip conductors with the remaining strip conductors mutually cancel each other.

Пример выполнения: фильтр был изготовлен на подложке из традиционного материала СВЧ техники (ФЛАН-2.8) толщиной 2 мм с диэлектрической проницаемостью ε=2.8. Конструктивные параметры фильтра были следующими: длина и ширина крайних полосковых проводников (8), смещенных от нижнего края подложки на 2.2 мм: 42.7×1.0 мм, соответственно. Длина и ширина одиночных протяженных узких проводников (7) - 37.2×0.7 мм, зазор до крайних проводников - 0.2 мм, до полосковых отрезков нерегулярного меандра (3) - 0.4 мм. Смещение этих отрезков (5) от нижнего края подложки - 4.0 мм, а их длина и ширина - 48,2 и 0.3 мм, соответственно. Длина и ширина широких коротких полосковых отрезков нерегулярного меандра (5 и 6) - 7.9×10.6 мм и 0.2×12,7 мм, соответственно, а узких протяженных полосковых отрезков (4) - 48.1×6.7 мм. Длина и ширина прорези между ними - 35.5×0.2 мм, соответственно. Отрезки проводников (8, 7, 3, 4) электромагнитно связаны друг с другом не по всей длине. Площадь подложки, на которой расположены все полосковые проводники, составила 54.1×38.6 мм².An example of implementation: the filter was made on a substrate of traditional microwave technology material (FLAN-2.8) with a thickness of 2 mm and a dielectric constant of ε = 2.8. The design parameters of the filter were as follows: the length and width of the extreme strip conductors (8), offset from the bottom edge of the substrate by 2.2 mm: 42.7 × 1.0 mm, respectively. The length and width of single extended narrow conductors (7) is 37.2 × 0.7 mm, the gap to the outermost conductors is 0.2 mm, to the strip segments of an irregular meander (3) is 0.4 mm. The displacement of these segments (5) from the lower edge of the substrate is 4.0 mm, and their length and width are 48.2 and 0.3 mm, respectively. The length and width of the wide short strip segments of the irregular meander (5 and 6) are 7.9 × 10.6 mm and 0.2 × 12.7 mm, respectively, and the narrow extended strip segments (4) are 48.1 × 6.7 mm. The length and width of the slot between them is 35.5 × 0.2 mm, respectively. The segments of the conductors (8, 7, 3, 4) are not electromagnetically connected to each other along the entire length. The substrate area on which all the strip conductors are located was 54.1 × 38.6 mm ² .

Амплитудно-частотные характеристики прямых и обратных потерь (потерь на прохождение S₂₁ и на отражение S₁₁) заявляемого фильтра, снятые в широкой полосе частот, показаны на Фиг.2. Фильтр имеет относительную ширину полосы пропускания Δf/f₀≈83.6%, измеренную по уровню -3 дБ от уровня минимальных потерь, которые составляли величину L_min≈0.8 дБ на центральной частоте полосы пропускания f₀≈1.34 ГГц. Преимуществами такого микрополоскового широкополосного полосно-пропускающего фильтра являются наблюдаемые на АЧХ, расположенные рядом с рабочей полосой пропускания четыре полюса затухания, которые повышают прямоугольность ее склонов и значительно увеличивают затухание СВЧ мощности в полосах заграждения, тем самым улучшая селективные свойства устройства.The amplitude-frequency characteristics of the forward and reverse losses (losses through the passage of S ₂₁ and the reflection of S ₁₁ ) of the proposed filter, shot in a wide frequency band, are shown in FIG. 2. The filter has a relative bandwidth Δf / f ₀ ≈83.6%, measured at a level of -3 dB from the level of minimum losses, which amounted to L _min ≈0.8 dB at the center frequency of the passband f ₀ ≈1.34 GHz. The advantages of such a microstrip broadband bandpass filter are the four attenuation poles located on the frequency response, located near the working passband, which increase the rectangularity of its slopes and significantly increase the attenuation of microwave power in the strips, thereby improving the selective properties of the device.

Таким образом, заявляемое устройство имеет более широкую рабочую полосу пропускания, а также за счет наличия вблизи полосы пропускания полюсов затухания, лучшие частотно-селективные свойства, проявляющиеся в более сильном подавлении мощности электромагнитных волн на частотах низкочастотной и высокочастотной полос заграждения.Thus, the claimed device has a wider working passband, as well as due to the presence of attenuation poles near the passband, better frequency-selective properties, which are manifested in stronger suppression of the power of electromagnetic waves at the frequencies of low-frequency and high-frequency obstacle bands.

Claims

A microstrip broadband bandpass filter containing a dielectric substrate, on one side of which a grounded base is applied, and on the second is strip conductors, characterized in that one of the strip conductors is made in the form of an irregular meander, and, along its long sides, grounded on the base from the side of the free ends of the meander, long strip conductors connected electromagnetically to both the meander and the extreme, long strip conductors Differing from the latter in length and width.