RU2623715C2

RU2623715C2 - Microstrip microwave diplexer

Info

Publication number: RU2623715C2
Application number: RU2015146782A
Authority: RU
Inventors: Александр Алексеевич Головков; Сергей Александрович Кершис
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Вектор"
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2017-06-28
Also published as: RU2015146782A

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: invention can be used in radio receiving and radio transmitting devices of the locating and communicating systems, including in the consumer equipment of satellite radio navigation systems Glonass, GPS for separating the signals of subbands L1, L2, L3, in the passive coherent location systems for separating TV and FM broadcasting signals. The microstrip diplexer has small dimensions while maintaining a low level of losses due to the preservation of a sufficient width of the half-wave resonator conductors. This is achieved due to the fact that in the claimed microstrip diplexer formed by combining two bandpass filters on the half-wave resonators, the extreme resonators of which are connected to the input port and the pair of output ports, the dielectric substrate contains not less than four layers, pairs of half-wave resonators of the first and the second filters, located on one layer of the substrate, are made intersecting at the midpoints that are connected to the lower and the upper shielding layers by means of metallized communication holes through the dielectric substrate layers, each pair of the intersecting half-wave resonators of the first and the second filters is located on a separate substrate layer, the connection between the half-wave resonators in each filter is performed by using the metallized communication holes through the substrate layer, on the sides of which they are located. The half-wave resonators of each filter in the adjacent layers are located orthogonally.

EFFECT: invention provides an opportunity to reduce the dimensions of the device while maintaining a low level of losses.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к СВЧ-устройствам, и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах систем связи, в том числе в аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем Glonass, GPS для разделения сигналов поддиапазонов L1, L2, L3, в пассивных когерентных локационных системах для разделения сигналов ТВ и ФМ вещания.The invention relates to the field of radio engineering, in particular to microwave devices, and can be used in radio receiving and transmitting devices of communication systems, including in the equipment of consumers of satellite radio navigation systems Glonass, GPS for separating signals of subbands L1, L2, L3, in passive coherent location systems for separating TV and FM broadcast signals.

Известно большое количество диплексоров для разделение сигналов на два поддиапазона. Эти устройства имеют один вход, например от общей антенны, и два выхода, на которых выделяются сигналы каждого из двух рабочих поддиапазонов. Эти диплексоры могут быть реализованы в разном исполнении. Близкими по исполнению к предлагаемому изобретению является ряд диплексоров. Первый из них выполнен на двух двухрезонаторных микрополосковых фильтрах на однослойной диэлектрической подложке. Такие устройства описаны в патентах США - US 6597258, опубликованном 22.07.2003, и US 6771222 В1, опубликованном 03.08.2004. В этих устройствах фильтры выполнены на двух отрезках связанных короткозамкнутых линий передачи, нагруженных планарными встречно-штыревыми конденсаторами. Подключение фильтров к общему входу осуществляется с помощью двух отрезков линий с 50-омным волновым сопротивлением, каждый из которых имеет электрическую длину λ/4 на частоте пропускания второго фильтра. Недостатками такого решения являются большие габариты платы диплексора, дополнительные потери за счет наличия короткозамыкателей типа VIA через слой диэлектрика в месте максимальных токов у резонирующих линий и встречно-штыревых конденсаторов. Подобное же решение с λ/4 линиями используется и в заявке Pub. N US 2003/0054775 А1 от 20.03.2003 и естественно, что заявляемый в ней диплексор будет иметь те же недостатки. В заявке Pub. N US 2012/0313727 А1 от 13.12.2012 предлагается балансный диплексор, реализованный на отрезках пяти связанных λ/4 линий передачи с соединением у двух портов пар линий с помощью воздушных мостиков по типу ответвителей Ланге или коротких микрополосковых проводников. Это устройство также имеет большие габариты и заметные потери за счет невозможности реализовать в широкой полосе частот 3-дБ связь. Ряд вариантов микрополосковых СВЧ диплексоров выполнены на однослойной печатной плате с реализацией двух полосовых фильтров на связанных полуволновых отрезках линий передачи, образующих фильтры на параллельно связанных резонаторах. Основополагающим из таких устройств является диплексор, описанный в патенте США US 4168479, опубликованном 18.09.1979. Поскольку в фильтрах на λ/2 линиях отсутствуют короткозамыкатели, то потери в таких диплексорах будут меньше. Однако габариты фильтров на параллельно связанных λ/2 линиях весьма велики, поэтому велики и габариты диплексора. В некоторых микрополосковых диплексорах используются полосовые фильтры с двухмодовыми резонаторами, как, например, в патенте РФ №2488200. Однако и в этом случае полосовые фильтры расположены на подложке рядом, что не позволяет уменьшить габариты диплексора, например, за счет использования технологий керамики с низкой температурой обжига (LTCC).A large number of diplexers are known for dividing signals into two subbands. These devices have one input, for example from a common antenna, and two outputs on which the signals of each of the two working subbands are allocated. These diplexers can be implemented in different designs. Close in execution to the present invention is a number of diplexers. The first of them is made on two two-cavity microstrip filters on a single-layer dielectric substrate. Such devices are described in US patents - US 6,597,258, published July 22, 2003, and US 6771222 B1, published on 03.08.2004. In these devices, filters are made on two segments of connected short-circuited transmission lines loaded with planar interdigital capacitors. The filters are connected to the common input using two line segments with a 50-ohm wave impedance, each of which has an electric length λ / 4 at the transmission frequency of the second filter. The disadvantages of this solution are the large dimensions of the diplexer board, additional losses due to the presence of short-circuits of the VIA type through the dielectric layer at the site of the maximum currents of the resonating lines and interdigital capacitors. A similar solution with λ / 4 lines is used in the Pub application. N US 2003/0054775 A1 of 03.20.2003 and it is natural that the diplexer claimed in it will have the same disadvantages. In the application Pub. N US 2012/0313727 A1 dated 12/13/2012 offers a balanced diplexer implemented on segments of five connected λ / 4 transmission lines with connection of pairs of lines at two ports using air bridges of the type of Lange couplers or short microstrip conductors. This device also has large dimensions and noticeable losses due to the inability to implement 3-dB communication in a wide frequency band. A number of options for microstrip microwave diplexers are made on a single-layer printed circuit board with the implementation of two bandpass filters on connected half-wave segments of transmission lines that form filters on parallel-coupled resonators. The fundamental of such devices is the diplexer described in US patent US 4168479, published 09/18/1979. Since there are no short circuits in the filters on the λ / 2 lines, the losses in such diplexers will be less. However, the dimensions of the filters on parallel connected λ / 2 lines are very large; therefore, the dimensions of the diplexer are also large. In some microstrip diplexers, bandpass filters with dual-mode resonators are used, as, for example, in RF patent No. 2488200. However, in this case, band-pass filters are located nearby on the substrate, which does not allow reducing the dimensions of the diplexer, for example, due to the use of ceramic technology with a low firing temperature (LTCC).

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому устройству является устройство, описанное в патенте РФ №2533691.The closest set of essential features to the claimed device is the device described in the patent of the Russian Federation No. 2533691.

Известный частотный диплексор содержит входной и два выходных порта, многослойную диэлектрическую подложку с верхним и нижним экранами, а также первый и второй полосно-пропускающие фильтры, выполненные на пересекающихся в средних точках полуволновых резонаторах первого и второго фильтров, причем разомкнутые концы соседних резонаторов каждого фильтра расположены на различных сторонах среднего слоя подложки, а отрезки согласующих линий, связывающих крайние резонаторы с входным и выходными портами, расположены на различных сторонах среднего слоя подложки с крайними резонаторами фильтра.The known frequency diplexer contains an input and two output ports, a multilayer dielectric substrate with upper and lower screens, as well as the first and second band-pass filters made on the half-wave resonators of the first and second filters intersecting at the midpoints, and the open ends of the adjacent resonators of each filter are located on different sides of the middle layer of the substrate, and the segments of the matching lines connecting the extreme resonators with the input and output ports are located on different sides of the a single substrate layer with extreme filter cavities.

Принцип работы устройства-прототипа можно пояснить следующим образом. Поступающий на входной порт радиосигнал, содержащий сигналы обоих диапазонов F1 и F2, через первый и второй отрезки согласующих линий поступает на входные резонаторы обоих фильтров. В первом полосно-пропускающем фильтре, состоящем из параллельно связанных электромагнитной связью полуволновых резонаторов, поочередно расположенных на различных сторонах среднего слоя подложки, будет выделяться сигнал частоты F1, который далее поступит в первый выходной порт, связанный с последним резонатором первого фильтра с помощью третьего согласующего отрезка линии. Во втором полосно-пропускающим фильтре, также состоящем из связанных полуволновых резонаторов, расположенных на различных сторонах среднего слоя подложки, будет выделяться сигнал частоты F2, который далее поступит во второй выходной порт, связанный с крайним резонатором второго фильтра с помощью четвертого согласующего отрезка. Таким образом в устройстве происходит частотное разделение сигналов. Проводники полуволновых резонаторов первого и второго фильтров, расположенные на одном слое подложки, попарно пересекаются в средних для каждого из резонаторов точках, в которых СВЧ напряжение на каждой из двух рабочих частот равно нулю и, следовательно, резонаторы первого и второго фильтров будут электрически развязаны друг с другом, что позволяет выполнять раздельно синтез и настройку каналов диплексора. Соединение средних точек полуволновых резонаторов с верхним и нижним экранами подложки улучшает развязку резонаторов и позволяет подавить паразитные полосы пропускания фильтров на параллельно связанных полуволновых резонаторах.The principle of operation of the prototype device can be explained as follows. The radio signal arriving at the input port containing the signals of both ranges F1 and F2, through the first and second segments of the matching lines is fed to the input resonators of both filters. In the first band-pass filter, consisting of half-wave resonators parallel-connected by electromagnetic coupling, alternately located on different sides of the middle layer of the substrate, a frequency signal F1 will be allocated, which will then go to the first output port connected to the last resonator of the first filter using the third matching segment lines. In the second bandpass filter, also consisting of coupled half-wave resonators located on different sides of the middle layer of the substrate, a frequency signal F2 will be allocated, which will then be fed to the second output port connected to the extreme resonator of the second filter using the fourth matching segment. Thus in the device there is a frequency separation of signals. The conductors of the half-wave resonators of the first and second filters located on the same layer of the substrate intersect in pairs at the midpoints for each of the resonators at which the microwave voltage at each of the two operating frequencies is zero and, therefore, the resonators of the first and second filters will be electrically isolated from each other another, which allows separate synthesis and tuning of the diplexer channels. The connection of the midpoints of the half-wave resonators with the upper and lower screens of the substrate improves the isolation of the resonators and allows you to suppress spurious filter passband on parallel coupled half-wave resonators.

Ключевым недостатком описанного устройства являются большие габариты диплексора, поскольку полуволновые резонаторы полосно-пропускающих фильтров связаны за счет электромагнитной связи в области разомкнутых концов линий соседних резонаторов, в результате чего отрезки полуволновых линий, образующих первый и второй полосовые фильтры, располагаются каскадно друг за другом и диплексер получается вытянутым в длину. Казалось бы, размеры платы можно было бы уменьшить за счет использования подложек с высокой диэлектрической проницаемостью (ε=40 и более), но при этом уменьшается ширина проводников λ/2 резонаторов и, как следствие, возрастают потери в них. При выполнении полуволновых резонаторов S-образной формы в основном сокращаются поперечные размеры платы диплексера, а его длина сокращается мало. Минимизация размеров за счет использования керамики с низкой температурой обжига (LTCC технологии) также невозможна, т.к. у такой керамики ε≈7-8.The key disadvantage of the described device is the large dimensions of the diplexer, since the half-wave resonators of the bandpass filters are connected due to electromagnetic coupling in the open ends of the lines of adjacent resonators, as a result of which the segments of the half-wave lines forming the first and second bandpass filters are cascaded one after another and the diplexer turns out to be elongated in length. It would seem that the board size could be reduced by using substrates with high dielectric constant (ε = 40 or more), but the width of the conductors λ / 2 of the resonators decreases and, as a result, the losses in them increase. When performing half-wave S-shaped resonators, the transverse dimensions of the diplexer board are mainly reduced, and its length is reduced shortly. The minimization of sizes due to the use of ceramics with a low firing temperature (LTCC technology) is also impossible, because such ceramics have ε≈7-8.

Технической задачей, решаемой в предлагаемом устройстве, является уменьшение габаритов при сохранении малого уровня потерь за счет сохранения достаточной ширины проводников λ/2 резонаторов.The technical problem solved in the proposed device is to reduce the dimensions while maintaining a low level of losses by maintaining a sufficient width of the conductors λ / 2 resonators.

Это достигается за счет того, что заявляемый диплексор, так же как и описанный выше прототип, содержит многослойную диэлектрическую подложку с нижним и верхним экранирующими металлическими слоями, входной и два выходных порта, а также два полосно-пропускающих фильтра, выполненных из расположенных на различных слоях подложки связанных полуволновых резонаторов, причем пары полуволновых резонаторов первого и второго фильтров, расположенные на одном слое подложки, выполнены пересекающимися в средних точках, которые соединены с нижним и верхним экранирующими слоями с помощью металлизированных отверстий связи через слои диэлектрической подложки, при этом крайние резонаторы первого из упомянутых фильтров с помощью отрезков согласующих линий электрически связаны с входным и первым выходным портом, а крайние резонаторы второго фильтра с помощью отрезков согласующих линий электрически связаны с входным и вторым выходным портом. Но в отличие от известного устройства, в заявляемом диплексоре диэлектрическая подложка содержит не менее четырех слоев, каждая пара пересекающихся полуволновых резонаторов первого и второго фильтров расположена на отдельном слое подложки, связь между полуволновыми резонаторами в каждом фильтре выполнена с помощью металлизированных отверстий связи через слой подложки, на сторонах которого они расположены, при этом полуволновые резонаторы каждого фильтра в соседних слоях расположены ортогонально.This is achieved due to the fact that the claimed diplexer, as well as the prototype described above, contains a multilayer dielectric substrate with lower and upper shielding metal layers, an input and two output ports, as well as two band-pass filters made of located on different layers substrates of coupled half-wave resonators, moreover, pairs of half-wave resonators of the first and second filters located on one layer of the substrate are made intersecting at midpoints that are connected to the lower and with the help of metallized communication holes through the layers of the dielectric substrate, the extreme resonators of the first of the mentioned filters are electrically connected to the input and the first output port by the segments of matching filters, and the extreme resonators of the second filter are electrically connected to the input and second output port. But unlike the known device, in the inventive diplexer, the dielectric substrate contains at least four layers, each pair of intersecting half-wave resonators of the first and second filters is located on a separate layer of the substrate, the connection between the half-wave resonators in each filter is made using metallized communication holes through the substrate layer, on the sides of which they are located, while the half-wave resonators of each filter in the adjacent layers are located orthogonally.

Технический результат - уменьшение габаритов диплексера достигается за счет того, что в заявляемом диплексоре, в отличие от известного устройства, резонаторы фильтров расположены друг над другом на различных слоях многослойной подложки и этим уменьшается площадь, занимаемая фильтрами, а значит, и габариты диплексора, при этом ширина проводников резонаторов может быть выбрана из условия минимума потерь в диплексоре.The technical result is a reduction in the dimensions of the diplexer is achieved due to the fact that in the inventive diplexer, in contrast to the known device, the filter cavities are located one above the other on different layers of the multilayer substrate and this reduces the area occupied by the filters, and hence the dimensions of the diplexer, while the width of the resonator conductors can be selected from the condition of minimum losses in the diplexer.

На фиг. 1 схематически показана топология проводников микрополоскового диплексора, расположенных на различных слоях многослойной подложки, на фиг. 2 схематически показан поперечный разрез диплексора при выполнении его с использованием слоистой керамики с низкой температурой обжига (LTCC технологии). Для упрощения понимания структуры диплексера на фиг. 1 заштрихованными линиями обозначены λ/2 (полуволновые) проводники первого и второго фильтров, расположенные на первом (нижнем) слое подложки и согласующие отрезки линий, соединенные с входным портом; залитыми черным линиями обозначены λ/2 проводники первого и второго фильтров, расположенные на втором слое подложки; не заштрихованными контурами обозначены λ/2 проводники первого и второго фильтров, расположенные на третьем слое подложки и согласующие отрезки линий с выходными портами; кружочками обозначены металлизированные отверстия связи, проходящие через один слой подложки и связывающие пары соседних резонаторов одного полосового фильтра, кружочками с крестиками обозначены металлизированные отверстия связи, проходящие через средние точки пересечения λ/2 проводников первого и второго фильтров, соединяющиеся с верхним и нижним экранами диэлектрической подложки. Для облегчения понимания на фиг. 2 различные слои керамики заштрихованы различной штриховкой.In FIG. 1 schematically shows the topology of conductors of a microstrip diplexer located on different layers of a multilayer substrate, FIG. Figure 2 schematically shows a cross-section of a diplexer when it is made using layered ceramics with a low firing temperature (LTCC technology). To simplify the understanding of the diplexer structure in FIG. 1 shaded lines indicate the λ / 2 (half-wave) conductors of the first and second filters located on the first (lower) layer of the substrate and matching line segments connected to the input port; the black lines indicate λ / 2 conductors of the first and second filters located on the second layer of the substrate; unshaded contours denote the λ / 2 conductors of the first and second filters located on the third layer of the substrate and matching line segments with output ports; circles indicate metallized communication holes passing through one layer of the substrate and connecting pairs of adjacent resonators of one band-pass filter, circles with crosses indicate metallized communication holes passing through the midpoints of the intersection λ / 2 of the conductors of the first and second filters, connected to the upper and lower screens of the dielectric substrate . To facilitate understanding in FIG. 2 different layers of ceramics are shaded with different hatching.

Заявляемое устройство содержит входной порт 1, соединенные со входным портом первый и второй отрезки согласующих микрополосковых линий передачи 2 и 3, которые расположены на первом (нижнем) слое подложки; первый полосно-пропускающий фильтр, настроенный на центральную частоту F1, состоящий из λ/2 микрополосковых резонаторов 4, 5, 6, при этом резонатор 4 расположен на первом слое подложки, резонатор 5 расположен ортогонально резонатору 4 на втором слое подложки, а λ/2 резонатор 6 расположен на третьем слое подложки ортогонально резонатору 5; второй полосно-пропускающий фильтр, настроенный на центральную частоту F2, состоящий из λ/2 микрополосковых резонаторов 7, 8, 9, при этом резонатор 7 расположен на первом слое подложки ортогонально резонатору 4 первого фильтра и пересекается с ним в средней точке, резонатор 8 расположен на втором слое подложки ортогонально резонатору первого фильтра 5 и пересекается с ним в средней точке, резонатор 9 расположен на третьем слое подложки ортогонально λ/2 резонатору первого фильтра 6 и тоже пересекается с ним в средней точке, третий согласующий отрезок микрополосковой линии 10, расположенный на третьем слое подложки, подключенный к крайнему резонатору первого фильтра 6 и соединенный с первым выходным портом 11; четвертый согласующий отрезок микрополосковой линии 12, также расположенный на третьем слое подложки, подключенный к крайнему резонатору второго фильтра 9 и соединенный со вторым выходным портом 13; металлизированное отверстие связи 14 через второй слой подложки, связывающее λ/2 резонатор первого фильтра 4 со вторым резонатором этого же фильтра 5; металлизированное отверстие связи 15 через второй слой подложки, связывающее первый резонатор второго фильтра 7 со вторым резонатором этого фильтра 8; металлизированное отверстие связи 16 через третий слой подложки, связывающее второй резонатор первого фильтра 5 с третьим резонатором этого фильтра 6; металлизированное отверстие связи 17 через третий слой подложки, связывающее второй резонатор второго фильтра 8 с третьим резонатором этого же фильтра 9; металлизированные отверстия связи точек пересечения λ/2 микрополосковых резонаторов первого и второго фильтров с верхним и нижним экранами 18.The inventive device includes an input port 1 connected to the input port of the first and second segments of the matching microstrip transmission lines 2 and 3, which are located on the first (lower) layer of the substrate; the first bandpass filter tuned to the center frequency F1, consisting of λ / 2 microstrip resonators 4, 5, 6, with the resonator 4 located on the first layer of the substrate, the resonator 5 located orthogonally to the resonator 4 on the second layer of the substrate, and λ / 2 the resonator 6 is located on the third layer of the substrate orthogonally to the resonator 5; a second bandpass filter tuned to the center frequency F2, consisting of λ / 2 microstrip resonators 7, 8, 9, with the resonator 7 located on the first layer of the substrate orthogonal to the resonator 4 of the first filter and intersects with it at a midpoint, the resonator 8 is located on the second layer of the substrate orthogonal to the resonator of the first filter 5 and intersects with it at the midpoint, the resonator 9 is located on the third layer of the substrate orthogonally to λ / 2 to the resonator of the first filter 6 and also intersects with it at the midpoint, the third matching neg straps microstrip line 10 disposed on the third layer of the substrate, connected to the extreme of the first resonator filter 6 and connected to the first output port 11; the fourth matching segment of the microstrip line 12, also located on the third substrate layer, connected to the extreme cavity of the second filter 9 and connected to the second output port 13; a metallized communication hole 14 through a second substrate layer connecting the λ / 2 resonator of the first filter 4 with the second resonator of the same filter 5; a metallized communication hole 15 through a second substrate layer connecting the first resonator of the second filter 7 with the second resonator of this filter 8; a metallized communication hole 16 through a third substrate layer connecting the second resonator of the first filter 5 with the third resonator of this filter 6; a metallized communication hole 17 through a third substrate layer connecting the second resonator of the second filter 8 with the third resonator of the same filter 9; metallized holes connecting the intersection points λ / 2 of the microstrip resonators of the first and second filters with the upper and lower screens 18.

На фиг. 2 линия сечения условно проходит через осевые линии отверстий 15 и 16 и показаны металлизированные отверстия связи резонаторов первого и второго фильтров, проходящие через второй слой подложки 14, 15 и через третий слой подложки 16 и 17, металлизированные отверстия, соединяющие средние точки пересечения резонаторов первого и второго фильтров с нижним и верхними экранами 18; первый (нижний) слой многослойной диэлектрической подложки 19, на верхней стороне которого расположены λ/2 микрополосковые резонаторы 4 и 7 первого и второго фильтров; второй слой многослойной диэлектрической подложки 20, на верхней стороне которого расположены λ/2 микрополосковые резонаторы 5 и 8 первого и второго фильтров; третий слой подложки 21, на верхней стороне которого расположены λ/2 микрополосковые резонаторы 6 и 9 первого и второго фильтров; нижний экранирующий металлический слой 23, верхний металлический экран 24, с которыми соединены первый и второй порты соответственно. При виде сбоку резонаторы и отверстия связи одного фильтра перекрывают резонаторы и отверстия связи другого, в связи с этим на фиг. 2 изображается двойная нумерация частей диплексора.In FIG. 2, the section line conditionally passes through the axial lines of the holes 15 and 16 and shows the metallized communication holes of the resonators of the first and second filters passing through the second layer of the substrate 14, 15 and through the third layer of the substrate 16 and 17, metallized holes connecting the midpoints of intersection of the resonators of the first and second filters with lower and upper screens 18; the first (lower) layer of the multilayer dielectric substrate 19, on the upper side of which there are λ / 2 microstrip resonators 4 and 7 of the first and second filters; a second layer of a multilayer dielectric substrate 20, on the upper side of which there are λ / 2 microstrip resonators 5 and 8 of the first and second filters; a third substrate layer 21, on the upper side of which are λ / 2 microstrip resonators 6 and 9 of the first and second filters; a lower shielding metal layer 23, an upper metal shield 24, to which the first and second ports are connected, respectively. When viewed from the side, the resonators and coupling holes of one filter overlap the resonators and coupling holes of the other, therefore, in FIG. 2 shows the double numbering of the parts of the diplexer.

Диплексор может быть выполнен и с любым другим числом резонаторов и соответственно слоев подложки, возможен и другой порядок расположения резонаторов на средних слоях подложки, резонаторы могут быть выполнены не только прямыми, но и изогнутой, например S-образной, формы, обеспечивающей пересечение микрополосковых λ/2 проводников взаимно ортогонально. Возможна и другая конфигурация согласующих линий для связи с портами, например здесь могут использоваться связанные линии. Диплексор может быть выполнен не только по технологии керамики с низкой температурой обжига, но и с использованием многослойной микрополосковой линии с двумя экранами. Если вторая пара крайних резонаторов фильтров 6 и 9 будет соединена с одним выходным портом подобно резонаторам 4 и 7, то получится двухполосовой фильтр с центральными частотами полос пропускания F1 и F2. Эти варианты выполнения будут ясны специалисту после прочтения описания.The diplexer can be made with any other number of resonators and, accordingly, the substrate layers, another arrangement of the resonators on the middle layers of the substrate is possible, the resonators can be made not only straight, but also curved, for example, S-shaped, ensuring the intersection of microstrip λ / The 2 conductors are mutually orthogonal. Another configuration of matching lines is possible for communication with ports, for example, connected lines can be used here. The diplexer can be made not only using ceramic technology with a low firing temperature, but also using a multi-layer microstrip line with two screens. If the second pair of extreme resonators of filters 6 and 9 is connected to one output port like resonators 4 and 7, then we get a two-band filter with center frequencies of the passbands F1 and F2. These options will be clear to the expert after reading the description.

Двухчастотный диплексор содержит три порта, входной 1, на который поступают сигналы обоих поддиапазонов F1 и F2, и два выходных, из которых в первом выходном порту 11 выделяется сигнал частоты F1, а во втором, соответственно, сигнал частоты F2. Первый и второй полосно-пропускающие фильтры, входящие в состав диплексора, состоят из связанных с помощью металлизированных отверстий полуволновых резонаторов, настроенных на центральную частоту F1 для первого фильтра 4, 5, 6 и резонаторов второго фильтра 7, 8, 9, настроенных частоту F2, и имеют передаточные характеристики с высокой избирательностью. Так на фиг. 1 каждый фильтр состоит из трех резонаторов, первый из которых расположен на первом слое диэлектрической подложки, второй на втором слое подложки, а третий - на третьем. Крайние резонаторы первого и второго фильтров электрически связаны со входным портом 1 с помощью первого и второго согласующих отрезков линий передачи 2 и 3 соответственно. Электрическая связь между ними обеспечивается за счет отрезков линий передачи 2 и 3, подключенных к крайним резонаторам фильтров 4 и 7 соответственно. Таким образом входной сигнал, содержащий сигналы обоих диапазонов, поступает на входные резонаторы обоих фильтров. В первом полосно-пропускающем фильтре, состоящем из полуволновых резонаторов 4, 5, 6, будет выделяться сигнал частоты F1, который далее поступит в первый выходной порт 11, связанный с крайним резонатором первого фильтра 6, с помощью третьего согласующего отрезка линии 10, расположенного на третьем слое подложки 21. Во втором полосно-пропускающим фильтре, состоящем из полуволновых резонаторов 7, 8, 9, будет выделяться сигнал частоты F2, который далее поступит во второй выходной порт 13, связанный с крайним резонатором второго фильтра 9, помощью четвертого согласующего отрезка 12, причем резонатор 9 и отрезок согласующей линии 12 также расположены на третьем слое подложки 21.The two-frequency diplexer contains three ports, input 1, to which the signals of both subbands F1 and F2 are received, and two output, from which the frequency signal F1 is allocated in the first output port 11, and the frequency signal F2, respectively. The first and second bandpass filters included in the diplexer consist of half-wave resonators connected by means of metallized holes tuned to the center frequency F1 for the first filter 4, 5, 6 and resonators of the second filter 7, 8, 9 tuned to the frequency F2, and have transfer characteristics with high selectivity. So in FIG. 1, each filter consists of three resonators, the first of which is located on the first layer of the dielectric substrate, the second on the second layer of the substrate, and the third on the third. The extreme resonators of the first and second filters are electrically connected to the input port 1 using the first and second matching segments of the transmission lines 2 and 3, respectively. The electrical connection between them is ensured by segments of transmission lines 2 and 3 connected to the extreme resonators of filters 4 and 7, respectively. Thus, an input signal containing signals of both ranges is fed to the input resonators of both filters. In the first band-pass filter, consisting of half-wave resonators 4, 5, 6, a frequency signal F1 will be allocated, which will then go to the first output port 11, connected to the extreme cavity of the first filter 6, using the third matching line segment 10 located on the third layer of the substrate 21. In the second band-pass filter, consisting of half-wave resonators 7, 8, 9, a frequency signal F2 will be allocated, which will then go to the second output port 13, connected to the extreme resonator of the second filter 9, using a quarter the second matching segment 12, and the resonator 9 and the segment of the matching line 12 are also located on the third layer of the substrate 21.

Таким образом радиосигнал, поступающий на входной порт 1, возбуждает сразу оба резонатора 4 и 7 и по пути электрической связи проходит через все остальные резонаторы первого и второго фильтров, электрически связанные с помощью металлизированных отверстий связи 14 и 16 для первого фильтра и 15 и 17 для второго фильтра, при этом сигнал частоты F1, пройдя первый полосно-пропускающий фильтр, поступает на первый выходной порт 11, а сигнал частоты F2, пройдя второй полосно-пропускающий фильтр, поступает на второй выходной порт 13. т.е. происходит частотное разделение сигналов. Длины и ширины первого и второго согласующих отрезков линий передачи 2 и 3 выбираются из условий, чтобы на частоте F1 входное сопротивление отрезка линии 2 совместно с резонаторами второго полосно-пропускающего фильтра 7, 8, 9 было близким к бесконечному, а входное сопротивление отрезка линии передачи 3 в месте подключения к входному порту 1 совместно с резонаторами первого полосно-пропускающего фильтра 4, 5, 6 было близким к бесконечному на частоте F2, тем самым обеспечивается частотная развязка выходных портов.Thus, the radio signal arriving at input port 1 excites both resonators 4 and 7 at once and passes along all other resonators of the first and second filters along the electrical connection path, electrically connected using metallized communication holes 14 and 16 for the first filter and 15 and 17 for the second filter, while the frequency signal F1, having passed the first band-pass filter, goes to the first output port 11, and the frequency signal F2, after passing the second band-pass filter, goes to the second output port 13. i.e. there is a frequency separation of the signals. The lengths and widths of the first and second matching segments of the transmission lines 2 and 3 are selected so that at the frequency F1 the input impedance of the segment of line 2 together with the resonators of the second pass-pass filter 7, 8, 9 is close to infinite, and the input resistance of the segment of the transmission line 3 at the point of connection to the input port 1 together with the resonators of the first pass-pass filter 4, 5, 6 was close to infinite at the frequency F2, thereby providing frequency isolation of the output ports.

Проводники λ/2 микрополосковых резонаторов первого и второго фильтров 4 и 7, 5 и 8, 6 и 9 попарно пересекаются в центральных точках для каждого из резонаторов, в которых СВЧ напряжение на каждой из двух рабочих частот равно нулю и, следовательно, резонаторы первого и второго фильтров будут электрически развязаны друг с другом. Для улучшения электрической развязки пар резонаторов необходимо, чтобы их пересечение происходило под прямым углом (взаимно ортогонально), а электрические неоднородности по длине резонаторов были минимальными. Кроме того, для улучшения развязки и подавления паразитных полос пропускания у полосно-пропускающих фильтров, выполненных на связанных λ/2 резонаторах точки пересечения λ/2 резонаторов первого и второго фильтров, в которых СВЧ напряжение для обеих частот равно нулю, соединены с экранами с помощью металлизированных отверстий связи 18, проходящих через слои диэлектрической подложки 19, 20, 21, 22. Взаимно ортогональное пересечение λ/2 резонаторов первого фильтра 4, 5 и 6, расположенных на различных слоях подложки, уменьшает их электромагнитную связь до минимума, так что основная связь между резонаторами достигается за счет металлизированных отверстий 14 и 16, проходящих только через слои подложки, на сторонах которых эти резонаторы расположены. Аналогично первому фильтру взаимно ортогональное пересечение λ/2 резонаторов второго фильтра 7, 8 и 9, расположенных на различных слоях подложки, уменьшает их электромагнитную связь до минимума, так что основная связь между резонаторами достигается за счет металлизированных отверстий 15 и 17, проходящих только через слои подложки, на сторонах которых эти резонаторы расположены.The conductors λ / 2 of the microstrip resonators of the first and second filters 4 and 7, 5 and 8, 6 and 9 intersect in pairs at the central points for each of the resonators, in which the microwave voltage at each of the two operating frequencies is zero and, therefore, the resonators of the first and The second filters will be electrically isolated from each other. To improve the electrical isolation of the pairs of resonators, it is necessary that their intersection occurs at a right angle (mutually orthogonal), and the electrical inhomogeneities along the length of the resonators are minimal. In addition, to improve the isolation and suppression of spurious pass-bands for band-pass filters made on the connected λ / 2 resonators of the intersection point of the λ / 2 resonators of the first and second filters, in which the microwave voltage for both frequencies is zero, connected to the screens using metallized communication holes 18 passing through the layers of the dielectric substrate 19, 20, 21, 22. Mutually orthogonal intersection λ / 2 of the resonators of the first filter 4, 5 and 6, located on different layers of the substrate, reduces their electromagnetic coupling b to a minimum, so that the main connection between the resonators is achieved through metallized holes 14 and 16, passing only through the layers of the substrate, on the sides of which these resonators are located. Similarly to the first filter, the mutually orthogonal intersection λ / 2 of the resonators of the second filter 7, 8 and 9, located on different layers of the substrate, reduces their electromagnetic coupling to a minimum, so that the main coupling between the resonators is achieved through metallized holes 15 and 17 passing only through the layers substrates on the sides of which these resonators are located.

Выполнение λ/2 резонаторов первого и второго фильтров на различных слоях подложки, пересечение их в средней точке, где СВЧ напряжение для обеих частот равно нулю, и связь резонаторов в каждом фильтре с помощью металлизированных отверстий, проходящих через соответствующие слои подложки, позволило расположить резонаторы фильтров друг над другом и вплотную друг к другу и тем самым уменьшить габариты диплексора. Пересечения проводников резонаторов каждого из фильтров, расположенных на различных слоях подложки, взаимно ортогонально позволило уменьшить дополнительные связи между резонаторами, выполнив основную связь между резонаторами только за счет металлизированных отверстий через второй и третий слои подложки, что дополнительно развязывает резонаторы фильтров и упрощает их настройку. Соединение с экранами точек пересечения λ/2 резонаторов первого и второго фильтров в точках нулевого потенциала позволило подавить паразитные полосы пропускания у полосно-пропускающих фильтров, выполненных на параллельно связанных λ/2 резонаторах, т.к. теперь резонаторы могут возбуждаться лишь на частотах, на которых их длина кратна нечетному числу полуволн. Уменьшение габаритов диплексора позволяет выполнять с использованием технологии керамики с низкой температурой обжига (LTCC) с ориентацией на поверхностный монтаж (SMD технологии), являющимися в настоящее время одними из самых передовых.The implementation of the λ / 2 resonators of the first and second filters on different layers of the substrate, their intersection at the midpoint where the microwave voltage for both frequencies is zero, and the coupling of the resonators in each filter using metallized holes passing through the corresponding layers of the substrate, allowed us to arrange the filter resonators one above the other and close to each other and thereby reduce the dimensions of the diplexer. The intersection of the resonator conductors of each of the filters located on different layers of the substrate, mutually orthogonally made it possible to reduce additional bonds between the resonators, making the main connection between the resonators only due to metallized holes through the second and third layers of the substrate, which additionally decouples the filter resonators and simplifies their adjustment. The connection with the screens of the intersection points of the λ / 2 resonators of the first and second filters at the points of zero potential made it possible to suppress spurious passband of the band-pass filters made on parallel connected λ / 2 resonators, because now resonators can be excited only at frequencies at which their length is a multiple of an odd number of half-waves. Reducing the dimensions of the diplexer allows you to perform using technology of ceramics with a low firing temperature (LTCC) with a focus on surface mounting (SMD technology), which are currently among the most advanced.

Claims

A microstrip microwave diplexer containing a multilayer dielectric substrate with lower and upper shielding metal layers, an input and two output ports, as well as two band-pass filters made of coupled half-wave resonators located on different layers of the substrate, and pairs of half-wave resonators of the first and second filters, located on one layer of the substrate, made intersecting at midpoints, which are connected to the lower and upper shielding layers using metallized from communication holes through the layers of the dielectric substrate, while the extreme resonators of the first of the mentioned filters are electrically connected to the input and the first output port by means of segments of matching lines, and the extreme resonators of the second filter are electrically connected to the input and second output ports by the segments of matching lines, characterized in that each pair of intersecting half-wave resonators of the first and second filters is located on a separate layer of the substrate, the connection between the half-wave resonators in each filter is satisfied It is not possible by means of metallized communication holes through the substrate layer, on the sides of which they are located, while the half-wave resonators of each filter in the adjacent layers are located orthogonally.