RU2755294C1

RU2755294C1 - Two-spiral strip resonator

Info

Publication number: RU2755294C1
Application number: RU2020143641A
Authority: RU
Inventors: Борис Афанасьевич Беляев; Алексей Михайлович Сержантов; Ярослав Федорович Бальва; Александр Александрович Лексиков; Андрей Александрович Лексиков; Иван Валерьевич Подшивалов; Тимофей Юрьевич Шумилов
Priority date: 2020-12-28
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2021-09-14

Abstract

FIELD: ultrahigh frequencies technique.

SUBSTANCE: invention relates to the technique of ultrahigh frequencies and is intended to create devices for frequency selection of ultrahigh frequencies, driving the circuits of autogenerators. The stripline double-spiral resonator is formed by two multilayer spirals, which are closed to the screen at one end and open at the other. Strip conductors of flat turns of a spiral, located between thin dielectric layers, are interconnected by interlayer galvanic connections in the form of metallized holes. The multilayer double-helical strip structure is placed between two additional dielectric layers, the outer surfaces of which are metallized and act as screens.

EFFECT: invention reduces the size of the stripline resonator.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для создания устройств частотной селекции сигналов сверхвысоких частот, задающих цепей автогенераторов и др.The invention relates to microwave technology and is intended to create devices for frequency selection of microwave signals, driving circuits of oscillators, etc.

Известна конструкция полоскового спирального резонатора [Положенцев Е.А., Волков М.И., Рычков В.А., Зайцев А.Б. Полосковый спиральный резонатор А.С.№1394281 от 07.05.88, бюл. №17]. Полосковый спиральный резонатор содержит корпус, в котором размещена диэлектрическая подложка. На обеих сторонах подложки расположены один под другим спиральные проводники, разомкнутые на внутренних концах, закороченные на внешних концах. С целью уменьшения габаритов внутренние концы спиральных проводников расширены и выполнены в форме гребенки.The known design of a strip spiral resonator [EA Polozhentsev, MI Volkov, VA Rychkov, AB Zaitsev. Strip spiral resonator A.S. No. 1394281 dated 05/07/88, bull. No. 17]. The strip spiral resonator contains a housing in which a dielectric substrate is placed. On both sides of the substrate, helical conductors are located one under the other, open at the inner ends, short-circuited at the outer ends. In order to reduce the dimensions, the inner ends of the spiral conductors are widened and made in the form of a comb.

Также известна конструкция спирального полоскового резонатора и полосно-пропускающего фильтра на его основе [Gye-An Lee, М. A. Megahed and F. De Flaviis Low-cost compact spiral inductor resonator filters for system-in-a-package // IEEE Transactions on Advanced Packaging, Nov. 2005, vol. 28, no. 4, pp. 761-771]. Фильтр состоит из полосковых резонаторов, каждый из которых образован проводником, свернутым в форму плоской прямоугольной спирали. Спиральный проводник расположен между двумя диэлектрическими слоями, наружная поверхность, одного из которых металлизирована и является экраном, при этом внутренний конец полосковой спирали через диэлектрический слой замкнут на экран.Also known is the design of a spiral strip resonator and a band-pass filter based on it [Gye-An Lee, M. A. Megahed and F. De Flaviis Low-cost compact spiral inductor resonator filters for system-in-a-package // IEEE Transactions on Advanced Packaging, Nov. 2005, vol. 28, no. 4, pp. 761-771]. The filter consists of strip resonators, each of which is formed by a conductor coiled into a flat rectangular spiral. The spiral conductor is located between two dielectric layers, the outer surface, one of which is metallized and is a shield, while the inner end of the strip spiral is closed to the shield through the dielectric layer.

Недостатками как первого, так и второго аналога являются сравнительно большие размеры на частотах дециметрового и метрового диапазона длин волн, а также недостаточная разреженность спектра резонансных частот, что не позволяет реализовывать на основе таких резонаторов полосно-пропускающие фильтры с протяженной высокочастотной полосой заграждения.The disadvantages of both the first and the second analogs are the relatively large dimensions at the frequencies of the decimeter and meter wavelength ranges, as well as the insufficient sparseness of the resonant frequency spectrum, which does not allow the implementation of bandpass filters with an extended high-frequency stop band on the basis of such resonators.

Наиболее близким аналогом является двухпроводниковый полосковый резонатор и полосно-пропускающий фильтр на основе [Aleksandr A. Leksikov, Alexey М. Serzhantov, Ilya V. Govorun, Aleksey О. Afonin, Andrey V. Ugryumov, and Andrey A. Leksikov Miniaturized Suspended-Substrate Two-Conductors Resonator and a Filter on Its Base // Progress In Electromagnetics Research M, 2019, Vol. 84, pp. 127-135 (Прототип)]. Полосковый резонатор содержит подвешенную между экранами диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесен короткозамкнутый на экран с одного торца подложки П-образный полосковый проводник, а на вторую сторону подложки также нанесен короткозамкнутый на экран с другого торца подложки П-образный полосковый проводник. Такой резонатор при прочих равных условиях имеет значительно меньшие размеры и более разреженный спектр частот по сравнению с первым аналогом. Это позволяет реализовать миниатюрные полосно-пропускающие фильтры дециметрового диапазона длин волн с более протяженной, чем у первого аналога высокочастотной полосой заграждения.The closest analogue is a two-conductor strip resonator and a band-pass filter based on [Aleksandr A. Leksikov, Alexey M. Serzhantov, Ilya V. Govorun, Aleksey O. Afonin, Andrey V. Ugryumov, and Andrey A. Leksikov Miniaturized Suspended-Substrate Two -Conductors Resonator and a Filter on Its Base // Progress In Electromagnetics Research M, 2019, Vol. 84, pp. 127-135 (Prototype)]. The strip resonator contains a dielectric substrate suspended between the screens, on one side of which a U-shaped strip conductor short-circuited on the screen from one end of the substrate is applied, and on the second side of the substrate a U-shaped strip conductor short-circuited on the screen from the other end of the substrate is also applied. All other things being equal, such a resonator has a much smaller size and a more rarefied frequency spectrum in comparison with the first analogue. This allows the implementation of miniature band-pass filters of the decimeter range of wavelengths with a high-frequency rejection band that is longer than that of the first analogue.

Недостатком резонатора-прототипа являются сравнительно большие размеры на частотах метрового диапазона длин волн, в особенности на частотах ниже 100 МГц, что не позволяет создавать компактные полосно-пропускающие фильтры на его основе.The disadvantage of the prototype resonator is the relatively large size at frequencies of the meter wavelength range, especially at frequencies below 100 MHz, which does not allow the creation of compact band-pass filters based on it.

Техническим результатом изобретения является уменьшение размеров полоскового резонатора.The technical result of the invention is to reduce the size of the strip resonator.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом полосковом двухспиральном резонаторе, содержащем диэлектрическую подложку и пару полосковых проводников, расположенных на разных поверхностях подложки и закороченных с одного конца с противоположных сторон, новым является то, что подложка является многослойной, а на поверхностях слоев нанесены полосковые проводники плоских витков двух многослойных спиралей, связанные между собой межслойными гальваническими соединениями, в виде металлизированных отверстий.The specified technical result is achieved by the fact that in the inventive double-helical strip resonator containing a dielectric substrate and a pair of strip conductors located on different surfaces of the substrate and shorted from one end on opposite sides, the new is that the substrate is multilayer, and strip conductors of flat turns of two multilayer spirals, interconnected by interlayer galvanic connections, in the form of metallized holes.

Отличие заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключается в том, что полосковые резонаторы имеют форму многослойной спирали и выполнены с применением межслойных гальванических соединений.The difference between the proposed device and the closest analogue lies in the fact that the strip resonators have the shape of a multilayer spiral and are made using interlayer galvanic connections.

Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».Thus, the above-listed features distinguishing from the prototype make it possible to conclude that the proposed technical solution meets the "novelty" criterion. The features that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions and, therefore, ensure compliance with the "inventive step" criterion for the claimed solution.

Сущность изобретения поясняется рисунками:The essence of the invention is illustrated by drawings:

На фиг. 1 изображен полосковый двухспиральный резонатор заявляемой конструкции.FIG. 1 shows a double-coil strip resonator of the claimed design.

На фиг. 2 изображена конструкция полосно-пропускающего фильтра четвертого порядка на резонаторах заявляемой конструкции.FIG. 2 shows the design of a fourth-order bandpass filter based on resonators of the claimed design.

На фиг. 3 изображены рассчитанные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) коэффициента передачи S₂₁ и коэффициента отражения S₁₁ фильтра четвертого порядка на полосковых двухспиральных резонаторах.FIG. 3 shows the calculated amplitude-frequency characteristics (AFC) of the transmission coefficient S ₂₁ and the reflection coefficient S _{11 of the} fourth-order filter on the strip double-spiral resonators.

Конструкция заявляемого двухспирального резонатора показана на фиг. 1, а на фиг. 2 изображен вариант реализации полосно-пропускающего фильтра четвертого порядка на основе таких резонаторов. Резонатор образован двумя многослойными спиралями, которые с одного конца замкнуты на экран, а с другого разомкнуты. Полосковые проводники 1 плоских витков спирали, расположенные между тонкими диэлектрическими слоями 3 (фиг. 2), связаны между собой межслойными гальваническими соединениями 2, выполненными, в виде металлизированных отверстий. Многослойная полосковая двухспиральная структура размещается между двумя дополнительными диэлектрическими слоями 4, наружные поверхности которых металлизированы и играют роль экранов 5. Для обеспечения хорошего гальванического контакта проводников резонаторов с наружным экраном по периметру фильтра расположены проводящие полосковые шины 6.The design of the inventive double-coil resonator is shown in FIG. 1, and in FIG. 2 shows an embodiment of a fourth-order bandpass filter based on such resonators. The resonator is formed by two multilayer spirals, which are closed to the screen at one end and open at the other. Strip conductors 1 of flat turns of the spiral, located between thin dielectric layers 3 (Fig. 2), are interconnected by interlayer galvanic connections 2, made in the form of metallized holes. A multilayer double-helical strip structure is placed between two additional dielectric layers 4, the outer surfaces of which are metallized and play the role of screens 5. To ensure good galvanic contact of the resonator conductors with the outer screen, conductive strip buses 6 are located along the filter perimeter.

Заявляемый полосковый двухспиральный резонатор работает следующим образом. На нижайшей резонансной частоте конструкции, когда спиральные проводники в резонаторе имеют одинаковое распределение высокочастотных токов и напряжений по их длине, ток в резонаторе поровну делится на оба проводника. Благодаря взаимному расположению витков многослойных спиралей в рассматриваемой конструкции резонатора, на его нижайшей моде колебаний напряжения на его разомкнутых концах проводников противоположны по знаку, а токи имеют одинаковый знак во всех проводниках спиралей, то есть текут в одном направлении. Это приводит к существенному уменьшению его размеров при фиксированной частоте резонатора.The inventive double-helical strip resonator operates as follows. At the lowest resonant frequency of the structure, when the spiral conductors in the resonator have the same distribution of high-frequency currents and voltages along their length, the current in the resonator is equally divided into both conductors. Due to the mutual arrangement of the turns of multilayer spirals in the considered design of the resonator, at its lowest mode of oscillation, the voltages at its open ends of the conductors are opposite in sign, and the currents have the same sign in all conductors of the spirals, that is, they flow in the same direction. This leads to a significant decrease in its size at a fixed resonator frequency.

В полосно-пропускающем фильтре на основе заявляемого резонатора, входная и выходная линии передачи подключаются к проводникам наружных резонаторов (фиг. 2), например, через копланарный переход 7, причем расстояние от замкнутых на экран концов проводников до точек подключения внешних линий передачи определяется заданным минимальным 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.In a bandpass filter based on the inventive resonator, the input and output transmission lines are connected to the conductors of the external resonators (Fig. 2), for example, through a coplanar junction 7, and the distance from the ends of the conductors closed to the screen to the connection points of the external transmission lines is determined by the specified minimum the level of reflections in the passband of the filter. Signals that fall within the passband pass to the filter output with minimal loss, while out-of-band frequencies are reflected at the input of the device.

На фиг. 3 приведены рассчитанные частотные зависимости коэффициента передачи S₂₁ и отражения S₁₁ для полосно-пропускающего фильтра четвертого порядка, состоящего из четырех полосковых двухспиральных резонаторов заявляемой конструкции. Фильтр (фиг. 2) имеет следующие конструктивные параметры. Толщина внутренних диэлектрических слоев 3 составляет 0.102 мм, толщина наружных слоев 4 составляет 1.524 мм. Диэлектрические слои имеют параметры, соответствующие материалу RO4350B™ (относительная диэлектрическая проницаемость ε_r=3.66 и tg δ=0.003).FIG. 3 shows the calculated frequency dependences of the transmission coefficient S ₂₁ and reflection S ₁₁ for a fourth-order band-pass filter, consisting of four stripline double-spiral resonators of the claimed design. The filter (Fig. 2) has the following design parameters. The thickness of the inner dielectric layers 3 is 0.102 mm, the thickness of the outer layers 4 is 1.524 mm. Dielectric layers have parameters corresponding to RO4350B ™ material (relative permittivity ε _r = 3.66 and tan δ = 0.003).

Ширина полосковых проводников спиральных резонаторов составляет 1 мм, материал проводников - медь толщиной 18 мкм. Внутренний зазор между резонаторами составляет 0.65 мм, внешние зазоры 0.7 мм.The width of the strip conductors of the spiral resonators is 1 mm, the material of the conductors is copper with a thickness of 18 μm. The internal gap between the resonators is 0.65 mm, the external gaps are 0.7 mm.

Фильтр имеет центральную частоту полосы пропускания f₀=60 MHz при относительной ширине полосы пропускания по уровню -3 дБ Δf/f₀=18%. Минимальное вносимое затухание в полосе пропускания фильтра составляет 2.9 dB при максимальном уровне отражений -15 dB. Важным достоинством фильтра на основе резонаторов заявляемой конструкции является протяженная высокочастотная полоса заграждения, верхний край которой по уровню -30 дБ простирается до частоты 16f₀.The filter has a central frequency of the passband f ₀ = 60 MHz with a relative bandwidth at the level of -3 dB Δf / f ₀ = 18%. The minimum insertion loss in the filter passband is 2.9 dB with a maximum reflectivity of -15 dB. An important advantage of the filter based on resonators of the claimed design is an extended high-frequency stop band, the upper edge of which at a level of -30 dB extends to a frequency of 16f ₀ .

При указанных выше конструктивных параметрах фильтра габариты каждого из его резонаторов составляют 15.5 мм × 7.2 мм × 4.3 мм, т.е. наибольший размер резонатора в 320 раз меньше длины волны в вакууме на указанной резонансной частоте. Результаты расчета 3D-модели в программе электродинамического анализа показали, что при прочих равных условиях заявляемый полосковый двухспиральный резонатор занимает объем в 2 раза меньший по сравнению с резонатором-прототипом. Это позволяет конструировать на основе резонаторов заявляемой конструкции миниатюрные фильтры, что подтверждает заявляемый технический результат. Так габариты разработанного фильтра (фиг. 2) на двухспиральных резонаторах составляют всего 34 мм × 16.5 мм × 4.3 мм.With the above design parameters of the filter, the dimensions of each of its resonators are 15.5 mm × 7.2 mm × 4.3 mm, i.e. the largest resonator size is 320 times less than the wavelength in vacuum at the indicated resonant frequency. The results of calculating the 3D model in the electrodynamic analysis program showed that, all other things being equal, the claimed double-helical strip resonator occupies a volume 2 times less than that of the prototype resonator. This makes it possible to design miniature filters based on the resonators of the claimed design, which confirms the claimed technical result. Thus, the dimensions of the developed filter (Fig. 2) based on double-helical resonators are only 34 mm × 16.5 mm × 4.3 mm.

Предложенная миниатюрная конструкция полоскового двухспирального резонатора и полосно-пропускающего фильтра на его основе может быть достаточно просто реализована с применением хорошо отработанной технологии многослойных печатных плат, что позволяет обеспечить не только хорошие массогабаритные показатели, но и отличную повторяемость, что очень важно при массовом производстве.The proposed miniature design of a stripline double-spiral resonator and a band-pass filter based on it can be quite simply implemented using a well-developed technology of multilayer printed circuit boards, which makes it possible to provide not only good weight and dimensions, but also excellent repeatability, which is very important in mass production.

Claims

A double-helical strip resonator containing a dielectric substrate and a pair of strip conductors located on different surfaces of the substrate and shorted at one end from opposite sides, characterized in that the substrate is multilayer, and strip conductors of flat turns of two multilayer spirals connected to each other are applied on the surfaces of the layers interlayer galvanic connections in the form of plated holes.