RU2763482C1

RU2763482C1 - Strip band-pass filter

Info

Publication number: RU2763482C1
Application number: RU2020141649A
Authority: RU
Inventors: Борис Афанасьевич Беляев; Алексей Михайлович Сержантов; Сергей Александрович Ходенков
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2021-12-29

Abstract

FIELD: ultra-high frequency equipment.

SUBSTANCE: invention relates to ultra-high frequency equipment, and it is intended for frequency selection of signals. A strip band-pass filter with high selectivity contains dielectric substrate suspended in a metal case-shield, on both surfaces of which strip metal conductors connected to the shield and electromagnetically interconnected are applied. A pair of strip conductors located on different surfaces of substrate forms a strip resonator. One of resonators, for example, the middle one, unlike the others is U-shaped, and between adjacent resonators, there are additional strip conductors that create a cross capacitive coupling, as well as an additional strip conductor that creates a cross inductive coupling.

EFFECT: increase in the selectivity by symmetrically positioning attenuation poles relatively to the center of the filter bandwidth.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для частотной селекции сигналов.The invention relates to microwave technology and is intended for frequency selection of signals.

Известна конструкция полосно-пропускающего фильтра [Патент РФ №2237320, МПК7 Н01Р 1/203, опубл. 27.09.2004, Бюл. №27]. Фильтр содержит подвешенную диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесены короткозамкнутые на экран с одного торца подложки полосковые проводники, а на вторую сторону подложки вместо заземляемого основания также нанесены короткозамкнутые на экран с другого торца подложки полосковые проводники. Фильтр такой конструкции имеет значительно меньшую длину полосковых проводников по сравнению с микрополосковыми, а значит, и меньшие размеры подложки. Это позволяет конструировать полосковые фильтры на более низкие частоты. Кроме того, добротность резонаторов здесь существенно больше, чем у микрополосковых резонаторов.A known design of the bandpass filter [RF Patent No. 2237320, MPK7 H01R 1/203, publ. 27.09.2004, Bull. No. 27]. The filter contains a suspended dielectric substrate, on one side of which strip conductors short-circuited to the screen from one end of the substrate are applied, and on the second side of the substrate, instead of a grounded base, strip conductors short-circuited to the screen from the other end of the substrate are also applied. A filter of this design has a significantly shorter length of strip conductors compared to microstrip ones, and, hence, smaller substrate sizes. This makes it possible to design bandpass filters for lower frequencies. In addition, the quality factor of the resonators here is much higher than that of microstrip resonators.

Недостатком конструкции является тот факт, что на его амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) полюса затухания либо отсутствуют, либо находятся относительно далеко от полосы пропускания, поэтому крутизна склонов полосы пропускания устройства (селективность) сравнительно невелика.The disadvantage of the design is the fact that attenuation poles are either absent in its frequency response (AFC) or are relatively far from the passband, so the slope of the passband slope of the device (selectivity) is relatively small.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является конструкция микрополоскового полосно-пропускающего фильтра [Патент CN №105470606 А, Н01Р 1/203, опубл. 06.04.2016 (Прототип)]. Микрополосковый полосно-пропускающий фильтр содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесены полосковые проводники резонаторов, а вторая сторона металлизирована и является заземляемым основанием. Между полосковыми проводниками резонаторов размещены дополнительные полосковые проводники. Фильтр обладает лучшей селективностью по сравнению с первым аналогом за счет расположенных вблизи полосы пропускания с обеих ее сторон полюсов затухания.The closest analogue in terms of essential features is the design of a microstrip bandpass filter [Patent CN No. 105470606 A, H01R 1/203, publ. 04/06/2016 (Prototype)]. The microstrip band pass filter contains a dielectric substrate, on one side of which the strip conductors of the resonators are deposited, and the second side is metallized and is a grounded base. Additional strip conductors are placed between the strip conductors of the resonators. The filter has better selectivity compared to the first analogue due to the attenuation poles located near the passband on both sides of it.

Недостатками как первого, так и второго аналога являются, во-первых, большой уровень вносимых потерь в полосе пропускания, во-вторых, практическая сложность реализации симметричного расположения полюсов затухания относительно центра полосы пропускания, и в-третьих, на основе таких конструкций практически невозможно реализовать широкополосные фильтры (с относительной шириной полосы пропускания более 50%).The disadvantages of both the first and second analogs are, firstly, a high level of insertion loss in the passband, secondly, the practical difficulty of implementing a symmetrical arrangement of the attenuation poles relative to the center of the passband, and thirdly, it is practically impossible to implement broadband filters (with a relative bandwidth of more than 50%).

Техническим результатом изобретения является повышение селективности путем симметричного расположения полюсов затухания относительно центра полосы пропускания фильтра.The technical result of the invention is to increase the selectivity by symmetrical arrangement of the attenuation poles relative to the center of the filter passband.

Указанный технический результат достигается тем, что в полосковом полосно-пропускающем фильтре, содержащем диэлектрическую подложку, на которую нанесены полосковые проводники резонаторов, один из которых имеет П-образные полосковые проводники, а между двумя соседними к нему резонаторами расположены дополнительные полосковые проводники, новым является то, что фильтр выполнен с возможностью регулирования величины емкостного и индуктивного взаимодействия резонаторов, изменения частоты нулей коэффициента передачи, при этом нули расположены симметрично относительно центра полосы пропускания фильтра.This technical result is achieved by the fact that in a strip band pass filter containing a dielectric substrate on which strip conductors of resonators are deposited, one of which has U-shaped strip conductors, and additional strip conductors are located between two resonators adjacent to it, the new feature is that the filter is configured to control the magnitude of the capacitive and inductive interaction of the resonators, change the frequency of zeros of the transmission coefficient, while the zeros are located symmetrically relative to the center of the filter bandwidth.

Отличие заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключается в том, в фильтр выполнен с возможностью регулирования величины дополнительной емкостной и дополнительной индуктивной связи, что позволяет изменять частоты нулей коэффициента передачи на АЧХ и обеспечивать симметричное их расположение относительно центра полосы пропускания фильтра.The difference between the proposed device and the closest analogue lies in the fact that the filter is configured to control the value of additional capacitive and additional inductive coupling, which allows you to change the frequency of zeros of the gain on the frequency response and ensure their symmetrical arrangement relative to the center of the filter bandwidth.

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 distinguishing features from the prototype allow us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty". The features that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions and, therefore, ensure that the claimed solution meets the criterion of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется с помощью следующих графических материалов. На Фиг. 1 представлена конструкция заявляемого полоскового фильтра пятого порядка. На Фиг. 2 изображена рассчитанная амплитудно-частотная характеристика заявляемого фильтра.The essence of the invention is explained using the following graphics. On FIG. 1 shows the design of the inventive fifth-order band pass filter. On FIG. 2 shows the calculated frequency response of the inventive filter.

Заявляемое устройство (Фиг. 1) содержит подвешенную между экранами 1 диэлектрическую подложку 2, на обе поверхности которой нанесены полосковые металлические проводники 3-8, которые соединены (заземлены) с экранами, за исключением проводника 6, и электромагнитно связанные между собой. Экраны представляют собой противоположные внутренние стороны металлического корпуса. Пара полосковых проводников, располагающихся на разных поверхностях подложки, образует полосковый резонатор, при этом проводники резонатора могут быть, например, прямоугольными идентичными по форме и располагаться строго друг над другом 3, причем проводники, образующие резонатор, соединяются с корпусом на противоположных сторонах подложки. Один из резонаторов, например, средний в отличие от остальных имеет П-образную форму проводников 8, а между соседствующими к нему резонаторами расположены дополнительные полосковые проводники 4 и 6, создающие перекрестную емкостную связь, а также дополнительный полосковый проводник 7, создающий перекрестную индуктивную связь.The inventive device (Fig. 1) contains a dielectric substrate 2 suspended between the screens 1, on both surfaces of which strip metal conductors 3-8 are applied, which are connected (grounded) to the screens, with the exception of the conductor 6, and electromagnetically connected to each other. The screens are opposite inner sides of the metal case. A pair of strip conductors located on different surfaces of the substrate forms a strip resonator, while the resonator conductors can be, for example, rectangular, identical in shape and located strictly one above the other 3, and the conductors forming the resonator are connected to the housing on opposite sides of the substrate. One of the resonators, for example, the middle one, unlike the others, has a U-shaped conductor 8, and between adjacent resonators there are additional strip conductors 4 and 6, which create a cross capacitive coupling, as well as an additional strip conductor 7, which creates a cross inductive coupling.

Фильтр работает следующим образом. Входная и выходная линии передачи подключаются к проводникам 3 резонаторов как показано на Фиг. 1. Расстояние от заземленных концов полосковых проводников резонаторов 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. За счет введения дополнительных проводников 4, 6 и 7 создаются параллельные каналы прохождения электромагнитной волны. В результате интерференции сигнала, распространяющегося через связанные резонаторы (т.е. по основному каналу), и сигнала, распространяющегося через дополнительные каналы, на определенных частотах возникает их противофазное сложение, приводящее к образованию нулей коэффициентов передачи (полюсов затухания) на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) фильтра.The filter works as follows. The input and output transmission lines are connected to the conductors 3 of the resonators as shown in FIG. 1. The distance from the grounded ends of the strip conductors of the resonators to the connection points of the external transmission lines is determined by the given level of reflections in the filter passband. Signals whose frequencies fall within the passband pass to the filter output with minimal loss, while signals outside the passband are reflected from the input of the device. Due to the introduction of additional conductors 4, 6 and 7, parallel channels for the passage of an electromagnetic wave are created. As a result of the interference of a signal propagating through coupled resonators (i.e., along the main channel) and a signal propagating through additional channels, their antiphase addition occurs at certain frequencies, leading to the formation of zeros of the transmission coefficients (attenuation poles) on the amplitude-frequency characteristic (frequency response) of the filter.

Как известно, селективность фильтра определяется в первую очередь крутизной склонов амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) полосы пропускания. Для увеличения крутизны наиболее эффективным является формирование вблизи полосы пропускания нулей коэффициентов передачи (полюсов затухания). Главным недостатком известных подходов является то, что изменение положения полюсов затухания на АЧХ фильтра требует существенной корректировки связей его резонаторов, которые определяют требуемую ширину полосы пропускания. Поэтому размещение полюсов затухания на заданных частотах при заданных параметрах полосы пропускания представляет достаточно сложную техническую задачу, в некоторых случаях практически неразрешимую. Кроме того, наряду с высокой крутизной склонов часто требуется обеспечить их симметричность относительно центра полосы пропускания, что особенно трудно реализовать в случае широкополосных фильтров.As is known, the selectivity of the filter is determined primarily by the steepness of the slopes of the amplitude-frequency characteristic (AFC) of the passband. To increase the steepness, the most effective is the formation of zeros of the transmission coefficients (attenuation poles) near the passband. The main disadvantage of the known approaches is that changing the position of the attenuation poles on the frequency response of the filter requires a significant adjustment of the connections of its resonators, which determine the required bandwidth. Therefore, the placement of attenuation poles at given frequencies for given passband parameters is a rather complex technical problem, in some cases practically unsolvable. In addition, along with the high steepness of the slopes, it is often necessary to ensure their symmetry about the center of the passband, which is especially difficult to implement in the case of broadband filters.

Заявляемый технический результат достигается следующим образом. Известно, что нули коэффициента передачи на АЧХ электромагнитно связанных резонаторов являются точками компенсации частотно-зависимых коэффициентов емкостной и индуктивной связи. В заявляемой конструкции фильтра благодаря наличию дополнительных полосковых проводников 4, 6 и 7 удается независимо регулировать величину емкостного и индуктивного взаимодействия резонаторов. Это позволяет не только изменять частоты нулей коэффициента передачи в широком интервале значений, но добиться их симметричного расположения относительно центра полосы пропускания фильтра. Важно отметить, что применение в заявляемой конструкции фильтра двухпроводниковых резонаторов уменьшает габариты и снижает вносимое затухание в полосе пропускания по сравнению с фильтром-прототипом при прочих равных условиях.The claimed technical result is achieved as follows. It is known that the zeros of the transmission coefficient on the frequency response of electromagnetically coupled resonators are compensation points for frequency-dependent coefficients of capacitive and inductive coupling. In the proposed design of the filter, due to the presence of additional strip conductors 4, 6 and 7, it is possible to independently control the value of the capacitive and inductive interaction of the resonators. This makes it possible not only to change the frequencies of zeros of the transmission coefficient in a wide range of values, but also to achieve their symmetrical arrangement relative to the center of the filter passband. It is important to note that the use of two-wire resonators in the proposed design of the filter reduces the size and reduces the insertion loss in the passband compared to the prototype filter, all other things being equal.

На Фиг 2 приведены рассчитанные в программе электродинамического моделирования частотные зависимости вносимых потерь для пятирезонаторного фильтра (сплошная линия 1) заявляемой конструкции. Фильтр выполнены на подвешенной диэлектрической подложке толщиной 0.5 мм, имеющей относительную диэлектрическую проницаемость ε=80. Расстояние сверху и снизу от металлического корпуса до поверхности подложки составляет 2.4 мм. Ширина полосковых проводников резонаторов составляет 0.8 мм. Центральная частота полосы пропускания ƒ₀=850 МГц при относительной ширине полосы пропускания Δƒ/ƒ₀=6%, измеренной по уровню - 1дБ.Figure 2 shows the frequency dependences of the insertion loss calculated in the electrodynamic simulation program for a five-resonator filter (solid line 1) of the proposed design. The filter is made on a suspended dielectric substrate 0.5 mm thick, having a relative permittivity ε=80. The distance from the top and bottom from the metal case to the substrate surface is 2.4 mm. The width of the strip conductors of the resonators is 0.8 mm. The central frequency of the passband ƒ ₀ =850 MHz with a relative bandwidth Δƒ/ƒ ₀ =6%, measured at the level of - 1dB.

Из представленной АЧХ видно, заявляемая конструкция фильтра имеет более высокую крутизну и симметричность склонов АЧХ по сравнению с фильтром-прототипом, что подтверждает заявляемый технический результат. Кроме того, заявляемый фильтр имеет малую величину минимальных вносимых потерь в полосе пропускания L_min=2 дБ.From the presented frequency response it can be seen that the inventive filter design has a higher steepness and symmetry of the slopes of the frequency response compared to the prototype filter, which confirms the claimed technical result. In addition, the inventive filter has a small value of the minimum insertion loss in the passband L _min =2 dB.

Таким образом, заявляемая конструкция полоскового полосно-пропускающего фильтра позволяет реализовывать на ее основе высокоселективные устройства с малым уровнем вносимого затухания в полосе пропускания.Thus, the proposed design of the band pass filter allows the implementation on its basis of highly selective devices with a low level of insertion loss in the pass band.

Claims

A strip band pass filter containing a dielectric substrate on which strip conductors of resonators are applied, one of which has U-shaped strip conductors, and additional strip conductors are located between two resonators adjacent to it, characterized in that the filter is configured to control the value of the capacitive and inductive interaction of the resonators, changing the frequency of zeros of the transmission coefficient, while the zeros are located symmetrically with respect to the center of the filter bandwidth.