RU2799384C1

RU2799384C1 - Monolithic strip-line filter with a wide stopband

Info

Publication number: RU2799384C1
Application number: RU2023104431A
Authority: RU
Inventors: Никита Михайлович Боев; Алексей Олегович Афонин; Андрей Александрович Лексиков; Ярослав Федорович Бальва; Ярослав Борисович Завьялов; Тимофей Юрьевич Шумилов; Александр Анатольевич Александровский; Максим Сергеевич Самсонов
Filing date: 2023-02-28
Publication date: 2023-07-05

Abstract

FIELD: SHF technology; filters.

SUBSTANCE: monolithic strip filter with a wide stopband, consisting of several dielectric substrates connected by pressing, with metal strip two-layer resonator conductors located on them, between which there is a prepreg bonding layer, as well as a screen made in the form of an external metallization layer. One of the metal layers in the two-layer conductors of each of the resonators is divided by transverse slots into at least two parts.

EFFECT: increase in the length of the stopband of filters manufactured using the technology of multilayer printed circuit boards.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для создания устройств частотной селекции сигналов сверхвысоких частот, фильтров, диплексеров и др.The invention relates to microwave technology and is intended to create devices for frequency selection of microwave signals, filters, diplexers, etc.

Известна конструкция полоскового резонатора и фильтра на его основе [Беляев Б.А., Изотов А.В., Лексиков А.А., Сержантов А.М., Сухин Ф.Г. Полосковый резонатор на двойной подвешенной подложке // Патент на полезную модель №99248, опубл. 10.11.2010, Бюл.№31]. Фильтр содержит две диэлектрические подложки, подвешенные между экранами корпуса, на обе поверхности которых нанесены полосковые металлические проводники резонаторов, электромагнитно связанные между собой и имеющие форму прямоугольника. The design of a stripline resonator and a filter based on it is known [Belyaev B.A., Izotov A.V., Lexikov A.A., Serzhantov A.M., Sukhin F.G. Stripline resonator on a double suspended substrate // Utility model patent No. 99248, publ. November 10, 2010, Bull. No. 31]. The filter contains two dielectric substrates suspended between the screens of the housing, on both surfaces of which strip metal conductors of the resonators are deposited, electromagnetically coupled to each other and having the shape of a rectangle.

Фильтр характеризуется миниатюрностью, но имеет значительные недостатки при серийном производстве. Во-первых, процесс изготовления такого фильтра трудозатратен из-за необходимости использования большого количества паяных соединений и плохо совместим с автоматизированными процессами производства. Во-вторых, повторяемость характеристик фильтра оказывается низкой из-за необходимости применения ручного труда, снижающего точность изготовления, а также невозможности регулировки устройства без вскрытия корпуса-экрана.The filter is characterized by miniaturization, but has significant drawbacks in mass production. First, the manufacturing process of such a filter is labor-intensive due to the need to use a large number of solder joints and is poorly compatible with automated production processes. Secondly, the repeatability of the filter characteristics turns out to be low due to the need for manual labor, which reduces the manufacturing accuracy, as well as the impossibility of adjusting the device without opening the screen housing.

Наиболее близким аналогом является полосковый фильтр, изготовленный по технологии многослойных печатных плат [Лексиков А.А. Многослойные многопроводниковые полосковые резонаторы и устройства частотной селекции сигналов на их основе: дисс. докт. техн. наук: 1.3.4. – Сибирский федеральный университет, Красноярск, 2022. – 354 с. (прототип)]. В таком фильтре для исключения влияния материала препрега на характеристики полосковых элементов в фильтре, изготавливаемом по технологии многослойных печатных плат посредством прессования диэлектрических подложек, все полосковые проводники резонаторов выполнены двухслойными, а препрег является диэлектрической прослойкой между этими слоями. При этом смежные концы двухслойных проводников с одной стороны замкнуты на экран, а с другой – разомкнуты. Поэтому электрическое поле в слое препрега отсутствует, так как напряжения на полосковых проводниках одинаковые, что практически исключает его влияние на характеристики резонатора. Это повышает собственную добротность резонаторов и улучшает повторяемость характеристик устройств при массовом изготовлении. The closest analogue is a strip filter made using the technology of multilayer printed circuit boards [Lexikov A.A. Multilayer multiconductor strip resonators and devices for frequency selection of signals based on them: diss. doc. tech. Sciences: 1.3.4. - Siberian Federal University, Krasnoyarsk, 2022. - 354 p. (prototype)]. In such a filter, in order to eliminate the influence of the prepreg material on the characteristics of strip elements in a filter manufactured using the technology of multilayer printed circuit boards by pressing dielectric substrates, all the strip conductors of the resonators are made of two layers, and the prepreg is a dielectric layer between these layers. In this case, the adjacent ends of the two-layer conductors are closed to the screen on one side, and open on the other. Therefore, there is no electric field in the prepreg layer, since the voltages on the strip conductors are the same, which practically excludes its influence on the characteristics of the resonator. This increases the intrinsic quality of the resonators and improves the repeatability of device characteristics in mass production.

Недостатком устройства-прототипа является то, что протяженность его полосы заграждения быстро уменьшается при увеличении центральной частоты полосы пропускания.The disadvantage of the prototype device is that the length of its stopband rapidly decreases with increasing center frequency of the passband.

Техническим результатом изобретения является увеличение протяженности полосы заграждения фильтров, изготовленных по технологии многослойных печатных плат.The technical result of the invention is to increase the length of the stopband of filters manufactured using the technology of multilayer printed circuit boards.

Указанный технический результат достигается тем, что в монолитном полосковом фильтре с широкой полосой заграждения, состоящем из соединенных методом прессования нескольких диэлектрических подложек, с расположенными на них металлическими полосковыми двухслойными проводниками резонаторов, разделенными связующим слоем препрега, а также экрана, выполненного в виде слоя наружной металлизации, новым является то, что один из металлических слоев в двухслойных проводниках каждого из резонаторов разделен поперечными щелями не менее чем на две части.The specified technical result is achieved by the fact that in a monolithic strip filter with a wide stopband, consisting of several dielectric substrates connected by pressing, with metal strip two-layer conductors of resonators located on them, separated by a prepreg binder layer, as well as a screen made in the form of an external metallization layer , what is new is that one of the metal layers in the two-layer conductors of each of the resonators is divided by transverse slots into at least two parts.

Существенное отличие заявляемого фильтра от фильтра-прототипа заключается в том, что в двухслойных проводниках каждого из резонаторов один из металлических слоев выполнен из нескольких гальванически изолированных частей, причем соседние части отделены друг от друга поперечной щелью. Благодаря этому в заявляемой конструкции фильтра не происходит возбуждение нежелательных резонансов, формирующих паразитные полосы пропускания в высокочастотной полосе заграждения, как это имеет место в фильтре-прототипе.The essential difference of the inventive filter from the prototype filter is that in the two-layer conductors of each of the resonators one of the metal layers is made of several galvanically isolated parts, and the adjacent parts are separated from each other by a transverse slot. Due to this, the inventive filter design does not excite unwanted resonances that form parasitic passbands in the high-frequency stopband, as is the case in the prototype filter.

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 следующими рисунками. На Фиг. 1 изображена заявляемая конструкция монолитного полоскового фильтра, установленного на печатной плате. На Фиг. 2 показан внешний вид заявляемого устройства, а на Фиг. 3–5 показаны его составляющие. На Фиг. 6 приведены частотные зависимости коэффициента передачи заявляемого фильтра (сплошная линия) и фильтра прототипа (точки).The essence of the invention is illustrated by the following figures. On FIG. 1 shows the claimed design of a monolithic strip-pass filter mounted on a printed circuit board. On FIG. 2 shows the appearance of the proposed device, and Fig. 3–5 show its components. On FIG. 6 shows the frequency dependence of the transfer coefficient of the proposed filter (solid line) and the prototype filter (points).

Заявляемый монолитный полосковый фильтр 1 (Фиг. 1) изготавливается по технологии многослойных печатных плат и размещается на печатной плате 2. Фильтр имеет (Фиг. 2) два порта 3 и снаружи покрыт слоем металлизации – экраном 4. Под экраном 4 расположены (Фиг. 3) две диэлектрические подложки 5, между которыми находится связующий препрег 6. На поверхностях двух диэлектрических подложек 5 располагаются (Фиг. 4) проводники 7 резонаторов, разделенные слоем препрега 6. Полосковые проводники 7 замкнуты на экран 4 (Фиг. 2) через общие земляные шины 8 (Фиг. 5). Один из металлических слоев двухслойных проводников 7 каждого из резонаторов выполнен из нескольких гальванически изолированных частей, которые отделены друг от друга поперечными щелями 9 (Фиг. 5а), а второй слой оставлен целым (Фиг. 5б). На рисунке Фиг. 5в показан трехмерный вид металлических слоев двухслойных проводников резонаторов без слоя препрега 6.The inventive monolithic strip filter1 (Fig. 1) is manufactured using the technology of multilayer printed circuit boards and placed on the printed circuit board2. The filter has (Fig. 2) two ports3 and is covered with a layer of metallization on the outside - a screen4. Under the screen4 located (Fig. 3) two dielectric substrates5, between which there is a binder prepreg6. On the surfaces of two dielectric substrates5 located (Fig. 4) conductors7 resonators separated by a layer of prepreg6. Strip conductors7 closed to the screen4 (Fig. 2) via common ground buses8 (Fig. 5). One of the metal layers of double-layer conductors7 each of the resonators is made of several galvanically isolated parts, which are separated from each other by transverse slots9 (Fig. 5A), and the second layer is left intact (Fig. 5b). In Fig. 5V shows a three-dimensional view of the metal layers of two-layer resonator conductors without a prepreg layer6.

Известно, что для создания полосно-пропускающих миниатюрных фильтров с высокой повторяемостью характеристик при массовом производстве, целесообразно применять технологию многослойных печатных плат [Б.А. Беляев, А.М. Сержантов, Ан.А. Лексиков, Я.Ф. Бальва, Р.Г. Галеев. Монолитный миниатюрный полосно-пропускающий фильтр на многопроводниковых полосковых резонаторах // Письма в ЖТФ, 2021, том 47, вып. 13]. В то же время фильтрующие устройства, изготовленные по этой технологии, имеют ряд недостатков, главным из которых является низкая повторяемость характеристик, обусловленная технологическими особенностями процесса прессования диэлектрических подложек. В процессе прессования толщина связующего слоя препрега, располагающегося между этими подложками, может неконтролируемо изменяться в относительно широких пределах, что, наряду с его большими диэлектрическими потерями, ухудшает повторяемость и качество электрических характеристик фильтров. Решением указанной проблемы является использование полосковых резонаторов, в которых полосковые проводники выполнены двухслойными, например, как в фильтре-прототипе. Однако такое техническое решение обладает серьезным ограничением, связанным с тем, что на частотах сантиметрового диапазона длин волн (более 3 ГГц) фильтры на основе таких резонаторов имеют узкую высокочастотную полосу заграждения, протяженность которой резко уменьшается с ростом центральной частоты полосы пропускания фильтров. Заявляемое техническое решение позволяет значительно расширить полосу заграждения полоскового полосно-пропускающего фильтра, изготавливаемого по технологии многослойных печатных плат, по сравнению с конструкцией фильтра-прототипа.It is known that to create bandpass miniature filters with high repeatability of characteristics in mass production, it is advisable to use the technology of multilayer printed circuit boards [B.A. Belyaev, A.M. Serzhantov, An.A. Leksikov, Ya.F. Balva, R.G. Galeev. Monolithic miniature bandpass filter based on multiconductor stripline resonators // Letters to ZhTF, 2021, volume 47, no. 13]. At the same time, filter devices manufactured using this technology have a number of disadvantages, the main of which is the low repeatability of characteristics due to the technological features of the process of pressing dielectric substrates. During the pressing process, the thickness of the prepreg binder layer located between these substrates can change uncontrollably over a relatively wide range, which, along with its large dielectric losses, worsens the repeatability and quality of the electrical characteristics of the filters. The solution to this problem is the use of stripline resonators, in which the stripline conductors are made of two layers, for example, as in the prototype filter. However, this technical solution has a serious limitation due to the fact that at frequencies of the centimeter wavelength range (more than 3 GHz) filters based on such resonators have a narrow high-frequency stop band, the length of which sharply decreases with increasing filter bandwidth center frequency. The proposed technical solution allows to significantly expand the stop band of a strip band pass filter, manufactured using the technology of multilayer printed circuit boards, in comparison with the design of the prototype filter.

Монолитный полосковый фильтр с широкой полосой заграждения работает следующим образом. Входная и выходная линии передачи подключаются к устройству 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.Monolithic bandpass filter with a wide stopband works as follows. The input and output transmission lines are connected to the device 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.

Заявляемый технический результат достигается следующим образом. Благодаря тому, что в двухслойных проводниках 7 каждого из резонаторов (Фиг. 5) один из металлических слоев выполнен из нескольких гальванически изолированных частей, не происходит возбуждение нежелательных резонансов, формирующих паразитные полосы пропускания, как это имеет место в фильтре-прототипе. Действительно, каждый из полосковых двухслойных проводников резонаторов имеет два типа колебаний, которые отличаются направлением токов в металлических проводниках. Рабочую полосу пропускания фильтра формируют высокодобротные четные колебания, которые соответствуют одинаково направленным высокочастотным токам в двухслойных полосковых проводниках резонатора и одинаковым знакам высокочастотных напряжений на их разомкнутых концах. Нечетная мода колебаний соответствует встречно направленным высокочастотным токам в двухслойных полосковых проводниках резонатора и противоположным знакам высокочастотных напряжений на их разомкнутых концах. При низких частотах центральной частоты полосы пропускания фильтра (ниже 3 ГГц), частота нечетной моды находится далеко от полосы пропускания фильтра и не влияет на характеристики полосы заграждения, этому способствует также низкая добротность нечетной моды. На высоких же частотах добротность нечетной моды возрастает, а ее частотное положение приближается к рабочей полосе частот фильтра, что значительно уменьшает протяженность и глубину высокочастотной полосы заграждения. Заявляемая конструкция фильтра свободна от указанного недостатка, так как из-за наличия поперечных щелей на одном из металлических слоев двухслойного проводника резонатора нечетная мода колебаний имеет низкую собственную добротность, а ее частота значительно выше частот полосы пропускания фильтра.The claimed technical result is achieved as follows. Due to the fact that in the two-layer conductors 7 of each of the resonators (Fig. 5) one of the metal layers is made of several galvanically isolated parts, there is no excitation of unwanted resonances that form parasitic bandwidths, as is the case in the prototype filter. Indeed, each of the strip two-layer conductors of the resonators has two types of oscillations, which differ in the direction of currents in metal conductors. The working bandwidth of the filter is formed by high-Q even oscillations, which correspond to equally directed high-frequency currents in the two-layer strip conductors of the resonator and the same signs of high-frequency voltages at their open ends. The odd oscillation mode corresponds to the oppositely directed high-frequency currents in the two-layer strip conductors of the resonator and the opposite signs of the high-frequency voltages at their open ends. At low filter passband center frequencies (below 3 GHz), the odd mode frequency is far from the filter passband and does not affect the stopband performance, also aided by the low quality factor of the odd mode. At high frequencies, the quality factor of the odd mode increases, and its frequency position approaches the working frequency band of the filter, which significantly reduces the length and depth of the high-frequency stopband. The claimed design of the filter is free from this drawback, since due to the presence of transverse slots on one of the metal layers of the two-layer conductor of the resonator, the odd oscillation mode has a low intrinsic quality factor, and its frequency is much higher than the passband frequencies of the filter.

Для подтверждения заявляемого технического результата на Фиг. 6 представлены частотные зависимости коэффициента передачи пятирезонаторного фильтра заявляемой конструкции 10 и фильтра-прототипа 11, которые имеют одинаковые конструктивные параметры. Расчет проведен электродинамическим анализом 3D-моделей фильтров в пакете программ «CST Studio Suite». Фильтр выполнен на основе двух диэлектрических подложек из материала RO4350BTM с относительной диэлектрической проницаемостью ε = 3.66. Толщина первой подложки составляет 1.44 мм, а второй подложки 0.762 мм. Подложки соединены между собой слоем препрега толщиной 0.086 мм. Внешние поверхности подложек металлизированы и выполняют функцию корпуса-экрана. Двухслойные полосковые проводники толщиной 18 мкм разделены диэлектрическим слоем препрега и закорочены с одной стороны смежными концами на экран в каждом резонаторе фильтра. Один из металлических слоев в двухслойных проводниках каждого из резонаторов разделен двумя щелями на три гальванически изолированные части. Ширина полосковых проводников всех резонаторов 2 мм, их длина 3.7 мм. Габариты фильтра с учетом толщины наружной металлизации составляют 18×9×2.4 мм³. Как видно из Фиг. 6, заявляемая конструкция фильтра имеет значительно более широкую полосу заграждения по сравнению с фильтром-прототипом при прочих равных условиях. Так для центральной полосы пропускания фильтров f ₀ = 9.5 ГГц протяженность полосы заграждения по уровню затухания 40 дБ в фильтре-прототипе составила 0.4 ГГц, а в фильтре заявляемой конструкции 4 ГГц, что на порядок больше и подтверждает заявляемый технический результат.To confirm the claimed technical result in Fig. 6 shows the frequency dependences of the transfer coefficient of the five-resonator filter of the proposed design 10 and the prototype filter 11 , which have the same design parameters. The calculation was carried out by electrodynamic analysis of 3D filter models in the CST Studio Suite software package. The filter is made on the basis of two RO4350BTM dielectric substrates with a relative permittivity ε = 3.66. The thickness of the first substrate is 1.44 mm and that of the second substrate is 0.762 mm. The substrates are interconnected by a prepreg layer 0.086 mm thick. The outer surfaces of the substrates are metallized and perform the function of a housing-screen. Two-layer strip conductors 18 μm thick are separated by a dielectric prepreg layer and are shorted from one side by adjacent ends to the screen in each filter resonator. One of the metal layers in the two-layer conductors of each of the resonators is divided by two slots into three galvanically isolated parts. The width of the strip conductors of all resonators is 2 mm, their length is 3.7 mm. The dimensions of the filter, taking into account the thickness of the outer metallization, are 18×9×2.4 mm ³ . As seen from FIG. 6, the inventive filter design has a significantly wider stopband compared to the prototype filter, all other things being equal. So for the central passband of the filters f ₀ = 9.5 GHz, the length of the stopband in terms of the attenuation level of 40 dB in the prototype filter was 0.4 GHz, and in the filter of the claimed design 4 GHz, which is an order of magnitude larger and confirms the claimed technical result.

Claims

A monolithic strip filter with a wide stopband, consisting of several dielectric substrates connected by pressing, with metal strip two-layer resonator conductors located on them, between which there is a prepreg bonding layer, as well as a screen made in the form of an external metallization layer, characterized in that one of metal layers in two-layer conductors of each of the resonators is divided by transverse slots into at least two parts.