UA150564U

UA150564U - Waveguiding-planar bandpass filter

Info

Publication number: UA150564U
Application number: UAU202105604U
Authority: UA
Inventors: Михайло Юрійович Омеляненко; Тарас Володимирович Романенко
Original assignee: Національний Технічний Університет України "Київський Політехнічний Інститут Імені Ігоря Сікорського"
Priority date: 2021-10-05
Filing date: 2021-10-05
Publication date: 2022-03-02

Abstract

The waveguiding-planar bandpass filter contains a dielectric plate located in the E-plane of a rectangular waveguide, on the surface of which are metal conductors having electrical contact with opposite wide walls of the waveguide, the size and relative position of which on the dielectric plate determine the characteristics of the formed filter in its bandwidth. The conductors (3, 4) are symmetrical on both sides of the dielectric plate (1) and form a series of interconnected filter resonators (5) located along the axis of the rectangular waveguide (2). These conductors in each of the resonators form two sections in waveguiding-slot line with different gaps between the ridges, and the width of the gap in the first section of the resonator is equal to the height of the waveguide, the width of the gap in the second section is from 0.05 to 0.1 of this height, and the length of the second section is much less than the length of the first and is not more than 0.2 of it.

Description

Корисна модель належить до монтажних схем гібридно-інтегральних фільтрів сантиметрового і міліметрового діапазонів довжин хвиль. Фільтри такого типу зазвичай використовують у складі приймально-передавального обладнання широкосмугових бездротових систем, у радіолокаційних комплексах, тощо.The useful model belongs to the mounting schemes of hybrid-integral filters of centimeter and millimeter wavelength ranges. Filters of this type are usually used as part of the receiving and transmitting equipment of broadband wireless systems, in radar complexes, etc.

Найбільш близькою по суті до запропонованої корисної моделі є конструкція смугопропускаючого фільтра (Юотіпідпе Го Ніпе Топо, та ін. Ріпіїпе їуре тістожаме рапа-равзв5 тег. Патент ЕР 1605540 АТ 14.12.2005 ВиПейнйп 2005/50), що містить діелектричну пластину, розташовану між вузькими стінками прямокутного хвилевода (в Е-площині), на поверхні якої містяться металеві провідники, що мають електричний контакт з протилежними широкими стінками згаданого хвилеводу, розмір і взаємне розташування яких на діелектричній пластині зумовлюють характеристику Чебишова утворюваного ними смугопропускаючого фільтра.The closest in essence to the proposed useful model is the design of a band-pass filter (Uotipidpe Go Nipe Topo, et al. Ripiipe iure testozhame rapa-ravzv5 teg. Patent ER 1605540 AT 14.12.2005 VyPeynyp 2005/50), which contains a dielectric plate located between narrow by the walls of a rectangular waveguide (in the E-plane), on the surface of which there are metal conductors that have electrical contact with the opposite wide walls of the mentioned waveguide, the size and mutual location of which on the dielectric plate determine the Chebyshov characteristic of the bandpass filter formed by them.

Зазначений фільтр містить хоча б одну короткозамкнену на кінці порожнину прямокутної форми, розташовану перпендикулярно до площини діелектричної пластини. Розташування та розміри цієї порожнини визначають частоту полюса характеристики загасання фільтра, який зумовлює значне загасання фільтра на частотах навколо частоти зазначеного полюса.The specified filter contains at least one short-circuited at the end rectangular cavity located perpendicular to the plane of the dielectric plate. The location and dimensions of this cavity determine the frequency of the pole of the attenuation characteristic of the filter, which causes significant attenuation of the filter at frequencies around the frequency of the indicated pole.

Застосування додаткових елементів в хвилевідно-планарному фільтрі у вигляді однієї або декількох короткозамкнених на кінці порожнин довжиною приблизно у половину довжини хвилі на бажаних частотах виникнення полюсів поліпшує характеристику загасання фільтра і призводить до значного загасання на цих частотах і значного покращення селективності фільтра на частотах, що знаходяться безпосередньо поруч із нижньою і верхньою границями смуги пропускання фільтра, збільшуючи, таким чином, його прямокутність при незмінній кількості його резонаторів. Це, в свою чергу, дає можливість покращити вибіркові властивості фільтра без збільшення його дисипативних втрат.The use of additional elements in the waveguide-planar filter in the form of one or more short-circuited at the end of the cavities with a length of approximately half the wavelength at the desired frequencies of the appearance of the poles improves the attenuation characteristic of the filter and leads to a significant attenuation at these frequencies and a significant improvement in the selectivity of the filter at frequencies that are immediately adjacent to the lower and upper limits of the filter's passband, thus increasing its squareness while keeping the number of its resonators constant. This, in turn, makes it possible to improve the selective properties of the filter without increasing its dissipative losses.

Приведена конструкція має наступні недоліки: покращенні характеристики селективності були досягнуті за рахунок значного ускладнення і здорожчання конструкції, оскільки вона потребує точного виконання об'ємних робіт із суцільнометалевою конструкцією корпуса фільтра. Такі особливості конструкції фільтра призводять до того, що він не може розглядатися як інтегральний. Також, в разі необхідності переналаштовування фільтра (наприклад, перестроювання його по частоті), зазначена металева камера фільтра з виготовленими в нійThe given design has the following disadvantages: improvements in the selectivity characteristics were achieved at the expense of significant complication and increase in the cost of the design, as it requires accurate performance of volumetric works with the all-metal construction of the filter housing. Such features of the filter design lead to the fact that it cannot be considered as integral. Also, if it is necessary to reconfigure the filter (for example, retuning it by frequency), the metal chamber of the filter with the manufactured in it is specified

Зо порожнинами використана бути не може. Необхідність роботи на різних частотах призводить до необхідності створювати однотипні фільтри для кожного з використовуваних діапазонів частот, що також призводить до здорожчання фільтра у виробництві.It cannot be used with cavities. The need to work at different frequencies leads to the need to create filters of the same type for each of the used frequency ranges, which also leads to an increase in the price of the filter in production.

В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення хвилевідно-планарного смугопропускаючого фільтра, в якому за рахунок топології друкованих провідників, формуючих окремі резонатори фільтра, досягається задача розширення смуги пропускання фільтра, збільшується загасання в ній, зменшуються габарити фільтра, а також спрощується процес його виготовлення.The useful model is based on the task of improving the waveguide-planar bandpass filter, in which, due to the topology of printed conductors forming individual filter resonators, the task of expanding the filter passband is achieved, its attenuation increases, the dimensions of the filter are reduced, and the process of its manufacture is simplified.

Поставлена задача вирішується тим, що хвилевідно-планарний смугопропускаючий фільтр із широкою смугою непропускання і високим загасанням в ній містить діелектричну пластину, лицьова і зворотна сторони якої містять друковані провідники. Пластина встановлена в Е- площині прямокутного хвилеводу. Зазначені провідники є симетричними з обох сторін діелектричної пластини і утворюють ряд попарно з'єднаних між собою резонаторів фільтра, розташованих вздовж вісі прямокутного хвилеводу. Згадані провідники у кожному з резонаторів утворюють дві секції хвилевідно-щілинної лінії з різними ширинами щілин між їх гребенями.The problem is solved by the fact that the waveguide-planar bandpass filter with a wide stopband and high attenuation in it contains a dielectric plate, the front and back sides of which contain printed conductors. The plate is installed in the E-plane of the rectangular waveguide. These conductors are symmetrical on both sides of the dielectric plate and form a series of paired filter resonators located along the axis of the rectangular waveguide. The mentioned conductors in each of the resonators form two sections of the waveguide-slit line with different widths of the slits between their ridges.

Ширина щілини в першій секції резонатора дорівнює ширині вузької стінки хвилеводу, а ширина щілини в другій секції становить величину від 0,05 до 0,1 зазначеної ширини. При цьому довжина першої секції значно менша довжини другої і становить не більше за 0,2 від неї.The width of the gap in the first section of the resonator is equal to the width of the narrow wall of the waveguide, and the width of the gap in the second section is from 0.05 to 0.1 of the specified width. At the same time, the length of the first section is significantly shorter than the length of the second and is no more than 0.2 of it.

Виконання кожного з резонаторів фільтра у вигляді двох секцій хвилевідно-щілинних ліній із суттєво різними ширинами щілин між їх гребенями забезпечує розширення смуги загородження, оскільки при цьому резонатор фільтра є вузлом із ступінчастою зміною імпедансу, для якого притаманне розширення діапазону частот між резонансами основного і першого вищого типів, якщо довжина високоомної секції є значно меншою за довжину низькоомної. Одночасно ступінчасте зменшення ширини щілини на границі, що розділяє дві секції резонатора, викликає появу резонансу в смузі частот його непропускання, що і є причиною виникнення полюса в частотній характеристиці робочого загасання фільтра і значного збільшення його загасання в смузі частот його непропускання. Зазначена реалізація резонаторів фільтра зумовлює зменшення їх довжини і, як наслідок, суттєве зменшення довжини всього фільтра.The execution of each of the filter resonators in the form of two sections of waveguide-slit lines with significantly different widths of the slits between their crests provides an expansion of the barrier band, since the filter resonator is a node with a step change in impedance, which is characterized by an expansion of the frequency range between the resonances of the main and the first higher types, if the length of the high-resistance section is significantly shorter than the length of the low-resistance section. At the same time, the gradual decrease in the width of the gap at the boundary separating the two sections of the resonator causes the appearance of resonance in the frequency band of its non-transmission, which is the reason for the appearance of a pole in the frequency characteristic of the filter's operational attenuation and a significant increase in its attenuation in the frequency band of its non-transmission. The specified implementation of the filter resonators leads to a reduction in their length and, as a result, a significant reduction in the length of the entire filter.

Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, на яких представлені: на фіг. 1 - хвилевідно-планарний смугопропускаючий фільтр; 60 на фіг. 2 - збільшене зображення одного із резонаторів фільтра.The essence of the useful model is explained by the drawings, which show: in fig. 1 - waveguide-planar bandpass filter; 60 in fig. 2 - enlarged image of one of the resonators of the filter.

Зображений на фіг. 1 хвилевідно-планарний смугопропускаючий фільтр складається із діелектричної пластини 1, яка розташована в Е-площині прямокутного хвилеводу 2, друкованих провідників З і 4, що містяться на лицьовій і зворотній сторонах пластини розміри і довжини яких однакові. Провідники З і 4 формують ряд з'єднаних попарно один з одним резонаторів 5, які розташовуються вздовж поздовжньої осі хвилеводу 2.Shown in fig. 1 waveguide-planar bandpass filter consists of a dielectric plate 1, which is located in the E-plane of a rectangular waveguide 2, printed conductors C and 4, which are located on the front and back sides of the plate, the sizes and lengths of which are the same. Conductors C and 4 form a series of resonators 5 connected in pairs to each other, which are located along the longitudinal axis of the waveguide 2.

На фіг. 2 збільшено зображено один із зазначених резонаторів фільтра. Кожен з резонаторів складається з двох секцій, друковані провідники в яких утворюють хвилевідно-щілинні лінії 6, 7 з суттєво різними ширинами щілин між гребенями і суттєво різними їх довжинами, причому довжина секції з хвилевідно-щілинною лінією з більшою шириною щілини значно менша за довжину секції з хвилевідно-щілинною лінією з щілиною меншого розміру.In fig. 2 shows an enlarged view of one of the mentioned filter resonators. Each of the resonators consists of two sections, the printed conductors in which form waveguide-slit lines 6, 7 with significantly different widths of the gaps between the ridges and significantly different lengths, and the length of the section with the waveguide-slit line with a larger gap width is significantly less than the length of the section with a waveguide-slit line with a smaller slit.

Зазначений хвилевідно-планарний смугопропускаючий фільтр працює наступним чином.The specified waveguide-planar bandpass filter works as follows.

Вхідний сигнал поступає на ряд попарно з'єднаних між собою резонаторів, які разом утворюють фільтр НВЧ діапазону, а отже частотна характеристика фільтра цілком визначається такою характеристикою його резонаторів. За своєю суттю резонатори фільтра є розподіленими елементами, тобто елементами, розміри яких співставимі з довжиною хвилі. За цих умов резонатори принципово мають ряд резонансних частот, а характеристика загасання повністю залежить від взаємного розташування значень резонансних частот на частотній вісі. Оскільки кожен з резонаторів запропонованого фільтра реалізований як неоднорідний, тобто зіставлений з двох хвилевідно-щілинних ліній передачі з різними ширинами щілин між гребенями (а, відповідно, з секцій з різними значеннями імпедансу), довжина резонаторів зазнає значного скорочення порівняно з довжиною резонаторів на основі лінії передачі з одним значенням імпедансу (однорідними резонаторами). Це призводить до значного зменшення основної резонансної частоти, а при умові значного переважання довжини секції з меншою щілиною - і до суттєвого розширення діапазону частот між основним і першим вищим резонансами резонатора. Це в свою чергу, означає, що запропонований фільтр, розрахований на задану частоту смуги пропускання, буде мати значно ширшу смугу частот загородження порівняно з фільтром, виконаним на однорідних резонаторах, а лінійні розміри (габарити) його будуть значно меншими. Таким чином усуваються наступні недоліки найближчого аналога: незначне загасання в смузі частот непропускання і значні габарити фільтра.The input signal is fed to a series of resonators connected in pairs, which together form a microwave filter, and therefore the frequency response of the filter is completely determined by the characteristics of its resonators. By their nature, filter resonators are distributed elements, that is, elements whose dimensions are comparable to the wavelength. Under these conditions, the resonators basically have a number of resonant frequencies, and the damping characteristic depends entirely on the mutual location of the values of the resonant frequencies on the frequency axis. Since each of the resonators of the proposed filter is implemented as heterogeneous, i.e., it is composed of two waveguide-slit transmission lines with different widths of the slits between the crests (and, accordingly, from sections with different impedance values), the length of the resonators undergoes a significant reduction compared to the length of the line-based resonators transmission with one impedance value (homogeneous resonators). This leads to a significant decrease in the main resonance frequency, and in the case of a significant preponderance of the length of the section with a smaller gap - and to a significant expansion of the frequency range between the main and the first higher resonances of the resonator. This, in turn, means that the proposed filter, designed for a given passband frequency, will have a much wider barrier frequency band compared to a filter made on homogeneous resonators, and its linear dimensions (dimensions) will be much smaller. In this way, the following disadvantages of the closest analogue are eliminated: slight attenuation in the band of non-passing frequencies and significant dimensions of the filter.

Зо Крім того, чисельні і детальні розрахунки показують, що різка зміна ширини кожної з щілин хвилевідно-щілинних ліній на границі секцій резонатора еквівалентна дії послідовного коливального контура з резонансною частотою, що лежить в смузі частот між резонансами основного і першого вищого типів, причому зазначений контур під'єднується паралельно лінії передачі резонатора і шунтує її. Це призводить до появи полюса загасання в частотній залежності робочого загасання фільтра, причому, як видно, ця мета досягається у виключно планарній структурі фільтра. Таким чином усувається головний недолік найближчого аналога - недостатня технологічність і підвищена вартість фільтра.In addition, numerical and detailed calculations show that a sharp change in the width of each of the slits of the waveguide-slit lines at the boundary of the resonator sections is equivalent to the action of a sequential oscillating circuit with a resonant frequency that lies in the frequency band between the resonances of the main and first higher types, and the specified circuit is connected in parallel with the transmission line of the resonator and shunts it. This leads to the appearance of an attenuation pole in the frequency dependence of the filter's operational attenuation, and, as can be seen, this goal is achieved in an exclusively planar filter structure. In this way, the main drawback of the closest analogue is eliminated - insufficient manufacturability and increased cost of the filter.

Таким чином, запропонована конструкція забезпечує значне розширення діапазону непропускання хвилевідно-планарного смугопропускаючого фільтра, збільшення загасання в цій смузі, зменшення габаритів фільтра.Thus, the proposed design provides a significant expansion of the non-transmission range of the waveguide-planar bandpass filter, an increase in attenuation in this band, and a reduction in the dimensions of the filter.

Завдяки покращенню конструкції найближчого аналога, вся структура фільтра стає повністю інтегральною, що забезпечує високу повторюваність характеристики, покращення технологічності і зменшення вартості при серійному випуску пристрою.Thanks to the improvement of the design of the closest analogue, the entire structure of the filter becomes fully integrated, which ensures high repeatability of the characteristic, improvement of manufacturability and reduction of cost during serial production of the device.

Claims

USEFUL MODEL FORMULA A waveguide-planar bandpass filter containing a dielectric plate located in the E-plane of a rectangular waveguide, on the surface of which there are metal conductors having electrical contact with the opposite wide walls of the specified waveguide, the dimensions and mutual location of which on the dielectric plate determine the characteristic of the formed filter in its band of transmission frequencies, which differs in that the conductors (3, 4) are symmetrical on both sides of the dielectric plate (1) and form a series of pairwise interconnected filter resonators (5) located along the axis of the rectangular waveguide ( 2), the specified conductors in each of the resonators form two waveguide sections

slit line with different gaps between the crests, and the width of the slit in the first section of the resonator is equal to the height of the waveguide, the width of the slit in the second section is from 0.05 to 0.1 of the specified height, and the length of the second section is significantly less than the length of the first and is no more than 0 ,2 from her.

" -- ше 000 ОО fig. 1 67

Fig. 2 0 Computer heresy OO. Geril 00000000 77 dp Ukrainian Institute of Intellectual Property", Glazunova St., 1, Kyiv -42,01601..-.