RU2590313C1

RU2590313C1 - Strip harmonic filter

Info

Publication number: RU2590313C1
Application number: RU2015120538/28A
Authority: RU
Inventors: Борис Афанасьевич Беляев; Александр Александрович Лексиков; Алексей Михайлович Сержантов
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2016-07-10

Abstract

FIELD: radio engineering and communications.

SUBSTANCE: invention is intended for use in selective channels of radio equipment for different purposes. Filter comprises dielectric substrate on one side of which there are strip conductors, pole mains switch with one end, and on second side there are also strip conductors, short-circuited from one end. Conductors forming each of filter resonators, are located on different surfaces of substrate and shorted by opposite ends. According to invention width of strip conductors forming resonators, at least in one of them differs by at least 1.1 times from width of strip conductors of other resonators.

EFFECT: expansion of high-frequency band while maintaining high manufacture ability.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике высоких и сверхвысоких частот и может использоваться в селективных трактах радиоаппаратуры различного назначения.The invention relates to techniques for high and ultra-high frequencies and can be used in the selective paths of radio equipment for various purposes.

Известен микрополосковый полосно-пропускающий фильтр с широкой полосой заграждения [Патент РФ №2222076, МПК⁷ Н01Р/203, опубл. 20.01.2004], содержащий диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую сторону - короткозамкнутые полосковые проводники, являющиеся четвертьволновыми микрополосковыми резонаторами, которые разделены между собой экранирующими металлическими пластинами, а кондуктивно-индуктивная связь между резонаторами выполнена в виде сосредоточенных индуктивностей, каждая из которых припаяна своими концами к двум связуемым резонаторам.Known microstrip bandpass filter with a wide obstacle [RF Patent No. 2222076, IPC ⁷ H01P / 203, publ. 01/20/2004] containing a dielectric substrate, on one side of which a grounded base is applied, and on the second side are short-circuited strip conductors, which are quarter-wave microstrip resonators, which are separated by shielding metal plates, and the conductive-inductive coupling between the resonators is made in the form of concentrated inductances, each of which is soldered by its ends to two connected resonators.

Фильтры на основе такой конструкции подавляют высшие гармоники сигналов вплоть до 7-й, однако они нетехнологичны и сложны в настройке.Filters based on this design suppress the highest harmonics of signals up to the 7th, but they are low-tech and difficult to configure.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является полосно-пропускающий фильтр [Патент РФ №2237320, МПК⁷ Н01Р/203, опубл. 27.09.2004, Бюл. №27], содержащий диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесены полосковые проводники, закороченные с одного конца, и на вторую сторону также нанесены полосковые проводники, закороченные с одного конца, причем проводники, образующие каждый из резонаторов фильтра, расположены на разных поверхностях подложки и закорочены противоположными концами.The closest analogous combination of essential features is a band-pass filter [RF Patent No. 2237320, IPC ⁷ Н01Р / 203, publ. 09/27/2004, Bull. No. 27], containing a dielectric substrate, on one side of which are strip conductors shorted at one end, and on the second side are also applied strip conductors shorted at one end, and the conductors forming each of the filter resonators are located on different surfaces of the substrate and shorted at opposite ends.

Фильтры такой конструкции более технологичны и просты в настройке по сравнению с первым аналогом, но способны подавлять высшие гармоники сигнала только до 5-й.Filters of this design are more technologically advanced and easier to configure than the first counterpart, but they can suppress higher harmonics of the signal only up to the 5th.

Техническим результатом изобретения является расширение высокочастотной полосы заграждения при сохранении высокой технологичности конструкции.The technical result of the invention is the expansion of the high-frequency barriers while maintaining high technological design.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в полосно-пропускающем фильтре, содержащем диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесены полосковые проводники, закороченные с одного конца, и на вторую сторону также нанесены полосковые проводники, закороченные с одного конца, причем проводники, образующие каждый из резонаторов фильтра, расположены на разных поверхностях подложки и закорочены противоположными концами, новым является то, что ширина полосковых проводников, образующих резонаторы, хотя бы у одного из них отличается не менее чем в 1.1 раза от ширины полосковых проводников других резонаторов. Это может быть любой из резонаторов - крайний или в середине, либо часть из них, однако очевидно, что предпочтение следует отдать такой конфигурации, когда структура остается зеркально-симметричной относительно центральной плоскости, параллельной полосковым проводникам резонаторов. В противном случае возникнут трудности с настройкой фильтра.The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that in a band-pass filter containing a dielectric substrate, on one side of which are strip conductors shorted from one end, and on the second side there are also strip conductors shorted from one end, forming each of the filter cavities, located on different surfaces of the substrate and shorted by opposite ends, the new thing is that the width of the strip conductors forming Ator, at least one of them is different in at least 1.1 times the width of the strip conductors of other resonators. It can be any of the resonators - the extreme one or in the middle, or part of them, however, it is obvious that preference should be given to such a configuration when the structure remains mirror-symmetric with respect to the central plane parallel to the strip conductors of the resonators. Otherwise, it will be difficult to configure the filter.

Отличие заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключается в том, что ширина полосковых проводников хотя бы одного из резонаторов отличается не менее чем в 1.1 раза от ширины полосковых проводников других резонаторов. Это отличие позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признак, отличающий заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлен в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивает заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».The difference of the claimed device from the closest analogue is that the width of the strip conductors of at least one of the resonators differs no less than 1.1 times from the width of the strip conductors of other resonators. This difference allows us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty." The feature that distinguishes the claimed technical solution from the prototype is not identified in other technical solutions when studying this and related areas of technology and, therefore, provides the claimed solution with the criterion of "inventive step".

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображена конструкция заявляемого фильтра на примере четырехрезонаторного устройства (Фиг. 1), частотные зависимости коэффициента передачи в области второй (паразитной) полосы пропускания, построенные по результатам моделирования (Фиг. 2), и амплитудно-частотная характеристика конкретной реализации заявляемой конструкции фильтра (Фиг. 3).The invention is illustrated by drawings, which depict the design of the inventive filter on the example of a four-cavity device (Fig. 1), frequency dependences of the transmission coefficient in the region of the second (spurious) bandwidth, constructed according to the simulation results (Fig. 2), and the frequency response of a particular implementation the claimed filter design (Fig. 3).

Заявляемый фильтр состоит из диэлектрической подложки 1 (Фиг. 1), на обе поверхности которой нанесены полосковые проводники резонаторов 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Причем проводники, образующие каждый из резонаторов, т.е. пары 2-6, 3-7, 4-8, 5-9, короткозамкнуты на противоположных краях подложки. При этом полосковые проводники, образующие (в данном случае) два средних резонатора, имеют большую ширину, чем полосковые проводники крайних резонаторов. Монтаж подложки фильтра в металлический корпус аналогичен ее монтажу в фильтре-прототипе.The inventive filter consists of a dielectric substrate 1 (Fig. 1), on both surfaces of which are applied strip conductors of resonators 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Moreover, the conductors forming each of the resonators, i.e. pairs 2-6, 3-7, 4-8, 5-9 are short-circuited at opposite edges of the substrate. In this case, the strip conductors forming (in this case) two middle resonators have a wider width than the strip conductors of the extreme resonators. The installation of the filter substrate in a metal housing is similar to its installation in the prototype filter.

Как известно [Лексиков А.А., Сухин Ф.Г. «Полосковый резонатор на подвешенной подложке» // Материалы VIII международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Т. 4. Новосибирск. 2006. С. 143-145.], отношение частоты второй моды собственных колебаний полоскового резонатора на подвешенной подложке к частоте первой моды растет с увеличением ширины полосковых проводников, образующих резонатор. Поэтому, если в фильтре на подвешенной подложке разные резонаторы выполнены полосковыми проводниками разной ширины, то при настройке резонансов первых мод на одну частоту при формировании полосы пропускания, частоты вторых мод в таких резонаторах будут сильно различаться, при этом также упадет взаимодействие резонаторов на этих частотах. Это приведет к тому, что они не сформируют единой полосы пропускания, и уровень прохождения на этих частотах понизится до -30 дБ и менее, и полоса заграждения расширится до частот, соответствующих третьей моде собственных колебаний резонаторов. Исследования показали, что таким способом можно расширить высокочастотную полосу заграждения фильтров такой конструкции как минимум до 11×f₀ при уровне подавления гармоник не менее чем на 50 дБ.As you know [Lexikov A.A., Sukhin F.G. “Strip resonator on a suspended substrate” // Materials of the VIII international conference “Actual problems of electronic instrumentation”. T. 4. Novosibirsk. 2006. P. 143-145.], The ratio of the frequency of the second mode of natural vibrations of the strip resonator on the suspended substrate to the frequency of the first mode increases with increasing width of the strip conductors forming the resonator. Therefore, if different resonators in the filter on a suspended substrate are made of strip conductors of different widths, then when tuning the resonances of the first modes to one frequency during the formation of the passband, the frequencies of the second modes in such resonators will vary greatly, and the interaction of the resonators at these frequencies will also drop. This will lead to the fact that they will not form a single passband, and the transmission level at these frequencies will drop to -30 dB or less, and the obstacle band will expand to frequencies corresponding to the third mode of natural resonator vibrations. Studies have shown that in this way it is possible to expand the high-frequency barrier band of filters of this design to at least 11 × f ₀ with a harmonic suppression level of at least 50 dB.

На Фиг. 2 приведены частотные зависимости коэффициента передачи трехрезонаторных фильтров в области частот, соответствующей второй моде колебаний, построенные по результатам моделирования для нескольких значений ширины полосковых проводников, образующих средний резонатор. Моделирование выполнялось на одномерных моделях с использованием квазистатического приближения. Центральная частота ширины полосы пропускания всех фильтров f₀=1 ГГц, а ее ширина по уровню -3 дБ Δf=100 МГц. Штрихованная линия соответствует фильтру, у которого все резонаторы имели одинаковую ширину образующих их полосковых проводников - 4 мм; сплошная тонкая линия соответствует фильтру, у которого средний резонатор выполнен полосковыми проводниками шириной 4.4 мм, а сплошная жирная линия - фильтру с шириной полосковых проводников среднего резонатора 5.8 мм. Видно, что у фильтра с одинаковой шириной полосковых проводников всех резонаторов вторые моды образуют паразитную полосу пропускания (штрихованная линия), в которой прохождение СВЧ-мощности достигает уровня почти -15 дБ и которая ограничивает ширину полосы заграждения до частоты, ненамного превышающей 5×f₀. При увеличении ширины полосковых проводников среднего резонатора до 4.4 мм (в 1.1 раза) уровень прохождения на частотах вторых мод падает - максимум коэффициента передачи в этой полосе ненамного превышает -30 дБ (сплошная тонкая линия). Дальнейшее увеличение ширины полосковых проводников этого резонатора еще более увеличивает этот эффект - жирная линия.In FIG. Figure 2 shows the frequency dependences of the transmission coefficient of three-cavity filters in the frequency region corresponding to the second mode of oscillation, constructed from simulation results for several values of the width of the strip conductors forming the middle resonator. Modeling was performed on one-dimensional models using the quasistatic approximation. The center frequency of the bandwidth of all filters is f ₀ = 1 GHz, and its width at the level of -3 dB is Δf = 100 MHz. The dashed line corresponds to a filter in which all the resonators had the same width of the strip conductors forming them - 4 mm; the solid thin line corresponds to the filter, in which the middle resonator is made of strip conductors 4.4 mm wide, and the solid bold line corresponds to the filter with the width of strip conductors of the middle resonator 5.8 mm. It can be seen that for a filter with the same width of strip conductors of all resonators, the second modes form a parasitic passband (dashed line), in which the passage of microwave power reaches a level of almost -15 dB and which limits the bandwidth of the obstacle to a frequency slightly exceeding 5 × f ₀ . With an increase in the width of the strip conductors of the middle cavity to 4.4 mm (1.1 times), the transmission level at the frequencies of the second modes decreases - the maximum transmission coefficient in this band slightly exceeds -30 dB (solid thin line). A further increase in the width of the strip conductors of this resonator further increases this effect - the thick line.

Тот же эффект можно получить, если проводники среднего резонатора не уширить, а сузить. То же самое достигается, если изменить ширину не среднего резонатора, а крайнего. Однако это не очень удобно, т.к. в этом случае усложняется настройка фильтра.The same effect can be obtained if the conductors of the middle resonator are not broadened, but narrowed. The same is achieved if the width of the extreme cavity is not changed. However, this is not very convenient, because in this case, the filter setting becomes more complicated.

В четырехрезонаторном фильтре наилучшего результата можно добиться, если увеличить ширину полосковых проводников, образующих пару средних резонаторов.In a four-cavity filter, the best result can be achieved by increasing the width of the strip conductors forming a pair of medium resonators.

Исследования показали, что чем больше число резонаторов в фильтре, тем большего подавления паразитной полосы пропускания можно достичь при использовании такого способа.Studies have shown that the larger the number of resonators in the filter, the greater the suppression of spurious passband can be achieved using this method.

Используемая в моделировании подложка имела диэлектрическую проницаемость ε=5.8 и толщину 0.25 мм.The substrate used in the simulation had a permittivity ε = 5.8 and a thickness of 0.25 mm.

Фильтр работает следующим образом.The filter works as follows.

Входная и выходная линии передачи подключаются к проводникам внешних резонаторов, например, кондуктивно в точках, определяемых заданным уровнем отражений в полосе пропускания. Сигналы на частотах, попадающих в полосу пропускания, с минимальными потерями проходят с входа фильтра на выход, а на частотах вне полосы пропускания - отражаются от входа фильтра.The input and output transmission lines are connected to the conductors of external resonators, for example, conductively at points determined by a given level of reflection in the passband. Signals at frequencies falling into the passband pass from the input of the filter to the output with minimal losses, and at frequencies outside the passband they are reflected from the input of the filter.

На Фиг. 3 приведена АЧХ четырехзвенного фильтра, изготовленного на подвешенной подложке толщиной 0.25 мм из материала с ε=5.8 и tgδ=0.0015. Подложка фильтра смонтирована в латунном корпусе с внутренними размерами 33.4×8.4×6.25 мм³, ширина полосковых проводников крайних резонаторов 4 мм, средних 5.8 мм, при их длине 7.8 мм и 7.16 мм соответственно. Расстояние между средними резонаторами 3 мм, а между средними и крайними - 2.8 мм. Расстояния между подложкой фильтра и крышками корпуса 3 мм. Подключение внешних линий кондуктивное к полосковым проводникам крайних резонаторам в точках, отстоящих на расстоянии 3.7 мм от заземленных концов. Этот фильтр, настроенный на центральную частоту f₀=1.42 ГГц с шириной полосы пропускания по уровню -3 дБ Δf=143 МГц, имел минимальный уровень потерь в полосе пропускания 1.2 дБ. Наблюдаемые в диапазоне частот 8…10 ГГц два экстремума прохождения СВЧ-мощности сформированы вторыми модами собственных колебаний резонаторов, а их уровень не превышает -75 дБ. Это привело к более чем двукратному расширению полосы заграждения по сравнению с фильтром-прототипом.In FIG. Figure 3 shows the frequency response of a four-link filter made on a suspended substrate 0.25 mm thick from a material with ε = 5.8 and tanδ = 0.0015. The filter substrate is mounted in a brass body with an internal size of 33.4 × 8.4 × 6.25 mm ³ , the width of the strip conductors of the extreme resonators is 4 mm, average 5.8 mm, with their lengths of 7.8 mm and 7.16 mm, respectively. The distance between the middle cavities is 3 mm, and between the middle and extreme cavities - 2.8 mm. The distance between the filter substrate and the housing covers is 3 mm. Conducted external lines are connected to the strip conductors of the extreme resonators at points separated by a distance of 3.7 mm from the grounded ends. This filter, tuned to the center frequency f ₀ = 1.42 GHz with a bandwidth of -3 dB Δf = 143 MHz, had a minimum loss in the passband of 1.2 dB. Two extrema of passage of microwave power observed in the frequency range of 8 ... 10 GHz are formed by the second modes of resonator eigenoscillations, and their level does not exceed -75 dB. This led to more than twofold expansion of the fence strip compared to the prototype filter.

Claims

A harmonic band-pass filter containing a dielectric substrate, on one side of which are strip conductors shorted from one end, and strip-side conductors shorted from one end are also applied to the second side, and the conductors forming each of the filter resonators are located on different surfaces of the substrate and shorted at opposite ends, characterized in that the width of the strip conductors forming the resonators, at least one of them differs no less than 1.1 times from the width of the strip wires sources of other resonators.