RU2708342C1

RU2708342C1 - Highly selective low pass filter

Info

Publication number: RU2708342C1
Application number: RU2019110183A
Authority: RU
Inventors: Борис Афанасьевич Беляев; Алексей Михайлович Сержантов; Александр Александрович Лексиков; Дмитрий Дмитриевич Дмитриев; Ярослав Федорович Бальва; Андрей Александрович Лексиков; Максим Олегович Савишников; Андрей Витальевич Угрюмов; Иван Валерьевич Подшивалов
Priority date: 2019-04-05
Filing date: 2019-04-05
Publication date: 2019-12-05

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to superhigh-frequency equipment and is intended for frequency selection of signals. In cascade connection of narrow and wide sections of strip line wide central section is closed by means of a piece of strip line with narrow conductor in central part of strip structure on upper side of substrate, wherein the regular conductor located on the lower side of the substrate, which is located under the wide section, is closed to the body only at one end.

EFFECT: high selectivity and reduced size of a low-pass filter.

1 cl, 3 dwg

Description

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

Известен микрополосковый фильтр нижних частот [Патент РФ №2677103, МПК7 Н01Р 1/203, опубл. 15.01.2019, Бюл. №2], содержащий подложку с одной стороны которой выполнен металлический экран, а на противоположной стороне подложки расположен свернутый в форме меандра нерегулярный полосковый проводник, широкие и узкие отрезки которого, являющиеся микрополосковыми резонаторами, соединены друг с другом каскадно, образуя пять параллельных рядов, причем в смежных рядах широкие отрезки расположены напротив узких. Недостатками такого фильтра являются сравнительно большая площадь подложки и неширокая полоса заграждения, не превышающая одной октавы по отношению к граничной частоте полосы пропускания.Known microstrip low-pass filter [RF Patent No. 2677103, IPC7 Н01Р 1/203, publ. 01/15/2019, Bull. No. 2], containing a substrate on one side of which a metal screen is made, and on the opposite side of the substrate there is an irregular strip conductor folded in the shape of a meander, the wide and narrow segments of which are microstrip resonators, cascaded to each other, forming five parallel rows, and in adjacent rows, wide segments are located opposite narrow ones. The disadvantages of such a filter are a relatively large area of the substrate and a narrow bandwidth of the barrier, not exceeding one octave with respect to the cutoff frequency of the passband.

Наиболее близким аналогом является фильтр нижних частот [W. Menzel, A. Balalem Quasi-Lumped Suspended Stripline Filters and Diplexers // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, Vol. 53, No. 10, October 2005, P. 3230-3237 (Прототип)]. Фильтр содержит подвешенную в металлическом корпусе диэлектрическую подложку, на верхней стороне которой расположен нерегулярный полосковый проводник, широкие и узкие отрезки которого соединены друг с другом каскадно. На нижней стороне подложки под широкими участками нерегулярного проводника расположены регулярные полосковые проводники, замкнутые с двух противоположных сторон на корпус. По сравнению с первым аналогом такая конструкция фильтра нижних частот имеет меньшие габариты и более протяженную полосу заграждения, которая превышает октаву. Недостатками такой конструкции являются невысокая селективность, связанная с отсутствием близкорасположенных к полосе пропускания нулей коэффициента передачи, и относительно большие размеры на частотах дециметрового диапазона длин волн.The closest analogue is a low-pass filter [W. Menzel, A. Balalem Quasi-Lumped Suspended Stripline Filters and Diplexers // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, Vol. 53, No. 10, October 2005, P. 3230-3237 (Prototype)]. The filter contains a dielectric substrate suspended in a metal housing, on the upper side of which there is an irregular strip conductor, the wide and narrow segments of which are connected in cascade to each other. On the underside of the substrate, under the wide sections of the irregular conductor, there are regular strip conductors that are closed on two opposite sides to the housing. Compared to the first analogue, such a low-pass filter design has smaller dimensions and a longer fence band that exceeds an octave. The disadvantages of this design are the low selectivity associated with the absence of transmission coefficients close to the passband and relatively large sizes at the frequencies of the decimeter wavelength range.

Техническим результатом изобретения является увеличение селективности и уменьшение размеров полоскового фильтра нижних частот.The technical result of the invention is to increase the selectivity and reduce the size of the strip low-pass filter.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом фильтре нижних частот, содержащем подвешенную в металлическом корпусе диэлектрическую подложку, на верхней стороне которой расположен нерегулярный полосковый проводник, образованный каскадным соединением узких и широких отрезков полосковой линии, а на нижней стороне под широкими участками нерегулярного проводника расположены регулярные полосковые проводники, замкнутые с противоположных сторон на корпус, новым является то, что широкий центральный отрезок замкнут с помощью отрезка полосковой линии с узким проводником в центральной части полосковой структуры на верхней стороне подложки, причем расположенный под широким отрезком регулярный проводник на нижней стороне подложки замкнут на корпус, только с одного конца.The specified technical result is achieved by the fact that in the inventive low-pass filter containing a dielectric substrate suspended in a metal housing, on the upper side of which there is an irregular strip conductor formed by a cascade connection of narrow and wide segments of the strip line, and on the lower side under the wide sections of the irregular conductor regular strip conductors, closed on opposite sides to the housing, new is that a wide central segment is closed with n power interval with a narrow strip line conductor in the central portion of the strip structure on the upper side of the substrate, and located under the wide conductor regular interval on the lower side of the substrate to the housing is closed, at one end only.

Отличие заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключается в том, что центральный широкий участок нерегулярного полоскового проводника подключен к узким проводникам на верхней стороне подложки с помощью отрезка полосковой линии, а расположенный под этим широким участком на нижней стороне подложки регулярный проводник замкнут на корпус, только с одной стороны.The difference between the claimed device and the closest analogue is that the central wide section of the irregular strip conductor is connected to narrow conductors on the upper side of the substrate using a strip of line, and the regular conductor located under this wide section on the lower side of the substrate is closed to the housing, only with one side.

Сущность изобретения поясняется рисунками:The invention is illustrated by drawings:

На фиг. 1. изображена топология проводников заявляемого фильтра.In FIG. 1. shows the topology of the conductors of the inventive filter.

На фиг. 2 изображена эквивалентная схема заявляемого фильтра.In FIG. 2 shows an equivalent circuit of the inventive filter.

На фиг. 3 изображены рассчитанные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) фильтра нижних частот заявляемой конструкции (сплошная линия 1) и фильтра-прототипа (штрихи 2).In FIG. 3 shows the calculated amplitude-frequency characteristics (AFC) of the low-pass filter of the claimed design (solid line 1) and the prototype filter (strokes 2).

Заявляемый полосно-пропускающий фильтр (фиг. 1) содержит подвешенную в металлическом корпусе 1 диэлектрическую подложку 2, на верхней стороне которой расположен нерегулярный полосковый проводник, образованный каскадным соединением узких 3 и широких 4 отрезков полосковой линии. На нижней стороне подложки под широкими участками 4 нерегулярного проводника расположены регулярные полосковые проводники 5, замкнутые с противоположных сторон на корпус. Центральный широкий отрезок 6 замкнут с помощью отрезка полосковой линии 7 с узким проводником в центральной части полосковой структуры на верхней стороне подложки, причем расположенный под широким отрезком 6 регулярный проводник 8 на нижней стороне подложки замкнут на корпус, только с одного конца. Входная и выходная линии передачи подключены к наружным концам нерегулярного проводника.The inventive band-pass filter (Fig. 1) contains a dielectric substrate 2 suspended in a metal housing 1, on the upper side of which an irregular strip conductor is formed, formed by a cascade connection of narrow 3 and wide 4 segments of the strip line. On the underside of the substrate, under the wide sections 4 of the irregular conductor, there are regular strip conductors 5 closed on opposite sides to the housing. The central wide segment 6 is closed using a segment of the strip line 7 with a narrow conductor in the central part of the strip structure on the upper side of the substrate, and the regular conductor 8 located on the lower side of the substrate located under the wide segment 6 is closed to the housing, only at one end. The input and output transmission lines are connected to the outer ends of the irregular conductor.

Заявляемый фильтр нижних частот работает следующим образом. Входная и выходная линии передачи подключаются к разомкнутым концам нерегулярного проводника как показано на фиг. 1, причем различие ширин регулярных отрезков нерегулярного проводника определяется заданным минимальным уровнем отражений в полосе пропускания фильтра нижних частот. Сигналы, частоты которых попадают в полосу пропускания, проходят на выход фильтра с минимальными потерями, в то время как на частотах выше полосы пропускания происходит отражение сигналов от входа устройства.The inventive low-pass filter operates as follows. The input and output transmission lines are connected to the open ends of the irregular conductor as shown in FIG. 1, and the difference in the widths of the regular segments of the irregular conductor is determined by the specified minimum level of reflections in the passband of the low-pass filter. Signals whose frequencies fall into the passband pass to the filter output with minimal loss, while at frequencies above the passband, signals from the input of the device are reflected.

Заявляемый фильтр нижних частот состоит из квазисосредоточенных элементов (фиг. 1), которые образованы узкими 3 и 7 (индуктивности) и широкими 4, 5 и 6, 8 (емкости) отрезками полосковых линий передачи. На фиг. 2 изображена эквивалентная схема заявляемого фильтра, которая в отличие от фильтра-прототипа включает в себя параллельно включенный режектирующий контур в центральной части схемы. Величина элементов режектрующего контура определяется геометрическими размерами соответствующих элементов полосковой структуры, что позволяет их правильным выбором сформировать нуль коэффициента передачи вблизи края полосы пропускания. Кроме того, индуктивность режектирующего контура, величина которой определяется длиной и шириной отрезка полосковой линии 7 (фиг. 1), дополнительно уменьшает размеры заявляемого фильтра по сравнению с фильтром-прототипом при прочих равных условиях.The inventive low-pass filter consists of quasi-concentrated elements (Fig. 1), which are formed by narrow 3 and 7 (inductance) and wide 4, 5 and 6, 8 (capacitance) segments of strip transmission lines. In FIG. 2 shows an equivalent circuit of the inventive filter, which, unlike the prototype filter, includes a parallel-connected notch circuit in the central part of the circuit. The magnitude of the elements of the cutting circuit is determined by the geometric dimensions of the corresponding elements of the strip structure, which allows them to be correctly selected to form a zero transmission coefficient near the edge of the passband. In addition, the inductance of the notch circuit, the value of which is determined by the length and width of the segment of the strip line 7 (Fig. 1), further reduces the size of the inventive filter compared to the filter prototype, ceteris paribus.

На фиг. 3 представлены амплитудно-частотные характеристики фильтра заявляемой конструкции (сплошная линия 1) и фильтра-прототипа (штрихи 2), синтезированных с помощью программы электродинамического анализа 3D-моделей. Граничная частота полосы пропускания фильтров (частота среза) по уровню - 3дБ была одинакова и составляет ƒ_c=2 ГГц. АЧХ этих фильтров получены при следующих конструктивных параметрах: относительная диэлектрическая проницаемость подложки ε=9.8; толщина подложки 0.5 мм; расстояние от экранов до поверхности подложки 5 мм; ширина полосковых проводников узких участков составила 0.125 мм, широких участков 2.25 мм. КСВН в полосе пропускания фильтров не более 1.5.In FIG. 3 shows the amplitude-frequency characteristics of the filter of the claimed design (solid line 1) and the filter prototype (strokes 2), synthesized using a program of electrodynamic analysis of 3D models. The cutoff frequency of the filter passband (cutoff frequency) at the level of –3dB was the same and amounted to ƒ _c = 2 GHz. The frequency response of these filters was obtained with the following design parameters: relative permittivity of the substrate ε = 9.8; substrate thickness 0.5 mm; the distance from the screens to the surface of the substrate 5 mm; the width of the strip conductors of narrow sections was 0.125 mm, of the wide sections 2.25 mm. VSWR in a passband of filters no more than 1.5.

Видно, что заявляемый фильтр имеет по сравнению с фильтром-прототипом при прочих равных условиях существенно более высокую крутизну склона АЧХ, которая обеспечивается наличием нуля коэффициента передачи вблизи полосы пропускания. Важной особенностью заявляемого фильтра является возможность подбором конструктивных параметров элементов 6 и 7 (см. фиг. 1) изменять частотное положение нуля коэффициента передачи при неизменных параметрах полосы пропускания, что может быть полезным при настройке фильтра на заданные требования по селективности устройства.It can be seen that the claimed filter has, compared to the prototype filter, ceteris paribus, a significantly higher slope of the frequency response, which is ensured by the presence of zero transmission coefficient near the passband. An important feature of the proposed filter is the ability to select the structural parameters of elements 6 and 7 (see Fig. 1) to change the frequency zero position of the transmission coefficient with constant bandwidth parameters, which can be useful when tuning the filter to specified requirements for the selectivity of the device.

Площадь подложки заявляемого полоскового фильтра нижних частот составила 6 мм × 25 мм = 150 мм², в то время как у фильтра-прототипа при прочих равных условиях она составила 6 мм × 27.5 мм = 165 мм², что на 10% больше и подтверждает заявляемый технический результат.The substrate area of the inventive strip low-pass filter was 6 mm × 25 mm = 150 mm ² , while the filter prototype, ceteris paribus, it was 6 mm × 27.5 mm = 165 mm ² , which is 10% more and confirms the claimed technical result.

Claims

Highly selective low-pass strip filter containing a dielectric substrate suspended in a metal housing, on the upper side of which an irregular strip conductor is formed, formed by cascade connection of narrow and wide segments of the strip line, and on the lower side under the wide sections of the irregular conductor are regular strip conductors closed from opposite sides to the housing, characterized in that the wide Central segment is closed using a piece of a strip line with a narrow m conductor in the Central part of the strip structure on the upper side of the substrate, and located under a wide segment of the regular conductor on the lower side of the substrate is closed to the housing from only one end.