RU2400874C1

RU2400874C1 - Strip-line filter

Info

Publication number: RU2400874C1
Application number: RU2009101733/09A
Authority: RU
Inventors: Борис Афанасьевич Беляев (RU); Борис Афанасьевич Беляев; Ярослав Федорович Бальва (RU); Ярослав Федорович Бальва; Александр Александрович Лексиков (RU); Александр Александрович Лексиков; Алексей Михайлович Сержантов (RU); Алексей Михайлович Сержантов; Федор Геннадьевич Сухин (RU); Федор Геннадьевич Сухин
Original assignee: Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2010-09-27
Also published as: RU2009101733A

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: in strip-line filter containing insulating substrate suspended between screens and to both surfaces of which there applied are strip-line conductors of resonators, which are short-circuited on one side, between strip-line conductors of resonators on both sides of substrate opposite each other there arranged are additional strip-line conductors short-circuited to the screen on both ends.

EFFECT: decreasing overall dimensions and improving frequency and selective properties of narrow-band filter.

6 dwg

Description

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и предназначено для частотной селекции сигналов, например, в приемопередающих системах связи, радиолокации и радионавигации.The invention relates to techniques for microwave frequencies and is intended for frequency selection of signals, for example, in transceiver communication systems, radar and radio navigation.

Известна конструкция полосно-пропускающего фильтра [А.с. №886106, кл. Н01Р 1/205, БИ №44, 30.11.81], который содержит диэлектрическую подложку, металлизированную с одной стороны, на другой стороне которой размещены полосковые проводники, закороченные с одного конца. Благодаря тому что в такой конструкции полосковые проводники, образующие резонаторы фильтра, закорочены смежными концами, коэффициенты индуктивного и емкостного взаимодействия резонаторов вычитаются друг из друга, причем они близки по величине. Поэтому полный коэффициент связи, которому пропорциональна ширина полосы пропускания, может быть мал, даже при небольших расстояниях между резонаторами. Реализация узкополосных фильтров на основе такой конструкции не требует существенного увеличения расстояний между резонаторами, а следовательно, увеличения площади подложки.The known design of a bandpass filter [A.S. No. 886106, cl. H01P 1/205, BI No. 44, 30.11.81], which contains a dielectric substrate metallized on one side, on the other side of which are strip conductors shorted at one end. Due to the fact that in this design the strip conductors forming the filter resonators are shorted at adjacent ends, the coefficients of the inductive and capacitive interaction of the resonators are subtracted from each other, and they are close in magnitude. Therefore, the total coupling coefficient, to which the bandwidth is proportional, can be small, even at small distances between the resonators. The implementation of narrow-band filters based on this design does not require a significant increase in the distance between the resonators, and therefore, an increase in the area of the substrate.

Недостатком такой конструкции является то, что ее применение на частотах менее 300 МГц затруднено вследствие того, что резонаторы не помещаются на подложки стандартных размеров. Кроме того, в метровом диапазоне длин волн добротность микрополосковых резонаторов, как правило, не превышает 100, что не позволяет создавать на их основе узкополосные фильтры с приемлемой величиной затухания СВЧ-мощности в полосе пропускания.The disadvantage of this design is that its use at frequencies less than 300 MHz is difficult due to the fact that the resonators do not fit on standard sized substrates. In addition, in the meter wavelength range, the quality factor of microstrip resonators, as a rule, does not exceed 100, which does not allow creating narrow-band filters with an acceptable attenuation of microwave power in the passband on their basis.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является полосно-пропускающий фильтр [Патент РФ №2237320, МПК7 Н01Р 1/203, опубл. 27.09.2004, Бюл. №27 (Прототип)]. 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 первым аналогом, 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.The closest in combination of essential features analogue is a band-pass filter [RF Patent No. 2237320, IPC7 Н01Р 1/203, publ. 09/27/2004, Bull. No. 27 (Prototype)]. The filter contains a suspended dielectric substrate, on one side of which strip conductors are applied short-circuited to the screen from one end of the substrate, and strip conductors, short-circuited on the screen from the other end of the substrate, are applied to the second side of the substrate. A filter of this design has a significantly shorter length of strip conductors compared to the first counterpart, and therefore smaller substrate sizes. This allows you to design bandpass filters at lower frequencies. In addition, the quality factor of the resonators is significantly greater than that of microstrip resonators.

Недостатком конструкции является тот факт, что коэффициенты индуктивного и емкостного взаимодействия в ней складываются, поэтому при реализации устройства с узкой полосой пропускания приходится значительно увеличивать расстояния между резонаторами, а тем самым и размеры фильтра, вследствие чего вышеуказанное преимущество значительно утрачивается, особенно в многозвенных конструкциях. Кроме того, в узкополосном фильтре такой конструкции полюса затухания либо отсутствуют, либо находятся относительно далеко от полосы пропускания, поэтому крутизна склонов полосы пропускания устройства (селективность) сравнительно невелика.The design flaw is the fact that the inductive and capacitive coupling coefficients add up, therefore, when implementing a device with a narrow passband, it is necessary to significantly increase the distance between the resonators, and thereby the filter dimensions, as a result of which the above advantage is significantly lost, especially in multi-link structures. In addition, in a narrow-band filter of this design, the attenuation poles are either absent or relatively far from the passband, therefore, the slope of the slope of the passband of the device (selectivity) is relatively small.

Техническим результатом изобретения является уменьшение размеров и улучшение частотно-селективных свойств фильтра.The technical result of the invention is to reduce the size and improve the frequency-selective properties of the filter.

Указанный технический результат достигается тем, что в полосковый фильтр, содержащий подвешенную между экранами диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесены короткозамкнутые на экран с одного торца подложки полосковые проводники, а на вторую сторону подложки также нанесены короткозамкнутые на экран с другого торца подложки полосковые проводники, причем пары проводников, расположенных на разных поверхностях подложки, образуют резонаторы, новым является то, что между полосковыми проводниками резонаторов с обеих сторон подложки напротив друг друга размещены дополнительные полосковые проводники, короткозамкнутые на экран с обоих концов.The specified technical result is achieved by the fact that in a strip filter containing a dielectric substrate suspended between the screens, on one side of which strip conductors are short-circuited on the screen from one end of the substrate, and strip conductors are short-circuited on the screen from the other end of the substrate, moreover, pairs of conductors located on different surfaces of the substrate form resonators, new is that between the strip conductors of the resonators on both sides n dlozhki opposite each other are placed additional strip conductors, short-circuited on the screen at both ends.

Отличие заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключается в том, что между проводниками резонаторов с обеих сторон подложки напротив друг друга размещены дополнительные полосковые проводники, короткозамкнутые на экран с обоих концов. Это отличие позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».The difference of the claimed device from the closest analogue is that between the conductors of the resonators on both sides of the substrate opposite each other placed additional strip conductors, short-circuited on the screen at both ends. This difference allows us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty." Signs that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions when studying this and related areas of technology and, therefore, provide the claimed solution with the criterion of "inventive step".

Изобретение поясняется чертежами: Фиг.1 - конструкция конкретной реализации заявляемого полоскового фильтра на подвешенной диэлектрической подложке; Фиг.2 - зависимость коэффициента связи пары резонаторов от расстояния между их полосковыми проводниками в заявляемом фильтре (сплошные линии) и фильтре-прототипе (штриховая линия); Фиг.3 - расчетные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) заявляемого фильтра (сплошная линия) и фильтра-прототипа (штриховая линия); Фиг.4 - возможный вариант реализации заявляемого полоскового фильтра на подвешенной диэлектрической подложке, имеющий улучшенные селективные свойства; Фиг.5 - АЧХ фильтра, изображенного на Фиг.4, при различных способах подключения к внешним линиям передачи; Фиг.6 - АЧХ прямых потерь двухзвенного полосно-пропускающего фильтра заявляемой конструкции.The invention is illustrated by drawings: Figure 1 - design of a specific implementation of the inventive strip filter on a suspended dielectric substrate; Figure 2 - dependence of the coupling coefficient of a pair of resonators on the distance between their strip conductors in the inventive filter (solid lines) and the prototype filter (dashed line); Figure 3 - calculated amplitude-frequency characteristics (AFC) of the claimed filter (solid line) and the filter prototype (dashed line); Figure 4 - a possible implementation of the inventive strip filter on a suspended dielectric substrate having improved selective properties; Figure 5 - AFC of the filter depicted in Figure 4, with various methods of connecting to external transmission lines; 6 - Frequency response of direct losses of a two-link bandpass filter of the claimed design.

Заявляемое устройство (Фиг.1) содержит диэлектрическую подложку 1, подвешенную между двумя экранами (для простоты не показаны), на обе поверхности которой нанесены полосковые металлические проводники 2, соединенные с экраном и электромагнитно связанные между собой. 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, причем проводники, образующие резонатор, соединяются с экраном на противоположных сторонах подложки. Между проводниками резонаторов с обеих сторон подложки выполнены дополнительные проводники 3, короткозамкнутые на экран с обоих концов. Дополнительные проводники также могут быть прямоугольными, идентичными по форме и располагаться строго друг над другом.The inventive device (Figure 1) contains a dielectric substrate 1 suspended between two screens (for simplicity, not shown), on both surfaces of which are applied strip metal conductors 2 connected to the screen and electromagnetically coupled to each other. 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, and the conductors forming the resonator are connected to the screen on opposite sides of the substrate. Between the conductors of the resonators on both sides of the substrate, additional conductors 3 are made, short-circuited to the screen at both ends. Additional conductors can also be rectangular, identical in shape and located strictly on top of each other.

Как известно, относительная ширина полосы пропускания фильтра пропорциональна коэффициенту связи их резонаторов. В предлагаемой конструкции полоскового фильтра величина коэффициента связи резонаторов на резонансных частотах оказывается существенно меньшей по сравнению с прототипом при прочих равных условиях. Этот факт доказывается сравнением зависимостей (Фиг.2) коэффициента связи k пары резонаторов от расстояния S между их полосковыми проводниками в фильтре заявляемой конструкции (линии 2, 3, 4) и в фильтре-прототипе (штриховая линия 1). Расчет сделан в квазистатическом приближении для следующих конструктивных параметров: диэлектрическая проницаемость подложки ε=80, толщина подложки 1 мм, расстояние от поверхности подложки до экрана 4 мм, ширина полосковых проводников резонаторов 2 мм. При этом для фильтра заявляемой конструкции приведенные зависимости рассчитаны для трех разных значений ширины дополнительных полосковых проводников (2 - 0.5 мм, 3 - 1 мм и 4 - 2 мм). Видно, что в фильтре заявляемой конструкции взаимодействие между резонаторами существенно меньше по сравнению с фильтром-прототипом при одних и тех же расстояниях S между проводниками резонаторов. Следовательно, расстояние между резонаторами в узкополосном фильтре заявляемой конструкции будет в несколько раз меньшим по сравнению с фильтром прототипом, а значит, меньшими будут размеры требуемой подложки и самого фильтра. Малая величина коэффициента связи резонаторов заявляемого фильтра объясняется тем, что взаимодействие резонаторов значительно ослабляется за счет экранирующего действия дополнительных полосковых проводников.As is known, the relative filter bandwidth is proportional to the coupling coefficient of their resonators. In the proposed design of the strip filter, the magnitude of the coupling coefficient of the resonators at the resonant frequencies is significantly lower compared to the prototype, ceteris paribus. This fact is proved by comparing the dependences (Figure 2) of the coupling coefficient k of the pair of resonators on the distance S between their strip conductors in the filter of the claimed design (lines 2, 3, 4) and in the prototype filter (dashed line 1). The calculation was made in the quasistatic approximation for the following design parameters: dielectric constant of the substrate ε = 80, thickness of the substrate 1 mm, distance from the surface of the substrate to the screen 4 mm, width of the strip conductors of the resonators 2 mm. Moreover, for the filter of the claimed design, the above dependences are calculated for three different widths of additional strip conductors (2 - 0.5 mm, 3 - 1 mm and 4 - 2 mm). It can be seen that in the filter of the claimed design, the interaction between the resonators is significantly less compared to the filter prototype at the same distances S between the conductors of the resonators. Therefore, the distance between the resonators in the narrow-band filter of the claimed design will be several times smaller than the prototype filter, and therefore, the dimensions of the required substrate and the filter itself will be smaller. The small value of the coupling coefficient of the resonators of the inventive filter is due to the fact that the interaction of the resonators is significantly weakened due to the shielding effect of additional strip conductors.

На Фиг.3 приведены расчетные АЧХ двухрезонаторного фильтра заявляемой конструкции (сплошная линия) и двухрезонаторного фильтра-прототипа (штриховая линия). Оба фильтра имели одинаковые конструктивные параметры: диэлектрическая проницаемость подложки ε=80, площадь подложки 21×7.5 мм², ее толщина 1 мм, расстояние от поверхности подложки до экрана 4 мм, расстояние между резонаторами S=3.5 мм, ширина полосковых проводников 2 мм. Фильтры настроены на центральную частоту полосы пропускания f₀=300 МГц. Видно, что относительная ширина полосы пропускания Δf/f₀, измеренная по уровню - 3 дБ, у рассматриваемых фильтров существенно разная. Так, для фильтра-прототипа она составляет 20%, а для фильтра заявляемой конструкции всего 2%. Для получения такой же узкой полосы пропускания в фильтре-прототипе необходимо увеличить расстояние S между резонаторами до 9.5 мм. В этом случае площадь подложки фильтра-прототипа составит уже 21×13.5 мм², что почти в два раза больше, чем у заявляемого. В случае когда число резонаторов будет больше двух, указанное преимущество проявится еще значительней. Важно отметить, что при подключении внешних линий к полосковым проводникам, расположенным на разных поверхностях подложки, на АЧХ вблизи полосы пропускания появляются полюса затухания, значительно улучшающие селективные свойства фильтра.Figure 3 shows the calculated frequency response of a two-cavity filter of the claimed design (solid line) and a two-cavity filter prototype (dashed line). Both filters had the same design parameters: the dielectric constant of the substrate ε = 80, the area of the substrate 21 × 7.5 mm ² , its thickness 1 mm, the distance from the surface of the substrate to the screen 4 mm, the distance between the resonators S = 3.5 mm, the width of the strip conductors 2 mm. The filters are tuned to the center frequency of the passband f ₀ = 300 MHz. It can be seen that the relative bandwidth Δf / f ₀ , measured at a level of 3 dB, is significantly different for the filters under consideration. So, for the filter prototype, it is 20%, and for the filter of the claimed design, only 2%. To obtain the same narrow passband in the filter prototype, it is necessary to increase the distance S between the resonators to 9.5 mm. In this case, the substrate area of the filter prototype will be 21 × 13.5 mm ² , which is almost two times larger than that of the claimed. In the case when the number of resonators is more than two, this advantage will manifest itself even more significantly. It is important to note that when external lines are connected to strip conductors located on different surfaces of the substrate, attenuation poles appear on the frequency response near the passband, which significantly improve the selective filter properties.

Фильтр работает следующим образом. Входная и выходная линии передачи подключаются к проводникам резонаторов. 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.The filter works as follows. The input and output transmission lines are connected to the conductors of the resonators. 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 specified level of reflections in the filter passband. Signals whose frequencies fall into the passband pass to the filter output with minimal losses, while at frequencies outside the passband, signals from the input of the device are reflected.

Реализованный в заявляемом фильтре способ уменьшения размеров может быть применен и к другим конструкциям фильтров на подвешенной подложке, например, описанной в [Известия ВУЗов, сер. Физика, №9/2, 2008 г., стр.146-149]. На Фиг.4 изображена конструкция такого полоскового фильтра на подвешенной подложке с введенными дополнительными полосковыми проводниками между резонаторами. Данная конструкция допускает больше вариантов подключения внешних линий передачи к проводникам резонаторов и позволяет реализовать такой способ подключения, при котором нет замыкания входной и выходной линии передачи на землю по постоянному току. Это может быть важным в некоторых случаях, например при создании управляемых напряжением устройств. На Фиг.5 сплошной линией показана АЧХ такого фильтра для случая подключения внешних линий передачи согласно Фиг.4, а штриховой линией для случая подключения за верхние, незамкнутые на землю проводники резонаторов. Параметры конструкции при этом были следующие: диэлектрическая проницаемость подложки ε=80, толщина подложки 0.5 мм, расстояние от поверхности подложки до экрана 5 мм, расстояние между резонаторами S=4.5 мм. Ширина полосковых проводников резонаторов была 2 мм, а расположенных между ними дополнительных полосковых проводников 2.5 мм. Длина резонаторов была выбрана таким образом, чтобы фильтр поместился на подложку из керамики ТБНС стандартных размеров. Площадь положки, занимаемая фильтром, при этом составила 47×8.5 мм². При отсутствии дополнительных проводников для той же относительной ширины полосы пропускания площадь конструкции будет больше примерно в 2 раза, кроме того, в ней будут отсутствовать полюса затухания вблизи полосы пропускания.Implemented in the inventive filter, a method of reducing the size can be applied to other filter designs on a suspended substrate, for example, described in [Proceedings of the universities, ser. Physics, No. 9/2, 2008, pp. 146-149]. Figure 4 shows the design of such a strip filter on a suspended substrate with additional strip conductors inserted between the resonators. This design allows more options for connecting external transmission lines to the conductors of the resonators and allows you to implement a connection method in which there is no short circuit of the input and output transmission lines to the ground by direct current. This can be important in some cases, for example when creating voltage-controlled devices. In Fig. 5, the solid line shows the frequency response of such a filter for the case of connecting external transmission lines according to Fig. 4, and the dashed line for the case of connecting for the upper conductors of the resonators that are not connected to earth. The design parameters were as follows: dielectric constant of the substrate ε = 80, thickness of the substrate 0.5 mm, distance from the surface of the substrate to the screen 5 mm, distance between the resonators S = 4.5 mm. The width of the strip conductors of the resonators was 2 mm, and the additional strip conductors located between them were 2.5 mm. The length of the resonators was chosen so that the filter fits on a substrate made of TBNS ceramics of standard sizes. The area of the plate occupied by the filter was 47 × 8.5 mm ² . In the absence of additional conductors for the same relative bandwidth, the area of the structure will be about 2 times larger, in addition, there will be no attenuation poles near the bandwidth.

Таким образом, введение дополнительных, заземленных с двух концов, полосковых проводников между резонаторами позволяет не только значительно уменьшить размеры узкополосных фильтров на подвешенной подложке, но и сформировать на АЧХ полюса затухания вблизи полосы пропускания. Эти полюса затухания обеспечивают более высокую крутизну склонов по сравнению с обычными полосковыми и микрополосковыми фильтрами, при этом высокая симметрия частотного положения полюсов относительно центра полосы пропускания наблюдается практически при любых конструктивных параметрах фильтров.Thus, the introduction of additional, grounded at both ends, strip conductors between the resonators allows not only to significantly reduce the size of narrow-band filters on a suspended substrate, but also to form attenuation poles near the passband on the frequency response. These attenuation poles provide a higher slope steepness compared to conventional strip and microstrip filters, while high symmetry of the frequency position of the poles relative to the center of the passband is observed for almost any design parameters of the filters.

Claims

A strip filter containing a dielectric substrate suspended between the screens, on one side of which are strip conductors short-circuited on the screen from one end of the substrate, and strip conductors, short-circuited on the screen from the other end of the substrate, are applied to the second side of the substrate, and pairs of conductors located on different surfaces substrates, form resonators, characterized in that between the strip conductors of the resonators on both sides of the substrate opposite each other placed additional glossy conductors shorted to the screen at both ends.