Миниатюрный полосно-пропускающий СВЧ-фильтр со сверхглубоким уровнем подавления в широкой полосе заграждения

Развитие систем связи, радиолокации, радионавигации, специальной радиоаппаратуры требует улучшения характеристик частотно-селективных сверхвысокочастотных (СВЧ) устройств – полосно-пропускающих фильтров (ППФ). Основное внимание при создании новых конструкций фильтров разработчики уделяют увеличению их избирательности, уменьшению габаритов, технологичности в изготовлении и, конечно, стоимости. Известно, что традиционные СВЧ-фильтры полосно-пропускающие фильтры имеют паразитные «окна прозрачности» на резонансных частотах высших мод колебаний, поэтому у них сравнительно узкая высокочастотная полоса заграждения. Однако для современных систем связи и различной специальной радиоаппаратуры требуются миниатюрные планарные ППФ, обладающие не только широкой полосой заграждения (ПЗ), но и высоким уровнем подавления в ней. Наращивание числа звеньев в конструкции ППФ позволяет улучшить подавление помех в полосах заграждения, но приводит к неприемлемо большим потерям мощности полезного сигнала и значительному увеличению габаритов устройств.

Улучшить характеристики ПЗ удается построением планарных фильтров на подвешенной подложке с двухсторонним рисунком полосковых проводников [1]. Однако рекордно высокими характеристиками ПЗ отличаются фильтры на миниатюризованных коаксиальных резонаторах [2]. Например, в фильтре четвертого порядка на таких резонаторах полоса заграждения по уровню минус 90 дБ простирается до 47· f 0 [3, 4]. Но фильтры на таких резонаторах менее технологичны по сравнению с планарными конструкциями.

Одним из перспективных подходов к преодолению указанных выше проблем является применение многопроводниковых полосковых резонаторов. Фильтры на многопроводниковых полосковых резонаторах благодаря ряду достоинств по сравнению с традиционными однопроводниковыми резонаторами находят все большее применение в технике СВЧ [5-9]. Многопроводниковые резонаторы обладают рекордной миниатюрностью и добротностью даже в метровом диапазоне длин волн, причем их добротность растет, а размеры уменьшаются с увеличением числа проводников структуры и уменьшением толщины диэлектрических слоев [10]. В то же время систематических исследований частотно-селективных свойств фильтров на их основе не проводилось. В настоящей работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований селективных свойств ППФ на основе многопроводниковых полосковых резонаторов. Такие исследования очень важны с точки зрения как возможности достижения предельных характеристик, так и перспективности их применения в технике СВЧ.

Разработка миниатюрного полосно-пропускающего фильтра на основе многопроводниковых полосковых резонаторов

Полосковый многопроводниковый резонатор (рис. 1) содержит многослойную структуру, подвешенную между двумя экранами в металлическом корпусе. Структура состоит из поло- – 759 –

Рис. 1. Конструкция многопроводникового полоскового резонатора

Fig. 1. The design of multi-conductor strip resonator сковых металлических проводников, электромагнитно связанных между собой и разделенных тонкими диэлектрическими слоями. Проводники с нечетными номерами одним концом замкнуты на экран с одной стороны, а проводники с четными номерами замкнуты одним концом на экран с противоположной стороны.

В ходе исследований в программе электродинамического анализа были синтезированы ППФ-фильтры с числом резонаторов от двух до шести, амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) которых представлены на рис. 2. Все фильтры настраивались в программе электродинамического анализа на одинаковую центральную частоту f ₀ = 1 ГГц и относительную ширину полосы пропускания в Δ f / f 0 = 10 %. Максимумы обратных потерь в полосе пропускания были на уровне минус 14 дБ. В каждом из фильтров использовали диэлектрические подложки толщиной H d = 0.127 мм и диэлектрической проницаемостью ε r = 2.2, соответствующие материалу RT/Duroid 5880. Каждый из резонаторов представляет собой систему из семи проводников. Высота экранов над проводниками резонаторов 4 мм, длина резонаторов 6.5 мм; ширина полосковых проводников всех резонаторов w = 2 мм, а их длина – около 6 мм (проводники средних резонаторов в фильтрах с числом резонаторов больше двух необходимо укорачивать для обеспечения нужного уровня отражения мощности в полосе пропускания).

Из представленных на рис. 2 зависимостей видно, что протяженность высокочастотной полосы заграждения по заданному уровню подавления определяется, в первую очередь, ослаблением мощности на частотах паразитных полос пропускания.

На рис. 3 показан график зависимости минимального ослабления в полосе заграждения от числа резонаторов в фильтре. Зависимость получена для полосы заграждения, простирающейся до частоты, в десять раз превышающей центральную частоту полосы пропускания (10 f ₀). Видно, что увеличение количества резонаторов фильтра приводит к практически линейному росту ослабления сигнала, выраженному в децибелах. При этом добавление каждого нового резонатора приводит к увеличению затухания в полосе подавления примерно на 40 дБ.

Рис. 2. Рассчитанные АЧХ полосно-пропускающих фильтров с различным числом резонаторов

Fig. 2. Calculated amplitude-frequency characteristics of band-pass filters with a different number of resonators

Таким образом, рассчитанные в программе электродинамического анализа зависимости показывают, что для достижения глубоких (120 дБ и более) уровней подавления в широких полосах заграждения фильтров на основе многопроводниковых полосковых резонаторов необходимо использовать многозвенные конструкции с числом резонаторов не менее пяти.

Для экспериментальной проверки возможности реализации полосно-пропускающих фильтров с уникальными характеристиками полосы заграждения был синтезирован и изготовлен фильтр шестого порядка на основе семипроводниковых полосковых резонаторов. Фотография изготовленного макета фильтра представлена на рис. 3. Центральная частота полосы пропускания фильтра составляет f 0 = 440 МГц при ее относительной ширине Δ f / f 0 = 6 %. Диэлектрическая проницаемость слоев ε = 3.5 (материал слоев – полиамид толщиной 50 мкм), ширина проводников 2 мм, расстояние от верхнего и нижнего экранов до поверхности многослойной структуры 4 мм, материал проводников – медь. Длина резонаторов при таких конструктивных параметрах составила 7 мм. Размеры полосковой структуры фильтра равны 7 × 45.6 мм или в длинах волн в вакууме на центральной частоте полосы пропускания 0.01λ×0.067λ.

На рис. 4 изображены измеренные АЧХ коэффициента передачи и коэффициента отражения изготовленного макета фильтра в широкой и узкой полосе частот. Из представленных зависимостей видно, что фильтр обладает высокой крутизной склонов вблизи полосы пропускания и значительным уровнем затухания в полосах подавления.

Высокочастотная полоса заграждения простирается до частоты ~44 f 0 при уровне затухания в этой полосе более 60 дБ, а по уровню затухания 160 дБ она простирается до частоты 24 f ₀, что является рекордной на текущий момент величиной для конструкций полосковых фильтров. При этом фильтр характеризуется значительной миниатюрностью даже на частотах метрового диапазона длин волн.

Рис. 3. График ослабления мощности в высокочастотной полосе заграждения (протяженностью 10 f ₀) в зависимости от количества резонаторов фильтра и фотография изготовленного макета устройства

Fig. 3. Graph of the power attenuation in the high-frequency obstacle band (10 f ₀ length) depending on the number of filter resonators, and a photo of the filter layout made

Рис. 4. Измеренные АЧХ фильтра шестого порядка в узкой (на вставке) и широкой полосе частот

Fig. 4. The measured amplitude-frequency characteristics of the filter of the sixth order in a narrow (inset) and a wide frequency band

Выводы

Таким образом, результаты исследований полосно-пропускающих фильтров на основе многопроводниковых полосковых резонаторов показывают, что такие устройства по сравнению с известными полосковыми конструкциями обладают не только меньшими габаритами, но и значительно более протяженной и глубокой высокочастотной полосой заграждения. В табл. 1 приводится сравнение характеристик изготовленного фильтра с известными мировыми аналогами [5-9]. Конструктивной особенностью изготовленного фильтра является наличие элементов регулировки, позволяющих в небольших пределах изменять резонансные частоты резонаторов и величину их связи между собой, что дает возможность достаточно просто настроить фильтр на требуемые параметры полосы пропускания и необходимый уровень отражений СВЧ-мощности в полосе рабочих частот.

Таблица 1. Сравнение характеристик изготовленного фильтра с известными мировыми аналогами

Table 1. Comparison of the characteristics of the manufactured filter with well-known world analogues

Источник	f 0 (МГц)/ Полоса (%)	Порядок/ Потери (дБ)	Размер (λ)	Полоса заграждения
[5]	2400/5	3/2.4	0.132×0.081	40 дБ до 8.76 f 0
[6]	1500/9	2/2.5	0.16×0.12	23.7 дБ до 10.6 f 0
[7]	2450/11	2/2.5	0.054×0.045×0.013	26 дБ до 4 f 0
[8]	500/20	4/3.5	0.03×0.06	30 дБ до 7 f 0
[9]	960/8	3/4.0	0.027×0.13×0.013	30 дБ до 5 f 0
Данная работа	440/6	6/5.9	0.01×0.067×0.0125	60 дБ до 44 f 0 160 дБ до 24 f 0

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в ходе реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства (договор № 03.G25.31.0279 от 30 мая 2017 г.).