Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микрополосковые резонаторы и СВЧ-устройства на их основе. Учебное пособие
.pdf
несколько микрополосковых резонаторов, каждый на своей отдельной
подложке. Длина полоскового проводника резонатора в первом приближении рассчитывалась по формулам (1.2) и (1.15). Ширина полоскового проводника, с целью достижения максимальной добротности
резонатора, обычно выбиралась не менее чем в два раза больше толщины подложки. «Тонкая» подгонка частоты каждого из резонаторов
осуществлялась путем травления полоскового проводника МПР. Известно, что в полуволновом резонаторе уменьшение длины или ширины полоскового проводника приводит к увеличению резонансной
частоты МПР [11], а травление края полоскового проводника только
в центре резонатора – к понижению частоты первой моды МПР [23].
На рис. 3.5 схематично изображен проводник полуволнового микрополоскового резонатора, на котором показаны области травления,
приводящие к повышению (1, 2) и к понижению (3) резонансной частоты МПР. Для других типов микрополосковых резонаторов, в том
числе и четвертьволновых, резонансная частота подстраивалась также
соответствующим травлением краев полоскового проводника.
1
Рис. 3.5. Полосковый проводник полуволнового МПР
с обозначенными зонами травления:
3
– для понижения его резонансной частоты
2 2 3
1, 2
– для повышения;
1
Из настроенных таким образом резонаторов фильтр собирался
на металлическом основании (рис. 3.6) или в специальном корпусе с
коаксиальными разъемами. Число резонаторов подбиралось экспериментально в зависимости от требуемой характеристики фильтра. Два
крайних резонатора подключались к коаксиальным разъемам через
емкости связи или кондуктивно, после чего вся эта конструкция
включалась в автоматический измеритель частотных характеристик.
Путем взаимных перемещений и поворотов резонаторов можно до-
111
биться требуемой характеристики фильтра. Однако в результате связи
Выход
2
резонаторов друг с другом и с линиями передачи возможно некоторое
изменение резонансной частоты МПР, поэтому в случае необходимости
можно повторить процедуру «точной» подстройки частоты резонаторов. После настройки фильтра предварительно облуженные резонаторы припаивались к металлическому основанию путем его нагревания.
Естественно, что такой фильтр можно использовать в схемах СВЧ
и без коаксиальных разъемов путем непосредственного подключения
его к микрополосковым трактам с таким же волновым сопротивлением, как и у линий передачи при настройке фильтра.
2
Вход
1
Рис. 3.6. Конструкция трехзвенного фильтра на МПР:
1
– полуволновые резонаторы; 2 – СВЧ-конденсаторы (емкости связи)
В конструкции фильтра, представленной на рис. 3.6, за счет использования подложек с высокой диэлектрической проницаемостью
индуктивная связь превалирует над емкостной. В результате полуволновые резонаторы «связываются» только серединами полосковых
проводников резонаторов, где образуется пучность СВЧ-тока. Благодаря этому легко можно осуществить связь между несоседними резонаторами для формирования эллиптической характеристики фильтра.
На рис. 3.7 представлены некоторые типичные варианты взаимного расположения микрополосковых резонаторов в четырехзвенных
фильтрах рис. 3.7, а, б, в трехзвенном фильтре на нерегулярных резонаторах рис. 3.7, в и в фильтре, образованном каскадным соединением
двух трехзвенных фильтров. Последний вариант, как показано в работе [48], отличается большими затуханиями вне полосы пропускания
(около –60 дБ).
112
В качестве примера на рис. 3.8–3.10 приведены эксперимен-
80
ε =
а б
Π 2,5
=
Π 2,0
=
тально полученные в работе [48] амплитудно-частотные характеристики для фильтров, полуволновые резонаторы которых изготовлены
из керамики ТБНС (
), толщина подложки 1,0–1,5 мм.
в г
Рис. 3.7. Варианты расположения МПР
на металлическом основании [48]
Представленные фильтры имели центральную частоту полосы
пропускания в пределах 1–2 ГГц, а КСВ фильтров а полосе пропускания не превышал уровня 1,5, что соответствует значению –14 дБ
по обратным потерям. Фильтры, характеристики которых изображены
на рис. 3.8 и 3.9, имели одинаковые начальные потери (не более
1,3 дБ) и одинаковую относительную полосу пропускания (около 4 %
от и центральной частоты). Отличались фильтры тем, что первый
состоял из трех резонаторов, у него был сформирован только один
полюс слева, а второй фильтр состоял из четырех резонаторов, и его
характеристика имела один полюс справа и один полос слева от полосы
пропускания. При этом коэффициент прямоугольности П, вычисленный как отношение полосы пропускания по уровню –30 дБ к полосе
пропускания фильтра по уровню –3 дБ, составляет, соответственно,
для первого фильтра
113
, а для второго
.
–
60
–
40
–
20
0
, дБ
60
40
20
0
L
0.8
1.0
1.2
F / F
0
L
Рис. 3.8. Амплитудно-частотная характеристика
прямых потерь трехзвенного фильтра [48]
0
0.8
1.0
1.2
F / F
, дБ
Рис. 3.9. Амплитудно-частотная характеристика
четырехзвенного фильтра [48]
114
На рис. 3.10 представлена частотная характеристика (АЧХ) че-
Π 1, 6.
=
F / F0
L
0.8 1.0 1.2
–
20
–
40
тырехзвенного фильтра с полосой пропускания 20 %, имеющего начальные потери около 0,5 дБ и коэффициент прямоугольности
Проведенные исследования показывают, что на микрополос-
ковых резонаторах, изготовленных из керамики ТБНС, сравнительно
легко реализуются фильтры с полосой пропускания от 14 до 50 %,
при этом начальные потери не превышают 3 дБ на краях указанного
диапазона полос пропускания. В дециметровом диапазоне волн оптимальными являются полосы пропускания 6–20 %, в этом случае
фильтры имеют минимальные начальные потери, как правило, не
превышающие 0,5 дБ.
0
, дБ
Рис. 3.10. АЧХ фильтра с полосой пропускания 20 % [48]
Следует заметить, что «широкополосные» фильтры с полосой
пропускания более 10 % проще изготавливать на регулярных МПР
(рис. 3.4, 1, 9). При этом ширина полосковых проводников резонаторов не должна превышать удвоенную толщину подложки. Это облегчает организацию необходимой «сильной» связи между резонаторами.
«Узкополосные фильтры» с полосой пропускания менее 5 % требуют
более «слабой» связи между резонаторами. Поэтому их удобнее изготавливать на нерегулярных МПР со скачком волнового сопротивления (рис. 3.4, 2, 3, 7, 10). Причем ширина полоскового проводника
115
низкоомного участка резонатора (
1
w
1
(3 5)
w h
= −
) составляет несколько толщин
подложки (h), обычно
. В этом случае фильтр получается
более компактный, так как скачок волнового сопротивления уменьшает длину МПР [23], и, что очень важно, вторая паразитная полоса
пропускания фильтра при этом отодвигается в область более высоких
частот. Кроме того, у нерегулярного микрополоскового резонатора
при не очень больших скачках волнового сопротивления собственная
добротность выше, чем у регулярного микрополоскового резонатора,
что также способствует реализации хороших электрических характеристик фильтра [23]. «Узкополосные» фильтры можно сконструировать и из «экранированных» резонаторов (рис. 3.4, 5, 6), но они более
сложны в изготовлении.
В случае необходимости подавления сигнала на какой-либо
частоте вблизи полосы пропускания легко можно изготовить фильтр
на одном микрополосковом двухмодовом резонаторе (см. вставку
на рис. 3.11). В этом случае вход и выход фильтра подключается непосредственно или через емкости связи к двум смежным сторонам
проводника, представляющей собой фигуру близкую к квадрату, т. е.
со сторонами, примерно равными друг другу по величине. Амплитудно-частотная характеристика такого фильтра показана на рис. 3.11.
Начальные потери в полосе пропускания здесь не более 0,5 дБ, затухание на частоте режекции не менее 50 дБ. Настройка такого фильтра
осуществляется путем травления сторон «квадрата», если требуется
повысить центральную частоту полосы пропускания и частоту режекции. Для понижения этих частот можно вытравить центральные участки на одной или двух сторонах «квадрата» (на вставке на рис. 3.11
эти области заштрихованы). Точная настройка фильтра осуществляется перемещением контактов входа и выхода, приводящим к изменению степени режекции, а также к небольшому изменению частоты
режекции и центральной частоты полосы пропускания.
На двухмодовом микрополосковом резонаторе можно реализовать и обычный полосовой фильтр, причем на одном и том же
резонаторе-«квадрате» можно сделать фильтр с шириной полосы
пропускания – от 1 до 5 %. Для этого достаточно подобрать связь
с резонатором входной и выходной линий на смежных сторонах
«квадрата». В случае широкополосного фильтра точки связи резонатора с подводящими линиями передачи находятся на самом краю
металлизации резонатора в пучностях электрических полей, а для узкополосного – ближе к центру «квадрата». При этом реализуемая
116
таким образом кондуктивная связь с подводящими линиями получа-
Вход
-
40
-
20
0
1,5
мм
h
=
13 ммl
=
1 ммh
=
6 ммl
≈
ется более слабой.
0
0.8
1.0
Выход
1.2
F /F
L, дБ
Рис. 3.11. АЧХ специального фильтра на двухмодовом МПР.
На вставке показан двухмодовый резонатор с подводящими линиями [48]
На рис. 3.12 показаны две АЧХ фильтров на одном и том же
двухмодовом МПР, изготовленном из керамики ТБНС толщиной
и со стороной «квадрата» металлизации, равной
.
При этом штриховой линией на рисунке показана АЧХ фильтра с более широкой полосой пропускания, т. е. в случае, когда точки подключения находятся ближе к вершинам полоскового проводника
резонатора, имеющего форму прямоугольника.
Для улучшения прямоугольности характеристики фильтра можно «связать» два двухмодовых МПР либо каскадированием, подобрав
длину линии связи, либо просто расположить два резонатора вблизи
друг друга на одном металлическом основании и опытным путем подобрать связь между ними, изменяя их взаимное расположение.
Характеристика такого фильтра, состоящего из двух резонаторов,
представлена на рис. 3.13. Резонаторы фильтра были изготовлены на
подложке из керамики ТБНС толщиной
та» были равны
117
.
, а стороны «квадра-
Основным достоинством описываемых фильтров является
0.8
1.0
1.2
-
60
-
40
-
20
0
F / F
F0
= 1,2 ГГц
L, дБ
0.8 1.0 1.2
–
40
–
20
0
F / F0
L, дБ
F0
= 3,5 ГГц
возможность их выпуска в интегральном исполнении методами фотолитографии, что очень важно при необходимости массового
производства. Для этого следует для начала изготовить макет требуемого фильтра по приведенной выше методике из отдельных МПР
(рис. 3.14, а).
Рис. 3.12. АЧХ двух полосовых фильтров
на двухмодовом МПР [48]
Рис. 3.13. Амплитудно-частотная характеристика
четырехзвенного фильтра на двух связанных
двухмодовых резонаторах [48]
118
Резонаторы могут быть регулярными или со скачком волнового
а
б
сопротивления. Главное, чтобы по всему периметру МПР диэлектрическая подложка выступала за края проводника не менее, чем на величину своей толщины. Это необходимо для того, чтобы максимально уменьшить влияние концевых и боковых емкостей резонаторов,
понижающих их резонансные частоты [11]. Благодаря тому, что в исследуемых микрополосковых фильтрах из-за высокой диэлектрической проницаемости подложки связь между резонаторами «чисто»
индуктивная, возможен перенос рисунка полосковых проводников
настроенного макета фильтра без всяких изменений на сплошную
подложку такой же толщины и из такого же материала (рис. 3.14, б).
Рис. 3.14. Трехзвенные микрополосковые фильтры:
а
– на отдельных резонаторах; б – в интегральном исполнении
На рис. 3.15, а приведены экспериментальные частотные характеристики (прямые потери) макета фильтра, изготовленного на отдельных резонаторах (кривая 1), и интегрального фильтра на сплошной подложке, полученного копированием рисунка полосковых
119
проводников макета (кривая 2). Видно, что характеристика инте-
–
30
0
0
–
30
0
а
грального фильтра почти на 4 % смещена в сторону низких частот,
а форма кривой практически не изменилась. Смещение центральной
частоты фильтра произошло из-за небольшого увеличения концевых
и боковых емкостей МПР при переносе на сплошную подложку.
На рис. 3.15, б построены зависимости обратных потерь для этих же
фильтров, кривая 3 – для фильтра на отдельных резонаторах, кривая 4 –
для фильтра в интегральном исполнении.
0
–10
0.8
1, 5
1.0
F /F
–20
–10
–20
L, дБ
0.8
2
1.0
F /F
4
3, 6
R, дБ
Рис. 3.15. Частотные характеристики трехзвенных фильтров:
а
– прямые потери; б – обратные потери; 1, 3 – фильтр на отдельных резонаторах;
2, 4, 5, 6
120
– фильтры в интегральном исполнении [48]
б
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]