Малогабаритный полосно-пропускающий керамический фильтр с широкой полосой заграждения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.372.543

МАЛОГАБАРИТНЫЙ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР С ШИРОКОЙ ПОЛОСОЙ ЗАГРАЖДЕНИЯ

Е.В.Петров, В.В.Попов, А.Ю.Беляков

SMALL-SIZE CERAMIC BANDPASS FILTER WITH WIDE SUPPRESSION FREQUENCY BAND

E.V.Petrov, V.V.Popov, A.Yu.Belyakov

Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected]

Представлены методика и результаты расчета малогабаритного керамического СВЧ полосно-пропускающего фильтра с широкой полосой заграждения на основе связанных квазистационарных резонаторов с непосредственной индуктивной связью. Предлагается реализация фильтра в виде соединения металлизированного керамического блока с £п и металлизированной керамической пластины с £,2>>£п.

Ключевые слова: СВЧ полосно-пропускающий фильтр, квазистационарные резонаторы, термостабильная керамика, широкая полоса заграждения

A method for development and a sample construction of the small-size ceramic bandpass filter with wide suppression frequency band are presented. The developed filter is based on the inductively-coupled quasistationary resonators with direct coupling and it realized as a metallized ceramic block with relative dielectric permeability £n, connected with metallized ceramic plate with £r2>>£r1.

Keywords: microwave bandpass filter, quasistationary resonators, heat resisting ceramic, wide suppression frequency band

Введение

Частотные фильтры находят широкое применение при формировании и обработке сигналов электронных систем. Реализация фильтров с высокими качественными показателями для различных частотных диапазонов представляет собой сложную техническую задачу.

Для умеренных полос пропускания (<10%), полос заграждения (<2-3 /0) и частот <10 ГГц получили широкое распространение малогабаритные фильтры на термостабильной керамике с 8Г = 10^100, построенные по встречно-стержневой или гребенчатой схеме на основе связанных коаксиальных резонаторов.

Разработчиками радиоэлектронной аппаратуры часто предъявляются повышенные требования к ширине полосы заграждения (>4-5 /0) и массогаба-ритным характеристикам фильтра. Известно [1], что уменьшение габаритов и увеличение ширины полосы заграждения гребенчатых фильтров можно получить путем увеличения укорачивающих емкостей, что в пределе приводит к фильтру типа цепочка квазистационарных резонаторов с непосредственной связью.

Методика проектирования фильтра

Предлагаемый керамический полосно-про-пускающий фильтр (рис.1), являющийся предельным случаем гребенчатого фильтра на коаксиальных резонаторах с укорачивающими емкостями, состоит из металлизированного керамического блока в форме прямоугольного параллелепипеда из термостабильного керамического материала с диэлектриче-

ской проницаемостью егЬ в котором сформирована цепочка индуктивностей с непосредственной индуктивной связью, выполненная в виде металлизированных отверстий в керамическом блоке; и металлизированной керамической пластины с диэлектрической проницаемостью 8г2 >>ег1, на которой сформирован набор емкостей в виде плоских конденсаторов с металлизированными отверстиями. Входной и выходной элементы связи выполнены в виде отрезков копланарной линии на торцевых гранях керамического блока, соединенных с емкостными элементами связи с входным и выходным резонатором, выполненными в виде плоских конденсаторов на керамической пластине.

Рис.1. Базовая конструкция ППФ с широкой полосой заграждения: 1 — металлизированный керамический блок, 2 — металлизированная керамическая пластина, 3 — входной и выходной элементы связи

рис.2.

Эквивалентная схема фильтра представлена на

СгП-1 Сгп Сп П+1 ^ I

Г*-

Мп-1п

Рис.2. Эквивалентная схема фильтра

№

Спектр резонансных частот коаксиального резонатора с укорачивающей емкостью определяется из решения трансцендентного уравнения:

X, + X = 0,

I с '

где jXl = — входное сопротивление корот-

козамкнутого отрезка коаксиальной линии;

уХ = - у 1 — сопротивление укорачивающей

с юСг

емкости.

60

В предлагаемой конструкции ¿0 = 1— 1п|

4а

— волновое сопротивление полосковой линии с круглым проводником [2], а, 1 — ширина и высота керамического блока, ё — диаметр металлизирована, Ю ; С

ного отверстия, р! = — 1, V =

Укорачивающая емкость:

с = с + а + с, (1)

г п б к' 4 '

где Сп — емкость плоского конденсатора; Сб — боковая емкость конденсатора; Ск — конструктивная емкость резонатора в месте сочленения керамического блока и керамической пластины.

6 ^6.-,5*

В первом приближении Сг = Сп = г2р , где 5

— площадь емкостной площадки, tp — толщина керамической пластины. При использовании тонких керамических пластин с высокой диэлектрической проницаемостью (ег2~100) возможно получение больших укорачивающих емкостей и, как следствие, реализация фильтров со средней частотой /0 основной полосы пропускания в дециметровом диапазоне и частотой первой паразитной полосы пропускания «коаксиальной моды» —10/0.

Применение в фильтре керамического материала блока и пластины с различными диэлектрическими проницаемостями (ег2>>ег1) позволяет существенно увеличить разделение основной полосы пропускания фильтра, частота которой обратно пропор-

циональна

и паразитных полос пропускания

объёмных мод керамического блока, частота которых

обратно пропорциональна .

Методика синтеза фильтра по заданной характеристике включает в себя следующие этапы:

— в соответствии с типовой методикой [1], по заданной характеристике определяется число звеньев

фильтра (п) и значения элементов низкочастотного фильтра-прототипа (#,■);

— по значениям элементов низкочастотного фильтра-прототипа по формулам расчета схемы [1] определяются параметры эквивалентной схемы LГ/, Сф Му, С01, полагая Lpo = 0, М01 = 0, LpИ+l = 0, Мп+1 = 0,

Lp1 Lr

К

' Lгn, ЬР]\]=2+п-1 1г,

— для данной конструкции фильтра определяется связь параметров эквивалентной схемы фильтра с его геометрическими размерами и характеристиками материалов:

Частота квазистационарного резонатора

/0 = , 1 „ , (2)

2лЛ ¡1 С .

V г г

где Lгj определяется как индуктивность короткозамк-нутого отрезка полосковой линии с круглым проводником:

1

I . = Г = 60 - 1п

Г С * г с

^ 4а ^

пё

V 1У

(3)

Емкость квазистационарного резонатора (1):

С . = С .+ С. + С ..

Г1 п1 б1 к

Коэффициент взаимной индукции М.

1,1+1 1,1+1 '

где Ljj+1 — погонная взаимная индуктивность связанных линий [2]:

I.

, -1 ,)

ое1,1 +1 001,1 +1/

_ /6г.

^1+1 2с

Разность волновых сопротивлений четного ¿ое и нечетного ¿00 типов волн связанных полосковых линий с круглыми проводниками [1]:

ое1,1 +1 001,1 +1

120

(

М

1,1+1

1nctg

60 ,, , = — 11п^

1,1+1 2а

-О ■ ■ , !

1, 1 +1

2а

откуда

(4)

Емкость связи определяется по инвертору проводимости J01 [1]:

С =-

^01

Jr

01

ю0.

( /J Л2\

Ga

/

где 01 =

Gaю0C

_г1

qofl^

Ga = * , * = ^| ¿а

С учетом того, что задача синтеза фильтра относится к классу некорректно поставленных задач, когда одним и тем же исходным данным соответствует бесчисленное множество возможных реализаций, и с учетом изложенного выше, предлагается следующий порядок определения геометрических размеров фильтра:

по параметрам фильтра-прототипа определяются коэффициенты связи между резонаторами [1]

K

Cj, j+1

V;

(6)

j+1

с другой стороны, для цепочки резонаторов с индуктивной связью

K,

M

j, j+1

Cj, j+1

.ÎL~L

V r ,

(7)

rj+1

где Му+ь Ьг, Ьг3+1 определяются геометрией фильтра (3),(4).

Учитывая технологические особенности изготовления керамических фильтров, можно предложить два варианта синтеза фильтра:

— фиксируются диаметры отверстий dj, dj+1(Lrj, Ь^) и по Mjj+1 находится распределение межцентровых расстояний Sy+1:

M ■

Л } +1

откуда:

П~г- 60 „ ,

■JL L =— llncth

V r r+1 c

qjqj+1

(

ns

j, j+1

Л

2a

(8)

2a arctg(e

"П+1 60l

)

Я ■ (9)

— фиксируются межцентровые расстояния Sy+1 (М/1/+1) и по Ьц, Ьгз+1 находится распределение диаметров отверстий dj+1:

L L .+, = M2 .+,

r r +1 ;;+1

откуда:

d;+1 =■

= 601 in

4a

nd.

]

■ 60 - in

c

4a

nd

\ ;+1

ne

M

j,j+1

W+1

Hl60 c

in

(10)

Определение dj+l предполагает известным dj, поэтому в начале расчета задается диаметр отверстия первого резонатора. Для получения геометрической симметрии фильтра необходимо изменением диаметра отверстия первого резонатора добиться равенства диаметров первого и последнего отверстий.

Целесообразно при синтезе фильтров по первому варианту задавать одинаковыми диаметры всех отверстий, а по второму — все межцентровые расстояния.

Результаты расчета керамического фильтра с широкой полосой заграждения

С использованием описанной методики были проведены расчеты и моделирование керамического ППФ с широкой полосой заграждения. Исходные данные: граничные частоты полосы пропускания — f = i,9 ГГц, f = 2,i ГГц; граничные частоты полосы заграждения — fzi = i,7 ГГц, fz2 = 2,3 ГГц; неравномерность ослабления в полосе пропускания — Lp = 0,5 дБ; ослабление на граничных частотах полосы заграждения — Lz = 40 дБ; характеристика фильтра — чебышевская; размеры керамического блока: a = 2,75 мм, b = i,5 мм, межцентровые расстояния SjjH = 2,73 мм, eri = 20; размеры керамической пластины: a = 2,75 мм, tp = 0,25 мм, межцентровые расстояния sjj+i = 2,73 мм, er2 = 100.

Результаты расчета — параметры фильтра-прототипа: число звеньев фильтра n = 4; q0 = i, qi = i,67, q2 = i,i93, q3 = 2,366, q4 = 0,842, q5 = i,984. Параметры эквивалентной схемы — контурные индуктивности Lpl = Lp4 = 3i5,i пГн, Lp2 = Lp3 = 446,6 пГн; коэффициенты взаимной индукции Mjj+l = 26,54 пГн, коэффициенты связи между контурами КЬ2 = 0,071, K2,3 = 0,059, K3,4 = 0,071; контурные емкости — Crl = Cr4 = 19,57 пФ, Cr2 = Cr3 =14,29 пФ; емкости связи C0l = C45 = 2,856 пФ; синтезированные геометрические размеры — диаметры отверстий dl = d4 = i,22 мм, d2 = d3 = 0,8 мм, емкостные площадки укорачивающих емкостей Scrl = Scr4 = 1,82*2,4 мм2, Scr2 = Scr3 = i,38*2,2 мм2.

Результаты моделирования фильтра представлены на рис.3 и 4.

w

w

w

c

c

w

Рис.4. АЧХ модели фильтра в диапазоне частот от 1 до 20 ГГц

Заключение

В работе представлена методика проектирования керамического ППФ с широкой полосой заграждения. Показано, что расширение полосы заграждения фильтра на основе связанных коаксиальных резонаторов возможно путем увеличения укорачивающих емкостей, что в пределе приводит к фильтру типа цепочка квазистационарных резонаторов с непосредственной связью. Предложена реализация фильтра на основе металлизированного керамического блока в форме прямоугольного параллелепипеда из термостабильного керамического материала с диэлектрической проницаемостью ег1, соединенного с металлизированной керамической пластиной с диэлектрической проницаемостью ег2>>ег1, с габаритными размерами не более 13,5*2,85*2 мм.

Результаты моделирования фильтра показали возможность получения полос заграждения по уровню 60 дБ более 4/0, по уровню 40 дБ — более

10 /0.

1. Маттей Г.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. М.: Связь, 1972. Т.2. 495 с.

2. Справочник по элементам полосковой техники / Под ред. А.Л.Фельдштейна. М.: Связь, 1979. 336 с.

Bibliography (Transliterated)

1. Mattei G.L., Iang L., Dzhons E.M.T. Fil'try SVCh, sogla-suiushchie tsepi i tsepi sviazi. M.: Sviaz', 1972. T.2. 495 s.

2. Spravochnik po elementam poloskovoi tekhniki / Pod red. A.L.Fel'dshteina. M.: Sviaz', 1979. 336 s.