Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2008 №11

Полосно-пропускающие СВЧ фильтры производства НПФ «Микран»

Кондратенко Алексей  
Шевляков Максим  

Представлен краткий обзор полосно-пропускающих фильтров (ППФ) СВЧ, разработанных и производимых в ЗАО «НПФ Микран» (г. Томск). На качественном уровне рассмотрены их основные достоинства и недостатки с точки зрения электрических характеристик и массо-габаритных показателей. Приведены примеры топологической и конструктивной реализации СВЧ фильтров.

Научно-производственная фирма «Микран» образована в апреле 1991 г. сотрудниками лаборатории СВЧ-усилителей Томского университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР). Одним из основных направлений деятельности фирмы является исследование, разработка и производство модулей и узлов СВЧ-диапазона, в том числе и частотно-селективных устройств.

Частотно-селективные устройства являются неотъемлемой составной частью любой системы связи. При этом с возрастанием сложности систем связи требования к электрическим и массо-габаритным параметрам устройств частотной селекции постоянно ужесточаются. В данной статье приводятся результаты разработок ППФ, которые являются одним из базовых элементов системы частотной селекции в радиотехнической аппаратуре.

На рис. 1 приведена схема, характеризующая систему обозначений фильтров, выпускаемых ЗАО «НПФ Микран».



Рис. 1. Система обозначений фильтров, выпускаемых ЗАО «НПФ Микран»

Классификатор характеризует только вариант конструктивного исполнения и граничные частоты полосы пропускания фильтров. Основные требования к электрическим характеристикам (КСВн и уровень потерь в полосе пропускания, подавление на заданных отстройках, требования к паразитным полосам), а также к габаритным параметрам (ограничение размеров, тип и положение разъемов и др.) в классификатор не включены и оговариваются отдельно в каждом конкретном случае.

Варианты топологического и конструктивного исполнения ППФ

Микрополосковые фильтры

Основными достоинствами данного конструктивного исполнения являются предельно малые габаритные размеры, а также возможность размещения таких фильтров внутри корпуса более сложных функциональных узлов (например, конвертеров), изготавливаемых по технологии ГИС. Главный недостаток — относительно низкая добротность резонаторных элементов (Q ≈ 200–250), вследствие чего узкополосные микрополосковые фильтры имеют достаточно большие потери в полосе пропускания. На рис. 2 приведены топологии основных типов микрополосковых ППФ. В качестве материала подложек используется поликор ВК-100 (ε = 9,8).

а
б
в
г

Рис. 2. Топологии основных типов микрополосковых ППФ:
а) ППФ на встречных линиях MFPM1047050101;
б) ППФ на «шпильках» MFPM1047050102;
в) ППФ на полуволновых резонаторах с боковой связью MFPM10812101;
г) ППФ на полуволновых резонаторах с торцевой связью MFPM1362400100

Основные электрические характеристики данных фильтров (центральная частота настройки f0, ширина полосы пропускания Δf, затухание на центральной частоте L0 и коэффициент прямоугольности по уровню NдБ KП(NдБ)), а также размеры подложек приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные электрические характеристики микрополосковых фильтров

  f0, ГГц Δf, ГГц L0, дБ KП(NдБ) Размер подложки, мм
MFPM1047050101 4,85 0,3 1,5 3,5 (по уровню –20 дБ) 9×9
MFPM1047050102 4,85 0,3 2,5 2,7 (по уровню –30 дБ) 13×9
MFPM10812101 10 4 1,5 2,0 (по уровню –40 дБ) 3,5×25
MFPM1362400100 36,6 0,8 3,0 3,0 (по уровню –20 дБ) 2,5×13

Современные системы связи, особенно спутниковые системы и системы связи с подвижными объектами, требуют наличия в своем составе миниатюрных узкополосных фильтров, для которых выдвигаются довольно жесткие требования к линейности фазовой характеристики (неравномерности группового времени задержки). В настоящее время разработаны новые топологии полосковых фильтров, которые при удовлетворении вышеуказанного требования обладают меньшими габаритными размерами по сравнению с классическими типами [1, 2]. В качестве примера на рис. 3 представлен разработанный ППФ на полуволновых резонаторах с перекрестной связью (в качестве материала подложки используется ФЛАН-10). Неравномерность группового времени задержки для данного фильтра существенно меньше, чем для классического фильтра на полуволновых связанных резонаторах.



Рис. 3. ППФ на полуволновых резонаторах с перекрестной связью MFPM101170123101 (f0 = 1200 МГц, Δf = 60 МГц, L0 ≈ 2,5 дБ, KП(–20дБ) ≈ 2,5, размер подложки 34×28 мм)

Фильтры на диэлектрических резонаторах

По совокупности габаритных параметров и электрических характеристик эти ППФ занимают промежуточное положение между устройствами на полых металлических волноводах и устройствами на микрополосковых линиях. При этом фильтры на диэлектрических резонаторах (ДР) имеют наилучший показатель качества (наименьший габаритный индекс потерь) [3]. Примеры конструкций фильтров на ДР приведены на рис. 4.

а
б

Рис. 4. Конструкции ППФ на диэлектрических резонаторах:
а) направленный ППФ пятого порядка MFPD109450949102;
б) ППФ четвертого порядка MFPD112521258101

Показанная на рис. 4а классическая конструкция с ДР цилиндрической формы, планарно расположенными в канале прямоугольного сечения, дополнена диафрагмами, ограничивающими связь между резонаторами. Такое решение позволяет сократить расстояние между резонаторами и как следствиеуменьшить массо-габаритные показатели изделия.

Основные электрические характеристики данных фильтров приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные электрические характеристики фильтров на диэлектрических резонаторах

  f0, ГГц Δf,
МГц
L0, дБ KП(NдБ)
MFPD109450949102 9,47 40 2,5 2,5 (по уровню –40 дБ)
MFPD112521258101 12,55 60 1,5 2,0 (по уровню –25 дБ)

Фильтры на коаксиальных диэлектрических резонаторах

Из всего многообразия ДР в дециметровом, L и S диапазонах в последнее время все большее применение находят металлодиэлектрические резонаторы, называемые часто коаксиальными диэлектрическими резонаторами (КДР) [4]. Примеры конструкций ППФ на КДР прямоугольного и круглого сечений приведены на рис. 5.

а
б

Рис. 5. Конструкции ППФ на КДР прямоугольного и круглого сечений:
а) ППФ на КДР прямоугольного сечения с боковыми связями в виде диафрагм MFPK10133401354101;
б) ППФ на КДР круглого сечения с внешними емкостными связями MFPK10043400450101

Основные электрические характеристики данных фильтров приведены в таблице 3.

Таблица 3. Основные электрические характеристики фильтров на коаксиальных диэлектрических резонаторах

  f0, МГц Δf, МГц L0, дБ KП(NдБ)
MFPK10133401354101 1344 25 2,0 3,0 (по уровню –25 дБ)
MFPK10043400450101 442 16 1,5 4,0 (по уровню –50 дБ)

Основным недостатком фильтров на ДР и КДР является возможность реализации только узкополосных фильтров (относительная ширина полосы пропускания которых составляет не более 5–7%).

Волноводные фильтры

Если сравнивать известные СВЧ-фильтры, в которых формирование частотных характеристик осуществляется на основе классических волновых процессов, по минимуму потерь, то наилучшими показателями обладают волноводные фильтры.

Данные фильтры хорошо зарекомендовали себя в стационарной аппаратуре, где требование минимальных потерь имеет более важное значения, чем габаритные и весовые показатели. На рис. 6 приведены трехмерная модель и конструкция волноводного ППФ.

а
б

Рис. 6. Волноводный ППФ MFPW108100834101 (f0 = 8,22 ГГц, Δf = 240 МГц, L0 ≈ 1 дБ, KП(–50дБ) ≈ 1,7):
а) трехмерная модель фильтра;
б) конструкция фильтра

В данной конструкции роль элементов связи между резонаторами играют диафрагмы, расположенные параллельно силовым линиям электрического поля в прямоугольном волноводе. Основными достоинствами такой конструкции являются технологичность изготовления и простота настройки.

Развитие техники миллиметровых длин волн привело к переходу от традиционной волноводной технологии изготовления устройств к интегральной. В настоящее время элементы частотно-селектирующих устройств создаются на основе следующих линий передачи: регулярного прямоугольного волновода с продольно ориентированными в Е-плоскости неоднородностями различной формы, экранированных микрополосковых линий, диэлектрических волноводов. В качестве примера на рис. 7 приведены трехмерная модель и конструкция волноводных фильтров с диафрагмами в Е-плоскости.

а
б

Рис. 7. Конструкция волноводных фильтров с диафрагмами в Е1плоскости:
а) трехмерная модель фильтра;
б) конструкция фильтра

Подобные конструкции применяются для построения фильтров и диплексеров в диапазоне КВЧ. Преимуществом данных фильтров является отсутствие элементов подстройки, так как их применение на частотах выше 40 ГГц крайне затруднительно. Однако эта особенность накладывает достаточно высокие требования к точности изготовления как диафрагм, так и волноводного канала (допускается отклонение размеров от номинальных не более 15–20 мкм).

Фильтры на объемных резонаторах

Данные фильтры обладают высокой температурной стабильностью электрических характеристик и малыми потерями в полосе пропускания. Среди данного класса, прежде всего, следует выделить гребенчатые фильтры, одним из основных достоинств которых является возможность реализации широких полос запирания (верхняя граница полосы запирания находится в пределах 4f0…7f0, где f0 — средняя частота основной полосы пропускания). В данном конструктивном исполнении могут быть реализованы ППФ с относительной шириной полосы пропускания 2–75% [5].

В качестве примера на рис. 8 показаны трехмерная модель и конструкция гребенчатого ППФ на коаксиальных резонаторах. Сворачивание конструкции позволяет реализовать перекрестную связь с целью уменьшения неравномерности группового времени задержки.

а
б

Рис. 8. Гребенчатый ППФ на коаксиальных резонаторах с перекрестной связью MFPV105530563100 (f0 = 5,58 ГГц, Δf = 1040 МГц, L0 ≈ 1,3 дБ, KП(–50дБ) ≈ 2,3):
а) трехмерная модель фильтра;
б) конструкция фильтра

Обзор, представленный в статье, отражает только основные направления в производстве полосно-пропускающих фильтров СВЧ.

Литература

  1. Hong J., Lancaster M. J. Couplings of Microstrip Square Open-Loop Resonators for Cross-Coupled Planar Microwave Filters // IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 44, No. 12, December 1996.
  2. Hong J., Lancaster M. J. Design of Highly Selective Microstrip Bandpass Filters with a Single Pair of Attenuation Poles at Finite Frequencies // IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 48, No. 17, July 2000.
  3. Безбородов Ю. М., Нарытник Т. Н., Федоров В. Б. Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах. Киев: Тэхника, 1989.
  4. Безбородов Ю. М., Каленичий С. И., Нарытник Т. Н., Цикалов В. Г. Коаксиальные диэлектрические резонаторы и устройства на их основе // Электронная техника. Сер.1, СВЧ-техника. 1992. Вып. 2(1662).
  5. Hey-Shipton G. L. Combline Filters for Microwave and Millimeter-wave Frequencies: Part 1 // Watkins-Johnson Co. Tech-Notes, Vol. 17, No. 5, September/ October 1990.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке