Полосно-пропускающие СВЧ фильтры производства НПФ «Микран»

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 K_П(NдБ)), а также размеры подложек приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные электрические характеристики микрополосковых фильтров

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,
K_{П(–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

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

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, K_{П(–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, K_{П(–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.