РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 7, с. 759-765
НОВЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ
УДК 621.372.547
ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ РЕШЕТЧАТОГО ТИПА НА ОСНОВЕ ПОЛУВОЛНОВЫХ РЕЗОНАТОРОВ ИЗ ОТРЕЗКОВ СИММЕТРИЧНЫХ ПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ © 2015 г. А. В. Захаров, М. Е. Ильченко
Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Украина, 03056Киев, просп. Победы, 37 E-mail: a.zakharov@bk.ru Поступила в редакцию 14.01.2014 г.
Показана принципиальная возможность использования микроволновых структур решетчатого типа с Л/2 резонаторами, которые выполнены из отрезков симметричных полосковых линий передачи, в качестве полосно-пропускаюших фильтров. Установлено, что коэффициенты связи Л/2 резонаторов из отрезков симметричных полосковых линий передачи, расположенных параллельно друг другу без взаимного смещения, отличны от нуля. Изучена зависимость коэффициентов связи от параметров полосковых полуволновых резонаторов. Рассмотрены частотные характеристики некоторых полосно-пропускаюших фильтров решетчатого типа с Л/2 резонаторами, приведены экспериментальные данные.
DOI: 10.7868/S0033849415060182
ВВЕДЕНИЕ
Полосно-пропускающие фильтры (ППФ) решетчатого типа, выполненные из отрезков микро-полосковых линий передачи находят применение в современных радиотехнических устройствах [1—3]. Микрополосковые ППФ решетчатого типа (pseudocombline filters) содержат полуволновые А,/2 резонаторы, которые расположены параллельно друг другу без взаимного смещения вдоль их длины. Достоинствами ППФ решетчатого типа является их компактность и отсутствие корот-козамыкающих перемычек на концах резонаторов. Последняя особенность является важной в некоторых приложениях, где короткое замыкание нежелательно или его сложно осуществить технологически.
Резонаторы из отрезков симметричных полосковых линий передачи обладают более высокой собственной добротностью, чем микрополосковые резонаторы [4]. Представляется весьма привлекательным объединение отмеченных выше достоинств — решетчатая структура фильтра, повышенная добротность полосковых резонаторов — в одном решетчатом фильтре полосковой конструкции. (Далее используем термин полосковая линия, понимая под этим симметричную полос-ковую линию.) К сожалению, в настоящее время решетчатые конструкции на основе полосковых полуволновых резонаторов не применяются в качестве ППФ. Уже давно установилось мнение, что они представляют собой всезапирающую
цепь, поскольку коэффициенты электромагнитной связи между смежными А,/2 резонаторами равны нулю на всех резонансных частотах [3, 5]. В этом случае электрическая и магнитная компоненты электромагнитного взаимодействия как бы компенсируют друг другу, что и приводит к нулевым значениям коэффициентов связи.
Мы подвергнем сомнению это положение в отношении к твердотельным полосковым А,/2 резонаторам, расположенным на малом удалении друг от друга, 0.05... 1 мм. В таких резонаторах пространство между полосковыми проводниками заполнено твердым диэлектриком с различной относительной диэлектрической проницаемостью sr = 2... 100, а не воздухом. Анализ коэффициентов связи между полосковыми А,/2 резонаторами может быть выполнен на основе компьютерного моделирования. Существующие в настоящее время программы, такие как Microwave Office (компания AWR) и HFSS (компания Ansoft), осуществляют моделирование электромагнитных процессов на электродинамическом уровне и характеризуются высокой точностью их воспроизведения.
Использование полосковых конструкций привлекательно еще и тем, что они позволяют реали-зовывать очень тонкие ППФ (1 мм и менее). Это показано в работе [6] при использовании ступен-чато-импедансных резонаторов, которые позволяют изменять коэффициенты электромагнитной связи в широких пределах. Малая толщина и использование керамических материалов с боль-
(а)
(б)
Ко, %
8 7 6 5 4 3 2 1
0.6 0.8 S, мм
Ко, %
8 7 6 5 4 3 2 1
0.6 0.8 S, мм
Рис. 1. Зависимость К от зазора 5 между полуволновыми резонаторами из отрезков симметричных полосковых линий передачи с гг = 92 при длине центральных проводников 10 (а) и 5 мм (б) и ширине 2 (сплошные кривые) и 0.5 мм (штриховые) для Ь = 1 (1) и 2 мм (2).
шим ег могут быть использованы для дальнейшей миниатюризации керамических микроволновых фильтров.
В данной работе исследуются коэффициенты связи между парами полуволновых резонаторов решетчатого типа, которые выполнены из отрезков симметричных полосковых линий передачи с различными значениями ег. Рассматриваются частотные характеристики полосковых ППФ решетчатого типа.
1. КОЭФФИЦИЕНТЫ СВЯЗИ ПОЛУВОЛНОВЫХ РЕЗОНАТОРОВ ИЗ ОТРЕЗКОВ СИММЕТРИЧНЫХ ПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ
Рассмотрим пару идентичных полосковых резонаторов, оба конца которых разомкнуты. Введем обозначения: Ь — длина центрального проводника резонатора; 9 — электрическая длина резонатора; w — ширина центрального проводника резонатора; — характеристическое сопротивление резонатора; Ь — толщина полосковой линии. Каждый резонатор имеет множество резонансных частот/„, п = 0, 1, 2..., частота/0 является основной, а остальные — паразитными. На частоте /0 рассматриваемый резонатор становится полуволновым. Пара полосковых резонаторов разделена малым зазором 5.
Электромагнитное взаимодействие пары идентичных резонаторов на резонансной частоте /п характеризуется коэффициентом связи Кп, который может быть вычислен по формуле [3]
Кп —
г2 - г2
J еп J оп
г2 + г2
J еп 1 J оп
(1)
где/еп и/оп — частоты четной и нечетной моды колебаний, их еще называют частотами связи. Значения Кп задаются в единицах или в процентах. Частоты связи /еп и /оп можно определить по частотной передаточной характеристике системы двух связанных резонаторов, им соответствуют два пика.
Моделирование передаточных характеристик осуществлялось компьютерной программой М^О. При моделировании были приняты следующие параметры полосковых резонаторов: ег = 92; толщина Ь равнялась 1 и 2 мм; длина Ь соответствовала 10 и 5 мм; ширина w была принята равной 2 и 0.5 мм; зазор между резонаторами 5 изменялся в пределах от 0.05... 1 мм.
На рис. 1 представлены зависимости коэффициента связи К0 на основной резонансной частоте от величины зазора 5 между полуволновыми резонаторами. Длина центральных проводников 10 и 5 мм, ширина 2 и 0.5 мм. Важно заметить, что вопреки укоренившемуся мнению, значения ко-
эффициента связи К0 отличны от нуля, а это позволяет реализовывать ППФ.
На рис. 2 показано влияние относительной диэлектрической проницаемости ег на К0. При моделировании были приняты следующие значения: ег = 92, 36, 9.7, 1; Ь = 2 мм; w = 2 мм; S = = 0.05... 1 мм. При ег = 92 длина резонатора составляла значение Ь = 5 мм, и ей соответствовала резонансная частота/0 ~ 2750 МГц. Длины резонаторов с другими значениями ег выбирались такими, чтобы их резонансная частота соответствовала значению /0 ~ 2750 МГц:
L, мм
Er
8.4
36
16.4 9.7
54 1
Отметим характерные особенности изменения коэффициента связи K0, отраженные на рис. 1 и рис. 2:
а) увеличение относительной диэлектрической проницаемости ег приводит к увеличению значений K0;
б) увеличение толщины b полосковой линии передачи увеличивает и K0;
в) коэффициент связи K0 увеличивается по мере уменьшения зазора между резонаторами;
г) уменьшение длины полосковых резонаторов (повышение их резонансной частоты) сопровождается увеличением K0;
д) коэффициент связи K0 увеличивается, если ширина центрального проводника резонатора уменьшается.
Рис. 2 показывает, что для полосковых линий с воздушным заполнением er = 1 и при удалении резонаторов друг от друга на величину S > 1 мм коэффициент электромагнитной связи между полуволновыми резонаторами чрезвычайно мал K0 ~ 0. Это положение и было установлено ранее [3, 5]. По мере увеличения er значения K0 возрастают, несмотря на то что геометрическая длина резонаторов уменьшается.
В реальных полосковых конструкциях есть металлические боковые стенки, расположенные перпендикулярно центральным полосковым проводникам, и находящиеся от них на некотором удалении. На вставке к рис. 1а эти боковые стенки не показаны. Введем обозначения: d1 — расстояние от центральных полосок до боковых стенок, расположенных параллельно этим полоскам; d2 — расстояние от торцов центральных полосок до боковых стенок. На рис. 3 показано изменение K0 при различном удалении боковых проводящих стенок d1 и d2 от центральных полосковых проводников. Сплошная линия соответствует изменению расстояния d1 при d2 = 2 мм = const; пунктирная ли-
Ko, %
5 4 3 2 1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 S, мм
Рис. 2. Зависимость Kq от зазора S между полуволновыми резонаторами из отрезков симметричных полосковых линий передачи с различной относительной диэлектрической проницаемостью sr = 1 (1); 9.7 (2); 36 (3); 92 (4).
K0, %
4
3
\
S
0.4
0.8
1.2
1.6
di, d2, мм
Рис. 3. Изменение Kq полуволновых полосковых резонаторов при различном удалении боковых проводящих стенок di и d2 от центральных полосковых проводников: dj изменяется, d2 = 2 мм (сплошная кривая); d2 изменяется, dj = 2 мм (штриховая).
ния соответствует изменению расстояния d2 при d1 = 2 мм = const. При моделировании было принято: er = 92; b = 2 мм; L = 10 мм; w = 2 мм; S = 0.2 мм.
Как следует из рис. 3, уменьшение d1 приводит к уменьшению значений K0, а уменьшение d2 сопровождается увеличением K0. Значения d1 и d2 можно выбрать таким образом, чтобы взаимно скомпенсировать это влияние. Так, при d1 = = d2 = 2 мм значение K0 = 2.5%. Такое же значение K0 будет при d1 = 0.4 мм и d2 = 0.8 мм. При d1 и d2 больше b/2 (1 мм) влияние проводящих боковых стенок на K0 мало. Заметим, что кривые на рис. 1, 2 построены при d1 = d2 = b = 2 мм.
Основной полученный результат заключается в том, что коэффициент связи K0 между полосковыми ^/2 резонаторами на основной резонанс -
2
1
0
Кп, %
20 16 12 8 4
0
^ 2
\ _ 3 ^ ■ < ✓
я
Рис. 4. Зависимость коэффициентов связи Кп пары полуволновых полосковых резонаторов от относительной координаты кондуктивного отрезка связи я (Ко — кривая 1, Щ — кривая 2, К — кривая 3).
ной частоте отличен от нуля. В рассмот
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.