CC BY
108
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
УДК 621.372.543
ПОЛОСОВЫЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ С КОПЛАНАРНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СВЯЗИ
А.Ю.Беляков, Е.В.Петров*, В.В.Попов, А.П.Штейнгарт
BAND-PASS CERAMIC FILTER WITH COPLANAR COUPLING ELEMENT
A.Iu.Beliakov, E.V.Petrov*, V.V.Popov, A.P.Shteingart
ОАО «СКТБ РТ», [email protected] *Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected]
Показано существенное увеличение коэффициента связи при использовании копланарного элемента связи по сравнению с прямоугольными окнами в системе двух связанных коаксиальных керамических резонаторов. Представлен способ увеличения порядка полосового фильтра без увеличения числа коаксиальных резонаторов.
Ключевые слова: коэффициент связи, копланарный элемент связи, полосовой фильтр, керамический фильтр
A significant improve of coupling between two coupled coaxial ceramic resonators with coplanar coupling element instead of rectangular one is reviewed. The possibility of band-pass filter order's increase without additional coaxial resonators is demonstrated. Keywords: coupling coefficient, coplanar coupling element, band-pass filter, ceramic filter
Полосовые фильтры на основе четвертьволновых металлокерамических коаксиальных резонаторов с ёмкостными, индуктивными или смешанными элементами связи в виде окон в смежных стенках соседних резонаторов давно известны и получили большое распространение [1]. Такие фильтры обладают низкими потерями в полосе пропускания, высокой температурной стабильностью, минимальными массога-баритными показателями и широко применяются в различной радиоэлектронной аппаратуре.
Четвертьволновой резонатор представляет собой блок прямоугольной формы из термостабильного керамического материала с отверстием цилиндрической формы. Отверстие и все грани резонатора, кроме одного торца, металлизированы, как правило, серебром. Длина блока определяется заданной частотой резонатора, величиной диэлектрической проницаемости керамики и укорачивающей емкостью.
Фильтр формируется из цепочки коаксиальных резонаторов, расположенных рядом друг с другом и имеющих смежные грани, в которых и выполнены окна для обеспечения электромагнитной связи. Когда конструкция фильтра предусматривает одновременно связь по электрическому и магнитному полю, суммарная связь зависит от схемы включения резонаторов в цепочке и определяется разностью связей при гребенчатой схеме и суммой связей при встречно-стержневой (рис. 1). Совокупность достижимых параметров фильтров определяется порядком фильтра и диапазоном реализуемых распределений коэффициентов связи между резонаторами. Диапазон реализуемых величин коэффициентов связи во встречно-стержневой схеме больше, чем в гребенчатой, тем не менее, гребенчатая схема в ряде случаев имеет определенные преимущества технологического характера
и позволяет реализовывать полюса затухания вблизи полосы пропускания, что может существенно улучшить избирательность фильтра.
Рис.1. Эквивалентная схема электромагнитных связей полосового фильтра
При синтезе металлокерамических фильтров перед разработчиком встает задача определения формы и размеров элементов конструкции, в том числе и элементов связи между соседними резонаторами, обеспечивающих требуемые величины коэффициентов связи. Применение современных программ трехмерного моделирования позволяет в короткие сроки оценить конструктив фильтра и принять решение по выбору того или иного элемента конструкции.
Зависимость коэффициента связи k от формы и размеров элементов связи определяется путём моделирования системы двух резонаторов, связанных исследуемым элементом связи (рис.2). Величина коэффициента связи рассчитывается по разности частот четного и нечетного видов колебаний двух связанных резонаторов [2,3]:
k = (ю2 — ®2) /(®2 + ®2), (1)
где — частоты четных и нечетных связанных
колебаний.
Рис.2. Пример модели двух связанных резонаторов
В некоторых случаях традиционные прямоугольные окна связи не могут обеспечить требуемую величину коэффициента связи к между резонаторами, в такой ситуации может быть применен ко-планарный элемент связи, который обладает большим диапазоном реализуемых величин коэффициента связи k (рис.3), что подтверждается исследованиями.
Рис.3. Вид элемента связи между резонаторами: а — прямоугольный; б — копланарный
В качестве объектов исследования по диапазону реализуемых величин коэффициента связи к выступили прямоугольные окна в гребенчатой и встречно-стержневой структурах и предлагаемый копланарный элемент связи. При фиксированной ширине окна Ъсв проводилось дискретное изменение длины окна Lсв. Результаты расчетов коэффициентов связи для исследуемых элементов показаны в таблице и отображены на графиках (рис.4).
Рис.4. Зависимость величины к от Lсв для разных элементов связи
Результаты исследования показывают существенное увеличение коэффициента связи при использовании копланарного элемента по сравнению с прямоугольными окнами в гребенчатых и встречно-стержневых структурах. Это объясняется тем, что коаксиальный резонатор и копланарный элемент связи образуют свою встречно-стержневую систему связанных линий при расстоянии между ними в два раза меньшем, чем при связи коаксиальных резонаторов через окно, что в свою очередь приводит к увеличению коэффициента связи.
Другой особенностью копланарных элементов связи является возможность их настройки на резонансную частоту коаксиальных резонаторов с помощью емкостных зазоров £ на разомкнутом конце (рис.3б) или дополнительных укорачивающих ёмкостных элементов, в этом случае они представляют собой дополнительные резонансные контура в цепочке связанных резонаторов.
В сравнении с традиционными фильтрами в виде цепочки коаксиальных резонаторов с нерезонансными элементами связи, где порядок фильтра определяется числом коаксиальных резонаторов, в предлагаемом фильтре порядок определяется суммой числа коаксиальных резонаторов и числа копланарных резонаторов в цепочке связанных резонаторов, что приводит к возможности получения заданных характеристик при меньшем числе коаксиальных резонаторов.
Вид характеристики фильтра определяется распределением нагруженных добротностей входящих в
Результаты расчета коэффициентов связи
Коэффициент связи Lсв, мм к1 (прямоугольное окно в гребенчатой структуре) к2 (прямоугольное окно во встречно-стержневой структуре) к3 (копланарный элемент связи)
0,5 0,042 0,035 0,043
1,0 0,055 0,046 0,056
1,5 0,063 0,055 0,070
2,0 0,068 0,064 0,086
2,5 0,068 0,072 0,109
3,0 0,064 0,080 0,134
3,5 0,055 0,085 0,167
4,0 0,044 0,089 0,206
цепочку коаксиальных резонаторов и копланарных резонансных элементов связи, которое в свою очередь определяется величинами связи между соседними коаксиальными и копланарными резонаторами. Связь между коаксиальным и копланарным резонатором можно регулировать шириной копланарного резонатора, диаметром центрального проводника коаксиального резонатора, расстоянием между центральным проводником коаксиального резонатора и центральным проводником копланарного резонатора (боковой стенкой коаксиального резонатора).
На рис.5 и 6 представлены результаты синтеза фильтра Чебышева пятого порядка реализованного в виде цепочки из трех коаксиальных резонаторов и двух резонансных копланарных элементов связи, и графическое отображение результатов расчета его S-параметров.
Рис.5. Модель фильтра пятого порядка
'y V 3ZT1EF1
л A j\f
! i V*
Рис.6. S-параметры фильтра Чебышева пятого порядка с резонансными элементами связи
Синтез фильтра проводился с применением компьютерного моделирования по методике, изложенной в [4].
Таким образом, применение копланарного элемента связи при проектировании металлокерами-ческих фильтров позволяет существенно увеличить диапазон реализуемых величин коэффициентов связи между резонаторами по сравнению с традиционными прямоугольными элементами связи, а также даёт возможность увеличения порядка фильтра без увеличения числа резонаторов.
1. Hano K., Kohriyama H., Sawamoto K. A Direct-Coupled X/4-Coaxial Resonator Bandpass Filter for Land Mobile Communications // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1986. Vol. MIT-34. №9. P.972-976.
2. Tyurnev V.V. Coupling coefficients of resonators in microwave filter theory // Progress in Electromagnetics Research B. 2010. Vol.21. Р.47-67.
3. Тюрнев В.В. Теория цепей СВЧ: учебное пособие. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. 194 с.
4. Беляков А.Ю., Петров Е.В., Попов В.В., Штейнгарт А.П. Методика проектирования металлокерамических фильтров СВЧ с применением программ 3d-моделирования // Вестн. Новг. гос. ун-та. Сер.: Технические науки. 2014. № 81. С.26-30.
References
1. Hano K., Kohriyama H., Sawamoto K. A direct-coupled X /4-coaxial resonator bandpass filter for land mobile communications. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1986, vol. MIT-34, no. 9, pp. 972-976.
2. Tyurnev V.V. Coupling coefficients of resonators in microwave filter theory. Progress in Electromagnetics Research B, 2010, vol. 21, pp. 47-67.
3. Tiurnev V.V. Teoriia tsepei SVCh [Microwave circuit theory]. Krasnoyarsk, KSTU Publ., 2003. 194 p.
4. Beliakov A.Iu., Petrov E.V., Popov V.V., Shteingart A.P. Metodika proektirovaniia metallokeramicheskikh fil'trov SVCh s primeneniem programm 3d-modelirovaniia [A method for development of the ceramic-metal filters using 3D modeling programs]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhniches-kie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2014, no 81, pp. 26-30.
