CC BY
734
УДК 621.372.543
В.В.Попов, Л.А.Одоевская, М.И.Бичурин
РАЗРАБОТКА МАЛОГАБАРИТНЫХ ПОЛОСОВЫХ СВЧ ФИЛЬТРОВ
Институт электронных и информационных систем НовГУ
The analysis of small-sized ceramic filter designs based on the coaxial ceramic resonators is carried out. The monoblock smallsized microwave filter design allowing to project band pass filters in the range of 3-10 GHz is offered.
Все большую роль в коммерческой и военной областях играют беспроводные СВЧ системы связи. Однако при проектировании новых систем разработчики должны решить ряд технических проблем. С одной стороны, для передачи качественного видеоизображения, звука и информации другого рода необходимо применять сложные виды сигналов, поддерживающие высокоскоростные потоки данных, а с другой стороны, для увеличения продолжительности жизни батарей необходимо снижать уровни излучаемых сигналов и потребляемую системой мощность. Значительно сгладить указанные противоречия и найти компромиссное техническое решение позволяет использование новых технологий при разработке как отдельных устройств, так и систем в целом [1].
Специфические требования накладываются и на фильтры, работающие в системах с широкополосными видами модуляции, которые должны иметь минимальные потери и малые габариты. Рост скоростей потоков данных требует повышенной пропускной способности каналов, что может быть достигнуто расширением полосы пропускания, т. е. использовать такие системы можно только в СВЧ диапазоне.
Успехи в решении проблем миниатюризации, повышения надежности и технологичности радиоэлектронной аппаратуры диапазона СВЧ в настоящее время основаны на использовании новых видов материалов, при этом совершенствование технологии их получения приводит к реализации перспективных твердотельных активных и пассивных приборов. Одной из разновидностей этих элементов в последние годы стали малогабаритные керамические фильтры (МКФ) на основе объемных коаксиальных резонаторов, применение которых позволяет по-новому решать проблему миниатюризации и создавать устройства с характеристиками, недостижимыми ранее на основе традиционных подходов к решению задач частотной фильтрации СВЧ сигналов [2].
Основными преимуществами этих фильтров являются [3]: малые габариты (—10x15x5 мм); небольшой вес (менее 5 г); широкий диапазон частот (от 0,8 до 10 ГГц); малые потери в полосе пропускания (от 0,1 до 4 дБ); механическая прочность; широкий температурный диапазон использования (-60 ^ +85°С); высокая надежность; возможность поверхностного монтажа. Все это позволяет успешно
Основные характеристики малогабаритных керамических фильтров
Название фирмы производителя Наименование фильтра Средняя частота f0, МГц Полоса пропускания Af МГц Вносимые потери авш дБ Габаритные размеры, мм
На основе дискретных резонаторов
Murata DFCH22G45HDHAA 2450 100 1,0 14x10x4
Spectrum Control INC BPC3-2442-084SB 2442 82 2,4 10x8x3
Моноблочная конструкция
Murata DFCB32G45LBJAA 2450 100 3,2 3,6x3x1,6
Murata DFCB35G77LAHAA 5775 100 3 4,1x4,1x1,6
Spectrum Control INC IBB2-2442-084SA 2442 82 2 3,7x4,25x2
Spectrum Control INC IDD2-5800-150SA 5800 150 2 4,2x3,4x2
Epcos B69812N2337B313 2338 150 2 3,6x3x1,6
Epcos B69842N5807A150 5800 150 1,3 3x2x1,6
RETEC - KORUS Ltd VF2450B2 2450 100 2 6,5x4,3x3
RETEC - KORUS Ltd VF5735B20M 5735 60 3 5x4x2,5
OepHT-^OMeH M448.803 1601 45 1,2 10x9x5
конкурировать МКФ с фильтрами на ПАВ — по диапазону рабочих частот и мощности, с микрополоско-выми и объемными фильтрами на диэлектрических резонаторах — по габаритам и весу, а в некоторых случаях позволяяет заменять громоздкие волноводные фильтры.
Для сравнения представим сведения по мировым разработчикам керамических СВЧ фильтров. Ведущее место в мире по производству МКФ занимают фирмы Murata (Япония), UBE (Япония), Spectrum Control INC (США), Lorch (США), Epcos (ФРГ), Token (Тайвань), Accute (Китай) [4]. Они выпускают для коммерческого использования фильтры, работающие в диапазонах беспроводных стандартов связи: Bluetooth — 2400-2480 МГц (средняя частота 2440 МГц); HIPERLAN — средняя частота 5800 МГц; IEEE 802.11 — средние частоты 2450 МГц и 5800 МГц.
МКФ этих фирм позиционируются для использования в таких устройствах, как мобильные телефоны, приемопередатчики сотовых базовых станций, спутниковые телефоны и приемопередатчики, GPS и навигационное автомобильное оборудование, подвижные наземные радиостанции, кабельное телевидение, модемы, беспроводные ЛВС. Отечественными разработчиками МКФ являются ОАО «RETEC-KORUS Ltd» и ОАО НИИ «Ферит-Домен» [5,6].
Основные характеристики малогабаритных керамических фильтров, выпускаемых указанными фирмами, приведены в таблице. На данный момент существует два принципа построения МКФ: на основе дискретных резонаторов и моноблочная конструкция.
В низкочастотной части СВЧ диапазона (до 3 ГГц) полосовые фильтры можно реализовать в виде комбинации отдельных одиночных резонаторов, которые связаны между собой магнитной связью витков проводников, присоединенных к соседним резонаторам. Общий вид одиночного керамического резонатора показан на рис.1 а,б.
Резонатор представляет собой закороченную на конце экранированную симметричную линию, длина которой близка к X /4 (X — длина волны). Торец симметричной линии формирует емкость резонатора и является местом присоединения резонатора к фильтру.
Керамический фильтр формируется из комбинации нескольких дискретных диэлектрических резонаторов с разной добротностью Q и, соответственно, с разной длиной. Пример реализации такого МКФ приведен на рис.1в. Керамические резонаторы устанавливаются на монтажную плату, на которой сформированы площадки для подключения резонаторов (рис.2). Для осуществления возможности поверхностного монтажа на обратной стороне платы сформированы контакты «вход», «выход» и «земля».
б
Рис.1. Керамический резонатор: а — внешний вид; б — резонатор в разрезе; в — эквивалентная схема двухрезонаторного фильтра
Экранирование фильтра и придание жесткости конструкции обеспечиваются дополнительно устанавливаемым металлическим кожухом. Данная конструкция с небольшими вариациями характерна для всех производителей фильтров на основе дискретных резонаторов.
К достоинствам конструкции фильтров на дискретных резонаторах можно отнести: возможность индивидуальной настройки каждого резонатора; возможность использования резонаторов с различными параметрами, что позволяет получать амплитудночастотные характеристики (АЧХ) необходимой формы; получение фильтров с большим количеством звеньев. Однако кроме достоинств есть у данной конструкции и изъяны: частотный до 4000 МГц; увеличение потерь вследствие внешней связи между резонаторами; низкая механическая прочность; недостаточная термостабильность компонентов фильтра; дополнительная трудоемкость при изготовлении. Использование корпусов позволяет повысить механическую прочность и термостабильность фильтров, но при этом возрастают габаритные размеры и вес конструкции, а также усложняется процесс изготовления, что приводит к повышению себестоимости продукции.
Для устранения недостатков конструкции на дискретных резонаторах и улучшения характеристик была разработана моноблочная конструкция. Отличием ее является объединение резонаторов и реализация связи внутри монолитного объема аналогично связанным линиям передачи. Для получения необходимых характеристик фильтров (избирательности, полосы пропускания) формируется различное количество резонаторов (1-5) в объеме заготовки.
Условно конструкцию фильтра можно разделить на три основные части, каждая из которых выполняет определенную функцию: 1 — связанные диэлектрические резонаторы, реализованные в виде отрезков регулярных связанных симметричных линий круглого сечения, которые на торце закорочены; 2 — элементы связи с внешней цепью, выполненные из комбинации отрезков копланарной линии, расположенных над отрезком связанных линий с соответствующей нагрузкой на конце; 3 — схема внешней настройки фильтра, выполненная в виде проводящих площадок, обеспечивающих емкостную связь.
Моноблочная конструкция имеет ряд значительных преимуществ перед конструкцией фильтров на дискретных резонаторах: расширенный частотный диапазон (до 10 ГГц); механическая прочность (обеспечивается формой и материалом); термостабильность (обеспечивается выбором материала); малый вес и габариты (нет необходимости использовать корпус). А к недостаткам ее следует отнести: сложность получения многозвенных фильтров (ввиду
сложности изготовления пресс-форм и согласования резонаторов между собой); невозможность индивидуальной настройки каждого резонатора; в некоторых случаях необходимость использования заготовок сложной конфигурации для получения АЧХ заданной формы (пазы, отверстия резонаторов разного диаметра и т.д.).
В работе представлены результаты разработки полосовых малогабаритных керамических СВЧ фильтров на основе моноблочной конструкции. Данная конструкция обеспечивает возможность проектирования фильтров на частоты 3-8 ГГц с необходимыми характеристиками. Механическая прочность, термостабильность и малый вес обеспечивается выбором керамического материала. Для улучшения технологичности используется двухзвенная конструкция фильтров, для расширения полосы пропускания осуществляется ослабление связи между резонаторами посредством паза заданной величины. Размеры керамических элементов, паза и конфигурация копланар-ных линий, обеспечивающих «вход» и «выход», определяются посредством расчета. Для улучшения характеристик фильтров предусмотрена возможность применения каскадирования, использования монтажной платы с заданными параметрами, установки экрана. Для осуществления подстройки предусмотрены проводящие площадки на открытой стороне фильтра, обеспечивающие емкостную связь и возможность нанесения рисок на копланарных линиях, образующих «вход» и «выход».
Внешний вид конструкции малогабаритного объемного керамического фильтра, принятой в качестве базовой, показан на рис.3.
2
Рис.3. Внешний вид конструкции малогабаритного керамического фильтра на основе коаксиальных резонаторов. 1 — паз; 2 — копланарные линии, образующие «вход» и «выход» фильтра; 3 — проводящие площадки
В процессе разработки было проведено сравнение расчетных и экспериментальных электриче-
ских характеристик фильтра. Для этого использовался измеритель модуля коэффициента передачи и отражения Р2М-18. Основные характеристики прибора: диапазон рабочих частот синтезатора от 10 до 18000 МГц; относительная погрешность установки частоты при работе от внутреннего опорного генератора ±0,1 млн-1; волновое сопротивление выхода «СВЧ» 50 Ом.
Измерение коэффициента передачи проводилось по схеме, приведенной на рис.4.
Рис.4. Схема включения прибора Р2М-18 для измерения модуля коэффициента передачи
Примеры АЧХ полученных опытных образцов фильтров приведены на рис.5.
Как видно из полученных характеристик коэффициента передачи, фильтры имеют ширину полосы пропускания от 0,5 до 3%, затухание в полосе пропускания не более 4 дБ (затухание на подключающем устройстве ~1 дБ). В полосе заграждения затухание составляет ~ 35 дБ. Неравномерность характеристик можно компенсировать с помощью подстроечных элементов.
Анализ полученных результатов показал, что двухзвенная моноблочная конструкция позволяет проектировать полосовые СВЧ фильтры в диапазоне 3-10 ГГц. Дальнейшая работа позволит эффективно использовать настройку фильтров для улучшения их параметров. Для уменьшения потерь в полосе пропускания планируется уменьшить потери на отражение путем оптимизации элементов связи с внешней цепью.
1. Новые направления развития СВЧ устройств: По материалам Microwave Journal / Пер. Ю. Потапова — http://www.chipnews.ru/html.cgi/arhiv_i/99_04/stat-56.htm
2. Recent Dielectric Filter Technology and Relationship with SAW Technology in the Future. Jun Hattori. Murata Manufacturing Company, Ltd.
3. http://www.unicom.ru/Info/PRO/FILTER/filter.htm.
4. См. каталоги указанных фирм.
5. См. каталог фирмы RETEC-KORUS Ltd (Россия).
6. КЖГП.468850.002 ТУ. Приборы М448.803, М448.803А, М448.803Б, М448.803В, М448.804-1, М448.804А-1, М448.804Б-1, М448.804В-1 Технические условия (Феррит-Домен, Россия).
а
б
Частота, МГц
в
Рис.5. Амплитудно-частотные характеристики малогабаритных керамических фильтров: а) Ъ = 2,9 ГГц; б) Ъ = 4,88 ГГц; в) /Ъ = 7,65 ГГц
