Краткие сведения о фильтрах с параллельно связанными микрополосковыми резонаторами

Полосно-пропускающие фильтры с параллельно связанными микропо-лосковыми резонаторами [9...12] состоят из полуволновых отрезков микрополосковых линий (резонаторов), разомкнутых на обоих концах и расположенных параллельно друг другу со сдвигом в четверть длины волны Λ₀/4 (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1

Входной и выходной четвертьволновые резонаторы разомкнуты. Разомкнутые резонаторы технологически удобны в печатном исполнении и могут быть элементами микрополосковых интегральных схем. Габариты таких фильтров наименьшие в классе планарных полосковых фильтров. Их применение по технологическим соображениям наиболее целесообразно в диапазоне сантиметровых волн.

К недостаткам таких фильтров относится сравнительно близкое расположение первой паразитной полосы пропускания в области частот в два раза большей центральной частоты основной полосы пропускания и быстрое возрастание потерь при узких полосах пропускания. Поэтому их применяют при относительных полосах пропускания более 2,5%.

Основные расчетные параметры таких фильтров, размещенных на полико-ровой подложке, табулированы в работе [11] для значений диэлектрической проницаемости подложки =9.6. Таблицы составлены на основе моделирования на ЭВМ с учетом потерь и влияния разности фазовых скоростей волн для фильтров с чебышевскими и максимально-плоскими АЧХ. В данном разделе рассматривается методика расчета фильтров только с чебышевской АЧХ по таблицам 8.9 и 8.11 работы [11]. Здесь они представлены таблицами 5.1 и 5.2. На рисунке 5.2 приведена чебышевская АЧХ для идеального 1 и реального фильтра с потерями 2. Известно, что чебышевские фильтры имеют более крутые скаты, чем фильтры с максимально-плоскими АЧХ.

Рисунок 5.2

Форма АЧХ определена следующими параметрами: f₀ – средняя частота полосы пропускания; ƒ_п ,ƒ_-п и ƒ_з, ƒ_-з – граничные частоты теоретической полосы пропускания П_птеор. и полосы заграждения П_з; L₀ – затухание в полосе пропускания из-за диссипативных (тепловых) потерь; L₀=10lg(1/K_р), где K_p=P_вых/P_вх – коэффициент передачи фильтра по мощности; L_п и L_з – затухание в полосе пропускания и в полосе заграждения; L_п=(L_п–L₀) –неравномерность затухания в полосе пропускания; L_з=(L_з–L₀) – эффективное затухание в полосе заграждения; П_птеор=(ƒ_п–ƒ_-п) – полоса пропускания идеального фильтра (без потерь); П_п.р – полоса пропускания реального фильтра (с учетом влияния потерь); П­_з=(ƒ_з –ƒ_-з)  – полоса заграждения.

Таблица 5.1   

Число звеньев n	Пптеор, % ( Lп=0,1дБ)	Ппреал, % ( Lп=0,5дБ)	Ппреал, % ( Lп =3дБ)	L0, дБ	П­з, % ( Lз=30дБ)	П­з, % ( Lз=50дБ)
3	2.5	1.85	3.28	2.8	10	26
	5.0	4.55	6.74	1.4	22	60
	7.5	7.65	10.2	1.0	33	–
	10.0	10.3	13.7	0.76	46	–
	12.5	13.0	17.1	0.64	60	–
	15.0	15.7	20.3	0.56	74	–
	17.5	18.55	23.8	0.48	94	–
	20.0	21.2	27.0	0.4	–	–
5	2.5	1.22	2.37	6.08	5	7
	5.0	3.1	5.2	3.08	9	15
	7.5	5.36	8.05	2.08	15	23
	10.0	7.75	10.95	1.6	20	32
	12.5	10.55	13.9	1.32	25	40
	15.0	13.2	16.6	1.08	30	51
	17.5	16.0	19.5	0.96	36	61
	20.0	18.8	22.4	0.84	42	72
7	2.5	0.88	1.95	9.48	3	5
	5.0	2.4	4.55	4.8	7	9
	7.5	4.26	7.26	3.24	11	14
	10.0	6.5	10.05	2.48	15	20
	12.5	8.75	12.75	2.00	19	25
	15.0	11.0	15.55	1.68	22	30
	17.5	13.6	18.2	1.44	26	35
	20.0	14.5	20.9	1.28	31	42

В таблице 5.1 приведены основные электрические параметры фильтров с чебышевской АЧХ при числе резонаторов (звеньев) n=3, 5 и 7. Во втором столбце таблицы даны относительные полосы пропускания П_птеор в процентах при L_п =0,1 дБ. Далее в 3 и 4 столбцах приводятся относительные полосы пропускания реальных фильтров с учетом потерь при неравномерности затухания L_п =0,5 дБ и 3 дБ. Затухание на средней частоте полосы пропус-кания L₀, определяемое потерями, содержится в 5-ом столбце, а относительные полосы заграждения по уровню L_з =30 дБ и 50 дБ приведены в двух последних столбцах таблицы 5.1.

Геометрические размеры резонаторов можно рассчитать при помощи таблицы 5.2. В ней приведены относительные размеры ширины отрезков связанных линий (b/h)_i и расстояний между полосковыми линиями (s/h)_i  в зависимости от теоретической относительной полосы пропускания П_птеор, %, как исходного параметра. Переход к абсолютным геометрическим размерам происходит после выбора высоты подложки h, значения которой могут быть 2; 1; 0.5 мм. На частотах ниже 5 ГГц применяются поликоровые (керамика на основе окиси алюминия) подложки толщиной 1 мм, на частотах выше 5 ГГц – толщиной 0,5 мм. Здесь не рассматриваются подложки из кварца( =3…4), ситалла ( =7...15), арсенида галлия( =11...14), феррита( =9…16). Характеристики диэлектриков применяемых в качестве подложек детально рассмотрены в работе [12].

 Промышленно изготавливаются подложки размером 60×48, 30×48, 24×30 мм². Меньшие размеры получаются уменьшением вдвое большей стороны пластины (15×24, 12×15 мм²). Сверху фильтр закрывается экраном на расстоянии (6…8)h от поверхности резонаторов.

Длины резонаторов приблизительно равны половине длины волны в линии с диэлектрическим заполнением . Длина области связи резонаторов фильтра, т.е. половина длины резонатора, находится так:

                                   ,                                     (5.1)

где  – длина волны в свободном пространстве (в воздухе), соответст-вующая средней частоте ƒ₀ полосы пропускания; υ – скорость распространения волны в воздухе (3·10⁸ м/с); 

                                                              (5.2)

– эффективная диэлектрическая проницаемость среды в линии;  – диэлект-рическая проницаемость подложки. Относительную ширину  приближенно можно рассчитать по формуле:

                                            .                                 (5.3)

Здесь  – характеристическое (волновое) сопротивление линии. В частности, при =50 Ом и =9.6 по формуле (5.3) получается b/ h 1.

Влияние паразитных реактивностей на разомкнутых концах резонаторов компенсируют их укорочением на величину Δ l, зависящую от относительной ширины полосковой линии b/ h. На рисунке 5.3 приведен график отно-сительного укорочения резонаторов Δ l / h в зависимости от b / h.                                                       

Абсолютное значение укорочения

                                              .                                       (5.4)

Длина отрезков связи резонаторов после их укорочения
                                               .                                       (5.5)

Рисунок 5.3