Полосно-пропускающие СВЧ фильтры производства НПФ «Микран»
Представлен краткий обзор полосно-пропускающих фильтров (ППФ) СВЧ, разработанных и производимых в ЗАО «НПФ Микран» (г. Томск). На качественном уровне рассмотрены их основные достоинства и недостатки с точки зрения электрических характеристик и массо-габаритных показателей. Приведены примеры топологической и конструктивной реализации СВЧ фильтров.
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
гРис. 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 KП(NдБ)), а также размеры подложек приведены в таблице 1.
Таблица 1. Основные электрические характеристики микрополосковых фильтров
| f0, ГГц | Δf, ГГц | L0, дБ | KП(NдБ) | Размер подложки, мм | |
| MFPM1047050101 | 4,85 | 0,3 | 1,5 | 3,5 (по уровню –20 дБ) | 9×9 |
| MFPM1047050102 | 4,85 | 0,3 | 2,5 | 2,7 (по уровню –30 дБ) | 13×9 |
| MFPM10812101 | 10 | 4 | 1,5 | 2,0 (по уровню –40 дБ) | 3,5×25 |
| MFPM1362400100 | 36,6 | 0,8 | 3,0 | 3,0 (по уровню –20 дБ) | 2,5×13 |
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, KП(–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
бРис. 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
| f0, ГГц | Δf, МГц |
L0, дБ | KП(NдБ) | |
| MFPD109450949102 | 9,47 | 40 | 2,5 | 2,5 (по уровню –40 дБ) |
| MFPD112521258101 | 12,55 | 60 | 1,5 | 2,0 (по уровню –25 дБ) |
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
бРис. 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
| f0, МГц | Δf, МГц | L0, дБ | KП(NдБ) | |
| MFPK10133401354101 | 1344 | 25 | 2,0 | 3,0 (по уровню –25 дБ) |
| MFPK10043400450101 | 442 | 16 | 1,5 | 4,0 (по уровню –50 дБ) |
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
бРис. 6. Волноводный ППФ MFPW108100834101 (f0 = 8,22 ГГц, Δf = 240 МГц, L0 ≈ 1 дБ, KП(–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
бРис. 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
бРис. 8. Гребенчатый ППФ на коаксиальных резонаторах с перекрестной связью MFPV105530563100 (f0 = 5,58 ГГц, Δf = 1040 МГц, L0 ≈ 1,3 дБ, KП(–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
- 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.
- 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.
- Безбородов Ю. М., Нарытник Т. Н., Федоров В. Б. Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах. Киев: Тэхника, 1989.
- 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).
- 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.
