Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2022, T. 503, № 1, стр. 57-62

КОНСТРУКЦИЯ И СВОЙСТВА ДВУХМОДОВОГО МИКРОПОЛОСКОВОГО РЕЗОНАТОРА

Топология нерегулярного полоскового проводника исследуемого двухмодового микро-полоскового резонатора представлена на вставке рис. 1a. Этот проводник состоит из пяти регулярных участков, два из которых имеют ширину W и образуют отрезки линии передачи с низким волновым сопротивлением длиной L, наружные регулярные участки, свободными концами соединенные с экраном, имеют ширину w и образуют отрезки высокоомных линий длиной l₁. Средний участок имеет ширину также w и является отрезком высокоомной линии передачи длиной l₂.

На рис. 1a показаны зависимости собственных частот двух нижайших мод колебаний нерегулярного резонатора  f₁ и  f₂, рассчитанные при изменении ширины низкоомного участка W при фиксированной ширине высокоомных участков w = = 0.1 мм. Расчет проведен в пакете программ CST Studio Suite электродинамическим анализом 3D-модели исследуемого резонатора, при его слабой связи с внешними линиями передачи (в этом случае его резонансные частоты приближаются к собственным частотам  f₁ и  f₂). Видно, что с ростом W частоты f₁ и f₂ понижаются и монотонно сближаются. В описанном исследовании подложкой резонатора служит керамическая металлизированная снизу пластина толщиной 1 мм из поликора, имеющего относительную диэлектрическую проницаемость ε = 9.8, а тангенс угла диэлектрических потерь tgδ = 10^–4. Остальные конструктивные параметры резонатора следующие: длина узких участков l₁ = 3.5 мм и l₂ = 5 мм, длина широких участков L = 4 мм, расстояние от краев широких участков полосковой структуры до краев подложки 1 мм, а расстояние от поверхности подложки до верхней крышки-экрана 8 мм. В результате полная длина нерегулярного проводника резонатора равна 20 мм.

Величину взаимодействия двух первых мод колебаний исследуемого резонатора количественно можно оценить коэффициентом связи k, который несложно вычислить, зная собственные частоты этих мод

по аналогии определения коэффициента связи пары взаимодействующих резонаторов [10]. В таком случае коэффициент связи, как известно, определяет относительную ширину полосы пропускания Δf/f₀ фильтра второго порядка (здесь Δf – ширина полосы пропускания, измеренная по уровню 3 дБ от уровня минимальных потерь, f₀ – ее центральная частота). На рис. 1б представлена зависимость коэффициента связи двух первых мод колебаний исследуемого резонатора, построенная от ширины проводника его низкоомных участков. Из представленных графиков видно, что варьированием конструктивных параметров рассматриваемого резонатора можно изменять отношение собственных частот первых двух мод его колебаний, что позволяет изменять коэффициент связи в широких пределах, а значит и относительную ширину полосы пропускания.

МИНИАТЮРИЗОВАННЫЙ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР НА ДВУХМОДОВОМ МИКРОПОЛОСКОВОМ РЕЗОНАТОРЕ

Один из эффективных способов миниатюризации микрополосковых фильтров заключается в уменьшении размеров подложки за счет изгибов и сворачиваний полосковых проводников, если это допускает конкретная конструкция устройства. Названный способ миниатюризации хорошо подходит к исследованному двухмодовому резонатору, нерегулярный проводник которого (см. вставку на рис. 1а) можно свернуть в фигуру, напоминающую букву S, как это показано на вставке рис. 2. Отличительной особенностью такого миниатюризованного резонатора является то, что в нем отрезки высокоомных линий с узкими полосковыми проводниками подключаются не к центрам широких проводников отрезков низкоомных линий, а к их краям. При этом в полосно-пропускающем фильтре на основе двухмодового миниатюризованного резонатора разъемы портов входной и выходной линий передачи удобно подключить кондуктивно к соединенным с экраном высокоомным участкам резонатора (см. вставку на рис. 2). В этом случае изменением расстояния от точки подключения портов до точки соединения проводников с экраном легко регулируется величина связи внешних линий с резонатором при настройке фильтра на заданную ширину полосы пропускания.

На рис. 2 представлена АЧХ фильтра второго порядка, подключенного к внешним линиям передачи с волновым сопротивлением 50 Ом, синтезированного с использованием электродинамического анализа его 3D-модели в пакете программ CST Studio Suite. Для определенности, микрополосковая структура миниатюризованного двухмодового резонатора настраивалась на центральную частоту полосы пропускания f₀ = 2 ГГц и ее относительную ширину Δf/f₀ = 70% подбором размеров топологии проводников так, чтобы в полосе пропускания фильтра максимальная величина потерь на отражение S₁₁ = –20 дБ. Все размеры топологии проводников настроенного фильтра, полученные в результате параметрического синтеза, показаны на вставке рис. 2. При этом габариты микрополосковой структуры фильтра составляют всего лишь 11.40 × 10.35 мм.

Частотная зависимость прямых потерь исследуемого фильтра S₂₁(f), представленная на рис. 2, показывает протяженную высокочастотную полосу заграждения, простирающуюся почти до 5f₀, и сравнительно высокий для широкополосного фильтра второго порядка уровень подавления СВЧ-мощности в ней. Очевидно, это обусловлено двумя полюсам затухания, наблюдаемыми в средней части полосы заграждения, которые формируются за счет дополнительной электромагнитной связи между резонаторами [11], возникшей из-за существенного сближения широких отрезков низкоомных линий в результате сворачивания нерегулярного проводника микрополосковой структуры. Отметим, что потери в полосе пропускания фильтра не превышают 0.3 дБ.

Важными параметрами, характеризующими частотно-селективные свойства полосно-пропускающих фильтров, являются коэффициенты крутизны низкочастотного K_l и высокочастотного K_h склонов АЧХ [12]:

где $\Delta f_{{30}}^{l}$ и $\Delta f_{{30}}^{h}$ – полосы частот, измеренные от центральной частоты до низкочастотного или высокочастотного склона АЧХ по уровню 30 дБ от уровня минимальных потерь в фильтре. Для рассматриваемого фильтра на двухмодовом резонаторе более крутой низкочастотный склон АЧХ характеризуется коэффициентом K_l = 0.57, а высокочастотный склон K_h = 0.28, что отражает достаточно хорошие частотно-селективные свойства исследованной конструкции в сравнении с широкополосными фильтрами второго порядка традиционных конструкций. Важно отметить, что предложенный микрополосковый двухмодовый резонатор позволяет создавать фильтры с относительной шириной полосы пропускания от 40% до 90%.

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА ФИЛЬТРА ВОСЬМОГО ПОРЯДКА

Как известно, для увеличения крутизны склонов АЧХ полосно-пропускающего фильтра необходимо повышать его порядок, увеличивая число резонаторов. Это несложно сделать в многозвенном фильтре на основе исследованного двухмодового микрополоскового резонатора, используя в конструкции фильтра несколько таких электромагнитно связанных резонаторов. В частности, нами разработана и исследована конструкция фильтра восьмого порядка, построенного на четырех двухмодовых резонаторах. В качестве подложки фильтра использовалась керамическая пластина толщиной 1 мм из поликора, имеющего относительную диэлектрическую проницаемость ε = 9.8. Топология проводников фильтра представлена на рис. 3а. Параметрический синтез конструкции фильтра, в которой предусмотрена верхняя металлическая крышка на высоте 8 мм от поверхности подложки, проводился с использованием электродинамического анализа его 3D-модели в пакете программ CST Studio Suite так, чтобы все максимумы потерь на отражение в полосе пропускания были на уровне примерно –14 дБ. При этом для определенности была задана центральная частота полосы пропускания f₀ = 2 ГГц и ее относительная ширина Δf/f₀ = 40%, измеренная по уровню 3дБ от уровня минимальных потерь. В процессе синтеза подбирались ширины и длины регулярных участков полосковых проводников, а также зазоры между ними. Размеры топологии проводников фильтра, полученные в результате синтеза, показаны на рис. 3а в миллиметрах. Благодаря небольшим габаритам подложки фильтра 45.0 × 10.5 мм, его конструкцию можно считать миниатюрной.

На рис. 3б сплошной линией представлена частотная зависимость прямых потерь S₂₁(f), а штриховой линией – частотная зависимость потерь на отражение S₁₁(f), полученные численным расчетом 3D-модели синтезированной конструкции фильтра. Видно, что фильтр обладает высокими частотно-селективными свойствами, имеет протяженную высокочастотную полосу заграждения и уровни подавления помех как в низкочастотной, так и в высокочастотной полосах заграждения более 80 дБ. Кроме того, полюса затухания, расположенные слева и справа вблизи полосы пропускания, значительно увеличивают крутизну склонов АЧХ, тем самым повышая избирательность фильтра. В результате коэффициенты крутизны склонов АЧХ, вычисленные по формуле (2), значительно возросли по сравнению с фильтром второго порядка, описанным выше. Значение коэффициента крутизны низкочастотного склона K_l = 4.45 увеличилось почти в 8 раз, а коэффициент крутизны высокочастотного склона K_h = 3.35 увеличился почти в 12 раз.

Для экспериментальной проверки работоспособности разработанного фильтра восьмого порядка был изготовлен опытный образец устройства в соответствии с полученными в результате синтеза размерами топологии проводников. Изготовленная фотолитографией микрополосковая структура припаивалась нижним металлизированным основанием (экраном) к дну металлического корпуса, а затем узкие наружные проводники резонаторов, которые должны соединяться с экраном, припаивались к боковым стенкам корпуса. На торцах корпуса закреплены коаксиальные разъемы SMA, к которым припаяны полосковые проводники входа и выхода фильтра. Фотография изготовленного таким образом опытного образца фильтра без верхней металлической крышки представлена на вставке рис. 3б. Измеренные на векторном анализаторе цепей R&S ZVA-40 частотные зависимости прямых потерь S₂₁(f) показаны точками на рис. 3б. Видно хорошее совпадение рассчитанных и измеренных частотных характеристик фильтра. Отметим также, что измеренное значение минимальных потерь в полосе пропускания изготовленного фильтра в точности совпадает с расчетным значением и равно 1.5 дБ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, разработана новая конструкция двухмодового микрополоскового резонатора, в которой нерегулярный полосковый проводник, состоящий из пяти регулярных участков, позволяет изменением ширин этих участков варьировать в широких пределах собственные частоты первых двух мод колебаний и величину их взаимодействия (коэффициент связи). Показано, что на таком двухмодовом резонаторе можно создавать фильтры второго порядка с относительной шириной полосы пропускания Δf/f₀ от 40 до 90% и расширенной высокочастотной полосой заграждения, простирающейся до 5f₀. Миниатюризация резонатора путем сворачивания его нерегулярного проводника в форму, напоминающую букву S, приводит не только к уменьшению размеров подложки, но и к образованию полюсов затухания в высокочастотной полосе заграждения, которые значительно увеличивают уровень подавления помех.

Показано также, что на основе миниатюризованных двухмодовых резонаторов можно разрабатывать многозвенные фильтры высокого порядка, обладающие повышенными частотно-селективными свойствами. В этом случае между отдельными резонаторами легко образуется необходимая электромагнитная связь посредством взаимодействующих узких отрезков проводников от каждого резонатора. На примере фильтра восьмого порядка продемонстрирована возможность реализации миниатюрного устройства с высокими частотно-селективными свойствами, в котором электромагнитно связаны четыре двухмодовых резонатора. В этом фильтре крутизна склонов амплитудно-частотной характеристики увеличена за счет полюсов затухания, расположенных с обеих сторон вблизи полосы пропускания. Хорошее согласие измеренных характеристик на опытном образце устройства с рассчитанными характеристиками, полученными численным электродинамическим анализом 3D-модели фильтра, говорят о высокой эффективности параметрического синтеза разработанной конструкции фильтра по заданным характеристикам. Результаты проведенных исследований доказывают перспективность применения разработанной конструкции широкополосного микрополоскового фильтра в современных радиотехнических системах связи, радиолокации, радионавигации, различной измерительной и специальной аппаратуре.