В диапазоне СВЧ широко применяются микрополосковые фильтры. Принцип работы этих фильтров заключается в том, что в качестве схемы второго порядка, формирующей полюс АЧХ (как контур в LC фильтрах), применяются четвертьволновые резонаторы. Эти резонаторы связаны между собой электромагнитным полем. На рисунке 1 приведены фотографии печатных плат основных типов микрополосковых полосовых фильтров. В качестве материала подложек используется поликор (вид керамики) ВК-100 (ε = 9,8).
Рисунок 1. Топологии основных типов полосовых фильтров на керамической подложке
Основные электрические характеристики керамических фильтров СВЧ, производимых НПФ "Микран", (центральная частота настройки f0, ширина полосы пропускания Δf, затухание на центральной частоте a0 и коэффициент прямоугольности по уровню NдБ KП(NдБ)), а также размеры подложек приведены в таблице 1.
Таблица 1. Основные электрические характеристики микрополосковых фильтров на керамической подложкеТип фильтра | f0, ГГц | Δf, ГГц | a0, дБ | KП(NдБ) | Размер подложки, мм |
---|---|---|---|---|---|
MFPM-047050-01 | 4,85 | 0,3 | 1,5 | 3,5 (по уровню –20 дБ) | 9×9 |
MFPM-047050-02 | 4,85 | 0,3 | 2,5 | 2,7 (по уровню –30 дБ) | 13×9 |
MFPM-0812-01 | 10 | 4 | 1,5 | 2,0 (по уровню –40 дБ) | 3,5×25 |
MFPM-362400-00 | 36,6 | 0,8 | 3,0 | 3,0 (по уровню –20 дБ) | 2,5×13 |
В конструкции фильтра печатная плата, приведенная на рисунке 1, закрывается со всех сторон экраном. Это делается для борьбы с прямым прохождением сигнала на выход фильтра и для уменьшения влияния элементов конструкции на параметры фильтров. В качестве примера на рисунке 2 приведен внешний вид керамических полосовых фильтров, предлагаемых в [2].
Рисунок 2. Внешний вид керамических полосовых фильтров
Главный недостаток данного вида СВЧ фильтров — относительно низкая добротность резонаторных элементов (Q ~ 200–250), вследствие чего узкополосные микрополосковые фильтры имеют достаточно большие потери в полосе пропускания.
Для снижения потерь и уменьшения габаритов используются керамические фильтры на диэлектрических резонаторах. В них вместо микрополосковых линий применяются резонаторы. Уменьшение размеров резонаторов достигается за счет уменьшения длины волны при ее распространении в среде с диэлектрической постоянной ε. Чем большим ε обладает диэлектрик, тем меньше будут размеры четвертьволнового резонатора.
По совокупности массо-габаритных параметров и электрических характеристик эти фильтры занимают промежуточное положение между устройствами на полых металлических волноводах и на микрополосковых линиях. При этом керамические фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах имеют наименьший габаритный индекс потерь [3].
Основными преимуществами этих фильтров являются: малые габариты (~10×15×5 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 (
Полосовые керамические 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 рисунке 3.
Рисунок 3. Конструкция керамического резонатора
Резонатор представляет собой закороченную на конце экранированную симметричную линию, длина которой близка к λ/4 (λ — 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 частотой, добротностью и, соответственно, с разной длиной. Эквивалентная схема двухрезонаторного керамического фильтра приведена на рисунке 4
Рисунок 4. Эквивалентная схема двухрезонаторного фильтра
Конструкция малогабаритных керамических многорезонаторных полосовых фильтров поверхностного монтажа приведена на рисунке 5.
Рисунок 5. Современная конструкция малогабаритного керамического фильтра на основе дискретных резонаторов