Полосовой перестраиваемый фильтр свч

 

Использование: в приемниках спутникового телевидения, в перестраиваемых гетеродинных и других приемниках СВЧ с электрически перестраиваемой рабочей полосой частот. Сущность изобретения: устройство содержит резонансный контур с квазисосредоточенной индуктивностью и двумя Г-образными последовательно-параллельными цепочками из двух конденсаторов. Точка соединения конденсаторов одной из цепочек подключена к первому выводу квазисосредоточенной индуктивности. Первый вывод дополнительной квазисосредоточенной индуктивности подключен к точке соединения конденсаторов второй цепочки, а варакторный диод включен последовательно между вторыми выводами квазисосредоточенных индуктивностей. 7 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники сверхвысоких частот, в частности, к частотным фильтрам СВЧ с перестраиваемой центральной частотой полосы пропускания и может быть использовано в приемниках СВЧ с электрически перестраиваемой рабочей полосой частот входных сигналов, например, в приемниках спутникового телевидения, в перестраиваемых гетеродинах, синтезаторах частот и т.п.

Известны полосковые (микрополосковые) электрически перестраиваемые фильтры (ПФ) СВЧ диапазона. Такой фильтр состоит из полуволновых полосковых резонаторов с четвертьволновыми секциями электромагнитной связи между ними. Разомкнутые концы каждого резонатора через варакторный диод (варактор) замкнуты на заземленный проводник микрополосковой линии (МПЛ). К середине полоска каждого резонатора посредством навесного проводника подключен источник управляющего постоянного напряжения смещения варактора. Регулируя это напряжение, изменяют концевые емкости резонаторов, что приводит к изменению резонансной частоты резонаторов и смещению полосы пропускания фильтра (см. патент США N 4757287, опубл. 12.07.88, НКИ 333-205).

Недостатком этого фильтра является то, что он имеет недостаточно широкий диапазон перестройки, а также то, что для осуществления фильтра требуется большое количество управляемых варакторов, равное 2N+2, где N количество резонаторов. Кроме того, диоды нуждаются в контакте с заземленным (экранным) проводником полосковой линии, для чего в диэлектрической подложке МПЛ необходимо сделать 2N+2 отверстия, что удорожает стоимость фильтра. Сложны по конструкции элементы заземления диодов. Из-за большого числа диодов и естественного разброса их параметров настройка ПФ очень трудоемка. Следует отметить и большие габариты фильтра, особенно в диапазоне метровых-дециметровых длин волн.

Наиболее близким к предложенному ПФ является фильтр, описанный в патенте США N 2,892,163 МКИ: H01P 1/203, опубл. в 1959 г, который принят за прототип. Этот фильтр содержит резонансный контур (резонатор), состоящий из квазисосредоточенной индуктивности и двух Г-образных последовательно-параллельных цепочек из двух конденсаторов каждая. Точка соединения конденсаторов одной из цепочек подключена к первому выводу квазисосредоточенной индуктивности, а точка соединения конденсаторов второй цепочки подключена ко второму выводу квазисосредоточенной индуктивности. Одинаковые параллельные конденсаторы (С2) и одинаковые последовательные конденсаторы (С1) Г-образных цепочек связаны с центральной частотой fo полосы пропускания фильтра соотношениями: C1 A(fo) и С2 В(fo), где А и В - сложные нелинейные функции от fo, ширины полосы пропускания, характеристического сопротивления и др. параметров фильтра. Таким образом, для перестройки центральной частоты фильтра fo нужно перестраивать емкости конденсаторов С1 и С2, причем емкость каждого нужно изменять в соответствии со сложной функциональной зависимостью от fo A(fo) или В(fo).

Недостатками прототипа являются: практическая невозможность создания удовлетворительной конструкции перестраиваемого фильтра СВЧ, т.к. для каждого резонатора требуется 4 электрически управляемых диода (варактора), попарно идентичных по своим параметрам, управляемых сложными схемами; ограниченный диапазон перестройки из-за большой нелинейности коэффициентов А и В в формулах для С1 и С2; большие габариты, связанные с большим числом варакторов и цепей управления, особенно в многорезонаторных фильтрах.

Изобретение решает задачу расширения диапазона перестройки рабочей полосы пропускания СВЧ фильтра.

В качестве технического результата, достигаемого при использовании предлагаемого изобретения, можно рассматривать расширение диапазона перестройки при минимальном количестве перестраиваемых элементов (варакторных диодов).

Дополнительным техническим результатом является уменьшение габаритов и массы, упрощение конструкции и эксплуатации.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом полосовом перестраиваемом фильтре СВЧ, содержащем резонансный контур с квазисосредоточенной индуктивностью и двумя Г-образными последовательно-параллельными цепочками из двух конденсаторов каждая, где точка соединения конденсаторов одной из цепочек подключена к первому выводу квазисосредоточенной индуктивности, введены варакторный диод с цепью управления и дополнительная квазисосредоточенная индуктивность, первый вывод которой подключен к точке соединения конденсаторов второй цепочки, а варакторный диод включен последовательно между вторыми выводами квазисосредоточенных индуктивностей.

В частном варианте исполнения фильтра цепи управления варактором выполнены в виде сосредоточенных СВЧ дросселей, первые выводы которых служат для подключения к концам квазисосредоточенных индуктивностей, к которым подключены Г-образные цепочки, а вторые выводы служат для подключения к источнику изменяемого напряжения постоянного тока.

Сравнение заявленного фильтра с прототипом показывает, что он отличается введением в резонансный контур фильтра варакторного диода с цепью управления и квазисосредоточенной индуктивности, а также новыми соединениями, а именно, подключением первого вывода дополнительной квазисосредоточенной индуктивности к точке соединения конденсаторов второй Г-образной последовательно-параллельной цепочки, кроме того отличается местом включения варакторного диода последовательно между вторыми выводами квазисосредоточенных индуктивностей.

В результате вышеописанного выполнения фильтра регулируемая емкость варактора включена в середине звена (контура) фильтра. Примыкающие к этой регулируемой емкости квазисосредоточенные индуктивности СВЧ выполнены в виде отрезков высокоомной полосковой линии, волновое сопротивление которой Z1 больше сопротивления нагрузки фильтра Zо, равного волновому сопротивлению тракта СВЧ. Поэтому при изменении емкости варакторного диода от 0 до Сmax приращение электрической длины отрезка полосковой линии передачи становится максимально возможным по сравнению с другими местами включения варактора в резонансный контур ПФ, а следовательно, возрастает широкодиапазонность (эффективность) перестройки.

Вышеприведенное обоснование подтверждает новизну причинно-следственной связи между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом.

Изобретение поясняется чертежами, где: Фиг. 1 Принципиальная схема однозвенного перестраиваемого фильтра СВЧ.

Фиг. 2 Конструктивное осуществление ПФ в микрополосковом исполнении с сосредоточенными LC-параметрами.

Фиг. 3 Конструктивное осуществление ПФ с квазисосредоточенными LC-параметрами.

Фиг. 4 Принципиальная схема полузвена ПФ в режиме к.з.

Фиг. 5 Схематическое изображение топологии ПФ с квазисосредоточенными параметрами.

Фиг. 6 Конструктивное осуществление двухзвенного гибридно-интегрального ПФ дециметрового диапазона.

Фиг. 7 Экспериментальные АЧХ двухзвенного предлагаемого ПФ.

Предлагаемый перестраиваемый фильтр ПФ содержит резонансный контур, состоящий из квазисосредоточенной индуктивности 1, дополнительной квазисосредоточенной индуктивности 2 и двух Г-образных последовательно-параллельных цепочек из двух конденсаторов каждая, первая цепочка содержит соединенные между собой последовательно включенный конденсатор 3 и параллельно включенный конденсатор 4, вторая цепочка - соответственно конденсаторы 5 и 6, точка соединения конденсаторов 3 и 4 подключена к первому выводу квазисосредоточенной индуктивности 1, точка соединения конденсаторов 5 и 6 к первому выводу дополнительной квазисосредоточенной индуктивности 2, свободная обкладка конденсатора 3 является входной клеммой фильтра, свободная обкладка конденсатора 5 является выходной клеммой фильтра, свободные обкладки конденсаторов 4 и 6 подключены к общей заземленной шине, варакторный диод 7 включен последовательно между вторыми выводами квазисосредоточенных индуктивностей 1 и 2. К общей точке соединения конденсаторов 3,4 с квазисосредоточенной индуктивностью 1 подключен одним концом сосредоточенный СВЧ дроссель 8, другой конец которого заземлен, т.е. подключен к заземленной шине источника постоянного напряжения 9, к общей точке соединения конденсаторов 5,6 с дополнительной квазисосредоточенной индуктивностью 2 подключен второй сосредоточенный СВЧ дроссель 10, другой конец дросселя 10 соединен с клеммой + источника 9 и с конденсатором 11, который выполняет функцию блокировки.

Дроссели 8 и 10 с источником 9 являются цепями управления смещением варактора 7. Напряжение источника 9 может регулироваться для обеспечения изменения емкости варактора. Конденсаторы 3,5, входящие в состав резонансного контура, одновремено являются цепями связи фильтра с внешними цепями (трактом СВЧ).

Вышеприведенное описание относится к однозвенному (однорезонаторному) фильтру. Многозвенный фильтр может содержать два и более каскадно включенных звеньев.

Варианты конструктивного осуществления ПФ приведены на Фг. 2,3,6.

ПФ на чертеже Фиг. 2 содержит вышеуказанные элементы в следующем виде: квазисосредоточенные индуктивности 1 и 2 выполнены в виде двух планарных микрополосковых катушек прямоугольной спирали, расположенных на подложке МПЛ, конденсаторы 3,4,5,6 реализованы с помощью микроконденсаторов, 7 - бескорпусной варакторный диод, высокочастотные дроссели 8 и 9 выполнены в виде бескаркасных микроиндуктивностей, блокировочный конденсатор 11 в виде микроконденсатора. Эта конструкция удобна для применения в метровом и длинноволновом участке дециметрового диапазона СВЧ.

Фрагмент другого варианта ПФ на МПЛ с планарной полосковой структурой, навесными варакторным диодом 7 и дросселями 8 и 10 показан на Фиг. 3. Здесь емкость конденсатора 3 (5) реализована в разрыве полосковых проводников; емкость конденсатора 4 (6) между прямоугольной площадкой на схемной стороне диэлектрической подложки и заземленным, экранным проводником МПЛ; квазисосредоточенные индуктивности 1 и 2 в виде высокоомной МПЛ "меандрового" типа. Эта конструкция ПФ удобна для применения в дециметровом и сантиметровом диапазонах. В сантиметровом диапазоне "меандровая" линия может выродиться в короткий отрезок МПЛ с высоким волновым сопротивлением Z1 (Z1> Zо), где Zо сопротивление нагрузок фильтра, равное волновому сопротивлению тракта СВЧ.

Предлагаемый ПФ работает следующим образом. При подаче на варактор 7 через цепи управления 8, 10 напряжения U1=0В емкость варактора 7 оказывается максимальной и резонансная частота fo звена фильтра Фиг. 1 будет минимальной. Увеличение управляющего напряжения U до максимально допустимого для данного типа варактора U2=Umax уменьшает емкость варактора до минимального его значения и, соответственно, возрастает резонансная частота звена ПФ до fo max. При подаче на вход ПФ (клеммы 12,13) СВЧ сигнала с частотой foi, совпадающей со значением резонансной частоты ПФ, СВЧ сигнал без ослабления поступает на выход фильтра (клеммы 14,15). Если сигналы СВЧ имеют частоту, отличную от текущего значения резонансной частоты звена ПФ, то такие сигналы отражаются от входа и на выход фильтра передаются с большим ослаблением. Аналогично фильтр работает на всех частотах в диапазоне перестройки.

Вышеописанная схема, состоящая из последовательно-параллельных цепочек конденсаторов, подключенных к первым выводам квазисосредоточенных индуктивностей 1 и 2, между вторыми выводами которых последовательно включена переменная емкость (емкость варакторного диода), работает как однозвенный полосно-пропускающий фильтр. Это вытекает из анализа схемы (Фиг. 1) методом "характеристических параметров".

На резонансной частоте fo в середине СВЧ контура с разомкнутыми концами (в звене фильтра) имеет место узел напряжения резонансного колебания, что эквивалентно короткому замыканию в геометрической середине звена фильтра (Фиг. 1). Т.о. на частоте fo звено предложенного ПФ может быть представлено в виде двух полузвеньев (Фиг. 4,5), симметричных относительно середины звена. На Фиг. 4,5 низкочастотные цепи управления варактором не показаны, т. к. в анализе ПФ не участвуют.

На Фиг. 5 показана топология такого полузвена, в котором индуктивность 1 выполнена в виде короткого отрезка высокоомной (Z1>Zo) полосковой линии и через удвоенную емкость варактора 7 (Сн=2Cваракт.) замкнута на заземленную экранную поверхность.

При нагрузке отрезка линии передачи, имеющего геометрическую длину lг и волновое сопротивление Zi, емкостью Сн эквивалентная электрическая длина liэ отрезка линии возрастает на величину Δli,, т.е. liэ=lг+Δli.. Связь между электрическим удлинением li и параметрами Сн, Zi, fo определяется из соотношения (1) 2π·fo·Zi·Cн=tg·(2πΔli/λ_o). (1) При условии Δli/≪ 1, Δli определяется из соотношения (2) где с скорость света. Из (2) видно, что при заданном значении Сн удлинение Δli тем больше, чем выше значение Zi. В предложенном фильтре регулируемая емкость варакторный диод включена в середину звена (контура) фильтра. Примыкающие к этой регулируемой емкости квазисосредоточенные индуктивности СВЧ выполнены в виде отрезков высокоомной (Zi>Zo) полосковой линии. В результате при изменении емкости варактора от 0 до Cmax диапазон изменения Δli становится максимально возможным по сравнению с любыми другими известными способами включения варакторов в звено ПФ. При этом максимально возможно изменяется liэ отрезка, и, соответственно, достигается максимальный диапазон перестройки fo фильтра.

Т. о. перестройка частоты fo с помощью варактора в предложенном фильтре производится более эффективно, чем в прототипе и аналоге, в которых, к тому же, используется большее число варакторов, подключенных к оконечным элементам резонатора.

ПФ с идеальными сосредоточенными LC-параметрами не имеет ложных полос пропускания. Однако поскольку у конструктивных вариантов ПФ (см. Фиг. 2,3) квазисосредоточенные LC-параметры осуществлены в виде коротких отрезков линии с высоким (квазисосредоточенная индуктивность) и низким (квазисосредоточенная параллельная емкость) волновым сопротивлением, то могут появиться ложные полосы. Но они расположены на частотах более высоких, чем ложные полосы прототипа и существенно более высоких, чем у аналога, поскольку длины полосковых резонаторов в последних существенно длиннее.

Т. о. в.ч. полоса заграждения предложенного ПФ шире и фильтр лучше защищает радиоаппаратуру от внеполосного приема (передачи).

Т.к. звено предложенного ПФ построено из элементов с квазисосредоточенными LC-параметрами, т.е. из коротких отрезков линий передачи (li ≪ λ_o/4, где (λ_o соответствует fо), и оно содержит меньшее число управляемых элементов (варакторов) и, соответственно, цепей управления, то габариты и масса предложенного фильтра меньше, чем у аналогов и прототипа.

Отмеченные преимущества предложенного ПФ в части большей ширины диапазона перестройки, отсутствия ложных полос пропускания в более широкой полосе заграждения, а также существенно меньших габаритов и массы подтверждены и экспериментально.

По приближенным формулам был расчитан (с оптимизацией параметров на ПЭВМ), изготовлен и настроен ПФ из двух одинаковых, каскадно включенных звеньев. Полоса пропускания Δf 40-60 МГц на уровне 1 дБ от уровня минимальных потерь. ПФ расчитан на перестройку в диапазоне от 0.9 до 1.6 ГГц.

Фильтр реализован в гибридно-интегральном исполнении на диэлектрической подложке толщиной h 1 мм и Е 9.8. Тракт СВЧ с Zо=50Ом. Емкости 3 и 5 - микроиндуктивности типа К10-42, емкости 4 и 6 квадратные полосковые площадки размером 10·10 мм, квазисосредоточенные индуктивности 1 и 2 короткие изогнутые отрезки МПЛ длиной 11.9 мм и шириной 0.6 мм. Варакторные диоды 7 типа 3А619А-6 с коэффициентом перекрытия по емкости Кc=Cmax/Cmin=5.6. В.ч. дроссели 8 и 10 бескаркасные микроиндуктивности (L 260 нГ), блокировочный конденсатор 11 микроконденсатор (С 300 пФ) типа К10-17.

Размеры платы двухзвенного ПФ менее 60·20·1 мм. Топология ПФ показана на Фиг. 6, измеренные АЧХ на Фиг. 7. Как видно из Фиг. 7, при практически неизменных форме и параметрах АЧХ перестройка осуществлена в диапазоне с перекрытием Kf=fomax/fomin=1,6/0,86 1,86 при Кc диода равном 5.6.

Реальный коэффициент эффективности перестройки получился равным Эп= Kf/Kc=0.332, что почти на 30 превышает эффективность перестройки любых перестраиваемых фильтров СВЧ, описанных в отечественной и зарубежной научно-технической литературе.

Фильтр в гибридно-интегральном исполнении предназначен для использования в радиоэлектронной аппаратуре, выпускаемой предприятием.

Формула изобретения

Полосовой перестраиваемый фильтр СВЧ, содержащий резонансный контур с квазисосредоточенной индуктивностью и двумя Г-образными последовательно-параллельными цепочками из двух конденсаторов каждая, точка соединения конденсаторов одной из цепочек подключена к первому выводу квазисосредоточенной индуктивности, отличающийся тем, что в него введены варакторный диод с цепью управления и дополнительная квазисосредоточенная индуктивность, первый вывод которой подключен к точке соединения конденсаторов второй цепочки, а варакторный диод включен последовательно между вторыми выводами квазисосредоточенных индуктивностей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7