Полосно- пропускающие фильтры на несимметричных многопроводных структурах
Статья написана по материалам диссертации: Лагутин В.Ф. "Миниатюрные частотно-избирательные устройства метрового и дециметрового диапазонов на многопроводных полосковых линиях с лицевой связью" 1988 г. раздел 4.5.
Использование структур резонаторов и фильтров на отрезках трехпро-водных линий (ТПЛ) [1] позволяет уменьшить габариты устройств в среднем в 2…3 раза по сравнению с аналогами на микрополосковых линиях (МПЛ). Это дает возможность применять их в диапазонах УВЧ и СВЧ вплоть до частот 0.25…0,3 ГГц. Однако на более низких частотах приемлемые габариты частотно-избирательных устройств (ЧИУ) удается получить лишь с помощью сосредоточенных емкостей, что приводит к снижению доброт-ности резонаторов и увеличению потерь в рабочей полосе частот.
Значительные перспективы миниатюризации ЧИУ открываются с увеличением числа проводников в структурах резонаторов [2,3]. С точки зрения технологичности изготовления монолитных микросхем СВЧ предпочтительны несимметричные структуры, в которых полосковые проводники расположены на верхней стороне подложки в несколько слоев, а нижняя сторона подложки металлизирована. На рис.4.15 приведен один из вариантов выполнения полоснопропускающего фильтра (ППФ) на отрезках несимметричной многопроводной (НМПР) полосковой линии с короткозамкнутыми на одном конце встречно включенными проводниками [2]. Нижние проводники резонаторов фильтра выполнены непосредственно на диэлектрической подложке, а последующие проводники нанесены один над другим через тонкий слой диэлектрика. Короткое замыкание проводников резонаторов осуществляется посредством металлизации торцов. Связь с нагрузкой осуществляется непосредственным подключением МПЛ к верхним проводникам крайних резонаторов. Макет четырехрезонаторного фильтра на отрезках пятипроводной линии был выполнен на поликоровой подложке толщиной 1 мм. Металлизация основания и нижние проводники шириной 1 мм были получены методом тонкопленочной технологии, последующие полосковые проводники из медной фольги толщиной 20 мкм были закреплены один над другим с помощью эпоксидного клея через полиамидную пленку (Ɛ=2,7) толщиной 50 мкм. Расстояние между резонаторами составляло ( 0,8-1,0-0,8 ) мм, длины резонаторов 55 мм.
При серийном производстве монолитных микросхем операцию склеивания пленок можно заменить многослойным напылением диэлектриков и проводников. АЧХ фильтра (риc.4.16) имеет характерные для гребенчатых фильтров более крутой высокочастотный и более пологий низкочастотный скаты. При относительной полосе пропускания 37% потери в полосе пропускания не превышают 1,6 дБ. Средняя частота полосы пропускания 145 МГц. Потери в полосе заграждения находятся в пределах 50…55 дБ. Ближайшая паразитная полоса пропускания находится на частоте fە=7 fە. АЧХ фильтра мало чувствительна к положению экрана и практически не меняется, если экран поднят над платой на высоту более 4-х толщин подложки. Рабочая площадь, занимаемая фильтром, составляет примерно 5,4 см² и, при изменении конфигурации полосковых проводников, фильтр может быть размещен на стандартной подложке размером 24 × 30 мм. Аналогичный фильтр на МПЛ (например, встречно-стержневой) занимает площадь в 4 раза большую. Фильтр может быть легко выполнен с использованием многослойной технологии. Его конструкция хорошо согласуется с гибридно-пленочными узлами и может найти широкое применение в микросхемах метрового диапазона волн.
Другой вариант фильтра выполнен па отрезках разомкнутых НМПР линий [3]. На рис.4.17 показано схематичное изображение пространственной ориентации проводников и их расположение относительно заземленного экрана. В фильтре использована электромагнитная связь входных линий с крайними резонаторами, причем входные линии нагружены на разомкнутые шлейфы длиной примерно λ ⁄ 8, где λ – длина волны в линии на частоте fە. Разомкнутые шлейфы несколько увеличивают крутизну высокочастотного ската и обеспечивают лучшее согласование в рабочей полосе частот фильтра.
Трехзвенный фильтр на разомкнутых отрезках НМПР линий с тремя проводниками резонаторов был выполнен на поликоровом основании толщиной 1 мм. В качестве диэлектрика, разделяющего разомкнутые U-образные проводники, использовались подложки из того же материала толщиной 0,5 мм. Ширина тонкопленочных проводников резонаторов составляла 1 мм, толщина 15 мкм, длина области связи 56 мм, расстояние между ветвями проводников 2 мм, величина зазоров между входными линиями и крайними резонаторами 0,1 мм, между смежными резонаторами 1 мм. АЧХ фильтра (рис.4.18) с центральной частотой рабочей полосы пропускания f ە= 270 МГц имеет более крутой низкочастотный и более пологий высокочастотные скаты. Уровень заграждения фильтра составляет 50…55 дБ, ближайшая паразитная полоса пропускания находится на частоте 4 fە, т.е. разнос основного и паразитного резонансов более чем в 2 раза выше, чем у фильтра с разомкнутыми резонаторами на МПЛ. Достоинством фильтра является отсутствие короткозамкнутых элементов, что значительно облегчает его размещение на общей подложке функционального устройства.
Применение рассматриваемых фильтров, выполненных с использованием современных методов многослойной технологии, позволит улучшить конструктивно-технологические параметры и уменьшить габариты СВЧ-узлов.
Литература
1. Лагутин В.Ф. , Кольцов Н.Е. Полосковые частотно-избирательные устройства на отрезках трехпроводных линий передачи. «Техника средств связи», серия ОТ, 1986, № 4.
2. Лагутин В.Ф. Гребенчатый сверхвысокочастотный фильтр, патент SU 904485 A1,заявлено 1980. 01. 0.2, опубликовано 1995.06.09.
3. Лагутин В.Ф. СВЧ полосовой фильтр. Патент SU 1103309 A, 1984 г.
