Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор современных тенденций и подходов в проектировании фильтров СВЧ 11
1.1 Требования к резонаторам СВЧ 11
1.1.1 Интегрированные в подложку волноводы 12
1.1.2 Резонаторы в структуре ИПВ 1.2 Технологии многослойных интегральных схем СВЧ 19
1.3 ППФ на объемных резонаторах в ИПВ реализации 26
1.4 Подходы к проектированию фильтров СВЧ с двумя полосами пропускания
1.4.1 Двухполосные ППФ, использующие каскадное соединение полосно-пропускающего и полосно-заграждающего фильтров 29
1.4.2 Двухполосные ППФ, полученные путем введения нулей передаточной характеристики в полосу пропускания
1.4.3 Двухполосные фильтры на основе параллельного соединения двух ППФ 33
1.4.4 Двухполосные ППФ на двухмодовых резонаторах
1.5 Полосно-заграждающие фильтры СВЧ на объемных резонаторах 38
1.6 Постановка задачи 41
2 Исследование и разработка емкостно-нагруженных объемных резонаторов 43
2.1 Резонансные частоты и собственная добротность объемного резонатора в ИПВ исполнении 43
2.2 Объемные резонаторы с емкостной нагрузкой
2.2.1 Резонансные частоты и собственная добротность ЕНОР 49
2.2.2 Экспериментальное исследование ЕНОР 54
2.2.3 ЕНОР с полосно-заграждающим частотным откликом 57
2.3 ЕНОР с дополнительным нулем передаточной функции 59
2.4 Вложенные емкостно-нагруженные объемные резонаторы 62
2.5 Двухмодовые резонаторы на основе емкостно-нагруженного объемного и кольцевого разомкнутого резонатора на щелевой линии 66
2.6 Выводы по главе 70
3 Разработка и исследование малогабаритных фильтров свч на емкостно-нагруженных объемных резонаторах 72
3.1 Методика проектирования ППФ на связанных резонаторах 72
3.2 Организация связей между емкостно-нагруженными объемными резонаторами 74
3.3 Разработка и исследование ППФ с чебышевской характеристикой на основе ёмкостно-нагруженных объёмных резонаторов 77
3.4 Разработка и исследование ППФ с дополнительными нулями передаточной характеристики. 81
3.5 Разработка и исследование полосно-заграждающего фильтра СВЧ на емкостно-нагруженных объемных резонаторах. 84
3.6 Выводы по главе 85
4 Разработка и исследование двухполосных фильтров СВЧ на двухмодовых резонаторах с использованием ЕНОР 87
4.1 Разработка и исследование двухполосных ППФ на вложенных ЕНОР 87
4.2 Разработка и исследование двухполосных фильтров на вложенных ЕНОР и двухчастотных инверторах проводимости на элементах с сосредоточенными параметрами 93
4.3 Разработка и исследование двухполосных фильтров на комбинации ЕНОР и кольцевых разомкнутых резонаторов на щелевой линии . 99
4.3.1 Сравнение характеристик разработанных двухполосных ППФ 103
4.4 Разработка двухполосного ПЗФ на комбинации ЕНОР и КРР. 105
4.5 Выводы по главе 107
Заключение 108
Список использованных источников
- Резонаторы в структуре ИПВ 1.2 Технологии многослойных интегральных схем СВЧ
- Резонансные частоты и собственная добротность ЕНОР
- Разработка и исследование ППФ с чебышевской характеристикой на основе ёмкостно-нагруженных объёмных резонаторов
- Разработка и исследование двухполосных фильтров на комбинации ЕНОР и кольцевых разомкнутых резонаторов на щелевой линии
Введение к работе
Актуальность темы. Микроволновые фильтры являются неотъемлемыми компонентами СВЧ-трактов систем телекоммуникаций и беспроводной радиосвязи. Пассивный фильтр СВЧ формирует спектр выходного сигнала, обеспечивая прохождение сигнала в заданной полосе частот и отражая прочие частотные составляющие входного сигнала.
Фильтры для новых поколений устройств беспроводной носимой электроники должны быть малогабаритными, иметь малый вес, низкую стоимость изготовления, и в то же время обеспечивать высокую частотную избирательность и низкие вносимые потери.
Ключевыми элементами полосно-пропускающих фильтров (ППФ) и полосно-заграждающих фильтров (ПЗФ) СВЧ являются резонаторы. Параметры резонаторов (резонансные частоты, добротность, размеры и т.д.) определяют электрические и конструкционные характеристики фильтров. Непрерывно ужесточающиеся требования к характеристикам фильтров СВЧ приводят к постоянному совершенствованию конструкций резонаторов.
Так, для обеспечения низких вносимых потерь в СВЧ-фильтрах необходимы резонаторы с высокой собственной добротностью. Наиболее высокими значениям добротности и одновременно наибольшими габаритными размерами характеризуются объемные резонаторы. Наиболее компактными из резонаторов являются колебательные контуры на элементах с сосредоточенными параметрами (ЭСП). Вместе с тем, они обладают низкой собственной добротностью. Необходимость сочетать такие взаимоисключающие требования как высокая добротность и малые габаритные размеры значительно осложняет разработку резонаторов и фильтров СВЧ на их основе.
В последние годы широкое распространение получают планарные волноводоподобные структуры – так называемые интегрированные в подложку волноводы (ИПВ), которые изготавливаются методами интегральной технологии, имеют умеренные габариты, малый вес и низкую себестоимость изготовления в сравнении с традиционными металлическими волноводами. При этом ИПВ сохраняют преимущества последних в отношении низких потерь распространения электромагнитных волн. Резонаторы на ИПВ привлекательны возможностью создания на их основе СВЧ-фильтров с уменьшенными габаритами и малыми вносимыми потерями. Однако будучи элементами с распределенными параметрами, такие резонаторы не свободны от паразитных резонансов высших гармоник, которые для многих практических применений требуется дополнительно подавлять.
Перспективным направлением для разработки комплексного решения представляется использование объемных резонаторов в ИПВ исполнении, нагруженных на емкость. Введение емкостной нагрузки позволяет существенно уменьшить размеры резонатора без значительного уменьшения собственной добротности. При этом отношение резонансных частот высших гармоник к частоте основной моды у емкостно-нагруженных объемных резонаторов (ЕНОР) возрастает, что позволяет эффективно бороться с подавлением внеполосных сигналов.
В современных условиях важной задачей для обеспечения многодиапазонной и многостандартной радиосвязи является разработка СВЧ-фильтров с несколькими рабочими полосами частот. На базе ЕНОР могут быть созданы резонаторы с заданными некратными резонансными частотами, которые могут найти применение в составе многополосных фильтров.
Цель диссертационной работы – исследование и разработка емкостно-нагруженных объемных резонаторов для создания на их основе новых полосно-пропускающих и
полосно-заграждающих фильтров СВЧ, обладающих малыми размерами в сравнении с длиной волны и низкими вносимыми потерями, способных функционировать в нескольких заданных полосах частот, не имеющих паразитных резонансов высших мод в широком диапазоне частот. Цель диссертационной работы достигается решением следующих задач:
-
Исследование зависимости резонансных частот и собственной добротности ЕНОР от параметров нагрузки для эффективного уменьшения размеров резонатора и контроля положения резонансных частот высших гармоник.
-
Разработка и исследование малогабаритных полосно-пропускающих и полосно-заграждающих фильтров СВЧ с низкими вносимыми потерями и без паразитных резонансов высших гармоник в широком диапазоне частот на основе ЕНОР.
-
Исследование возможности увеличения частотной избирательности фильтров на основе ЕНОР путем введения дополнительных нулей передаточной характеристики.
-
Разработка и исследование двухмодовых ЕНОР с заданными некратными резонансными частотами.
-
Разработка и исследование двухполосных полосно-пропускающих и полосно-заграждающих фильтров СВЧ на основе ЕНОР.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Найдены соотношения между геометрическими параметрами емкостного-нагруженного объемного резонатора, позволяющие для требуемого значения собственной добротности обеспечить эффективное уменьшение габаритных размеров и увеличение отношения частот второго и первого резонансов по сравнению с характеристиками ненагруженного объемного резонатора.
-
Разработаны и исследованы оригинальные конструкции ЕНОР с дополнительными нулями передаточной характеристики.
-
Разработаны и исследованы оригинальные конструкции двухмодовых ЕНОР с некратными резонансными частотами, обеспечивающие дополнительные нули передаточной характеристики, не имеющие паразитных резонансов высших гармоник в широком диапазоне частот.
-
Предложен простой и корректный подход к проектированию фильтров СВЧ с двумя полосами пропускания на основе двухмодовых ЕНОР.
-
Разработаны и исследованы конструкции ЕНОР для создания на их основе полосно-заграждающих фильтров с одной и двумя рабочими полосами частот.
Основные методы исследования:
а) Теоретические: методы теории электрических цепей, численные методы электродинамического моделирования;
6) Экспериментальные.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
При использовании емкостной нагрузки габаритные размеры объемного резонатора могут быть уменьшены вплоть до одной десятой длины волны основной моды, при этом собственная добротность резонатора уменьшается не более чем в два раза по сравнению с добротностью ненагруженного резонатора, а отношение частот второго и первого резонансов может достигать шести.
-
Двухмодовый резонатор может быть образован путем вложения одного ЕНОР внутрь другого так, чтобы пространство между внешней поверхностью внутреннего резонатора и
внутренней поверхностью внешнего представляло собой емкостную нагрузку для внешнего резонатора. Такой двухмодовый резонатор позволяет реализовывать произвольное отношение резонансных частот двух первых мод, и имеет нуль передаточной характеристики между резонансными частотами.
3) Схема двухполосного ППФ на вложенных ЕНОР может быть получена путем объединения схем двух однополосных ППФ, синтезируемых по отдельности для каждой из полос пропускания, с последующей коррекцией емкостей связи фильтра для нижней полосы пропускания.
Практическая значимость результатов работы:
-
Разработана новая элементная база для создания малогабаритных СВЧ-фильтров с улучшенными характеристиками: низкими вносимыми потерями, повышенной частотной избирательностью, не имеющих паразитных резонансов высших гармоник в широком диапазоне частот.
-
Разработанные ЕНОР с дополнительными нулями передаточной характеристики обеспечивают повышение частотной избирательности СВЧ-фильтров без увеличения вносимых потерь в полосе пропускания.
-
На основе предложенных двухмодовых ЕНОР можно создавать малогабаритные фильтры СВЧ с двумя полосами пропускания, контролируемым некратным отношением центральных частот, повышенной частотной избирательностью и без паразитных резонансов высших гармоник в широком диапазоне частот.
-
Предложенный подход к проектированию двухполосных фильтров на вложенных ЕНОР позволяет свести разработку двухполосного фильтра к синтезу двух отдельных полосно-пропускающих фильтров, для расчета параметров которых могут применяться стандартные методы.
-
Разработанные двухмодовые ЕНОР позволяют проектировать на их основе полосно-заграждающие фильтры с одной и двумя рабочими полосами частот.
-
Разработанные конструкции резонаторов и фильтров СВЧ могут быть выполнены по технологии печатных плат или с применением многослойной керамической технологии на основе LTCC.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и
обсуждались на следующих конференциях. Международные конференции:
International Student Seminar on Microwave and Optical Application of novel phenomena and Technologies - 2009, Оулу, Финляндия и 2010, Ильменау, Германия; European Microwave Conference (EuMC) - 2010, Париж, Франция и 2013 - Нюрнберг, Германия; 7th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (Metamaterials) - 2013, Бордо, Франция; Asia-Pacific Microwave Conference (APMC) - 2014, Сендай, Япония; 9th German Microwave Conference (GeMiC), 2015, Нюрнберг, Германия; International Conference on Ceramic Interconnect and Ceramic Microsystems Technologies (CICMT), 2015, Дрезден, Германия.
Всероссийские конференции:
Новые материалы и нанотехнологии в электронике СВЧ - 2010, Санкт-Петербург; Электроника и Микроэлектроника СВЧ - 2012-2015, Санкт-Петербург.
Конференции: Научно-техническая конференция профессорско- преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ",
2010–2015; Научно-технический семинар "Инновационные разработки в технике и электронике СВЧ" - 2010–2011, Санкт-Петербург.
Публикации: Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 13 статьях, среди которых 3 статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 2 монографии и 8 публикаций в других изданиях и сборниках материалов международных научных конференций. Доклады были представлены и получили одобрение на международных и всероссийских научных и научно-технических конференциях.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами, заключения и списка литературы, включающего 81 наименование. Основная часть работы изложена на 118 страницах машинописного текста. Работа содержит 80 рисунков и 8 таблиц.
Резонаторы в структуре ИПВ 1.2 Технологии многослойных интегральных схем СВЧ
Требования к резонаторам СВЧ формируются с учетом будущих применений ППФ или ПЗФ на их основе. Главное требование заключается в необходимости достаточно высокой собственной добротности резонатора, позволяющей обеспечить приемлемый уровень вносимых потерь в полосе пропускания фильтра.
Потери (7L), вносимые фильтром в полосе пропускания, зависят от относительной ширины полосы пропускания (///0), собственной добротности резонаторов ( 20) и порядка фильтра (количества используемых резонаторов - N). Минимальные вносимые потери достигаются на центральной частоте полосы пропускания /0 [1]. Они могут быть приблизительно оценены по формуле: Д,(/0)« 4.343 , [дБ]. (1.1) А///0 Согласно (1.1) для создания узкополосных фильтров с низкими вносимыми потерями необходимы резонаторы с высокой собственной добротностью. В свою очередь более широкополосный фильтр того же порядка обладает меньшими вносимыми потерями, но вместе с тем обеспечивает и меньшую частотную избирательность. Увеличение порядка фильтра N с целью повышения его избирательности ведет к росту вносимых потерь в соответствии с (1.1). Таким образом, разработка как узкополосных, так и высокоизбирательных широкополосных фильтров связана с необходимостью использования высокодобротных резонаторов для обеспечения приемлемого уровня вносимых потерь.
Собственная добротность - отношение энергии, запасенной в резонаторе (W), к мощности потерь за период колебания (Рпот): = a 0 wjpnom , (1.2) где 0 = 2 f0 – круговая резонансная частота.
Собственная добротность определяется электродинамической структурой резонатора (т.е. распределением электрического и магнитного полей в резонаторе), а также потерями в проводниках и диэлектрике, из которых выполнен резонатор.
Другое важное требование к резонаторам – предельно малые габариты – продиктовано общей тенденцией к миниатюризации устройств мобильной и носимой электроники. Требования по высокой добротности и малым размерам в известной мере являются взаимоисключающими: как правило, чем меньше резонатор по отношению к длине волны тем меньше его собственная добротность. Исключение составляют лишь резонаторы на объемных акустических волнах, которые за счет преобразования электромагнитной волны в акустическую обладают рекордно высокими значениями добротности при очень малых размерах [2].
Среди традиционных СВЧ-резонаторов, использующих электромагнитные волны, наиболее высокодобротными являются объемные резонаторы [3]. Их недостаток – значительные габаритные размеры, сопоставимые с половиной длины волны. С другой стороны, наименьшими габаритами обладают резонансные контуры на элементах с сосредоточенными параметрами (ЭСП) [4-6]. Однако, добротность таких резонаторов невысока, что является причиной заметных вносимых потерь в фильтрах на ЭСП. Промежуточное положение между объемными резонаторами и резонаторами на ЭСП занимают резонаторы на отрезках линий передачи.
В последнее время имеет место устойчивая тенденция к замене громоздких и тяжелых волноводных трактов там, где это возможно, планарными волноведущими структурами, которые получили название интегрированных в подложку волноводов (ИПВ) [7-11].
Такие волноводы выполняются в диэлектрической подложке, имеющей слои металлизации сверху и снизу, при помощи двух рядов переходных металлизированных отверстий, которые соединяют слои металлизации и образуют боковые стенки ИПВ (рисунок 1.1).
Основной модой, распространяющейся в ИПВ, является мода H10 (ТЕ10). Постоянная распространения основной моды определяется только с шириной волновода W, поэтому его высота h может быть значительно уменьшена без заметного влияния на распространение волны. Частота отсечки ИПВ описывается выражением:
В случае выполнения условия (1.5) потери в ИПВ соизмеримы с потерями в традиционном прямоугольном волноводе со сплошными вертикальными стенками. Теория и методы проектирования, относящиеся к традиционному прямоугольному волноводу, применимы и для ИПВ с поправкой на эффективную ширину ИПВ weff (см. рисунок 1.1).
Применение ИПВ позволяет выполнять различные классы устройств СВЧ с уменьшенными габаритами и весом по сравнению с реализацией на традиционных металлических волноводах. На рисунке 1.3 показан внешний вид малогабаритного СВЧ делителя мощности на 16 каналов, выполненного в виде ИПВ структуры [11].
Делитель мощности 1:16 в ИПВ исполнении [11]. Дополнительным преимуществом, обуславливающим растущую популярность ИПВ, является возможность их соединения при помощи широкополосных переходов с планарными структурами, выполненными на той же подложке с [7, 10].
Резонансные частоты и собственная добротность ЕНОР
В литературе не представлено подробного исследования того, как влияют параметров нагрузки на резонансные частоты и собственную добротность объемного резонатора.
На Рисунке 2.6 показано поперечное сечение квадратного (W = L =a) объемного резонатора в ИПВ реализации, нагрузкой которого является прямоугольный металлический стрежень шириной w и высотой hc.
Выполнено численное электродинамическое моделирование ряда структур объемных резонаторов нагруженных металлическим стержнем с различными геометрическими параметрами. В результате моделирования получены частотные характеристики коэффициента передачи, из которых были определены значения резонансных частот основной и второй моды. Зависимости резонансной частоты основной моды нагруженного объемного резонатора от геометрических параметров металлического стержня представлены на рисунке 2.7.
Отношение резонансных частот основной моды нагруженного и ненагруженного объемных резонаторов в зависимости от параметров нагрузки: а) ширины стержня, б) высоты стержня. При увеличении ширины металлического стержня емкость нагрузки увеличивается и, как следствие, резонансная уменьшается частота до тех пор, пока w/a0.5. При дальнейшем увеличении ширины стержня резонансная частота возрастает, что связанно с уменьшением объема резонатора (рисунок 2.7-а).
Увеличение высоты стержня, также приводит к уменьшению резонансной частоты, так как при этом емкость нагрузки тоже возрастает. При приближении высоты стержня к высоте резонатора (hc/h-- 1), отношение резонансных частот f0/f0c стремится к нулю.
Введение емкостной нагрузки в объемный резонатор приводит к изменению резонансной частоты не только первой моды, но и резонансных частот высших гармоник. Для разработки фильтров без паразитных полос пропускания интерес представляют резонаторы с большим отношением резонансных частот высших гармоник к основной моде. На основе результатов электродинамического моделирования объемных резонаторов с различным соотношением геометрических размеров стержня, представляющего емкостную нагрузку, был выполнен анализ положения резонансной частоты второй моды по отношению к резонансной частоте основной моды. Полученные зависимости представлены на рисунке 2.8. 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Отношение резонансных частот второй моды и основной моды емкостно-нагруженного объемного резонатора в зависимости от параметров нагрузки: а) ширины стержня, б) высоты стержня. Увеличение ширины стержня позволяет отодвинуть вторую моду от первой. Отношение резонансных частот максимизируется при w/a0,33. Объемный резонатор с емкостной нагрузкой в виде металлического стержня характеризуется наименьшей резонансной частотой основной моды (или, иначе говоря, наименьшими габаритными размерами для заданной резонансной частоты), при w/a=0,5 и hc/h= 1, и наибольшим отношением f2/f1 при w/a=0,33 и hc/h= 1.
Максимально возможная высота стержня hc определяется минимально реализуемой толщиной слоя диэлектрика между металлическим стержнем и крышкой резонатора. В свою очередь, минимальная толщина диэлектрического слоя ограничена, во-первых, технологическими возможностями и, во-вторых, мощностью, которую должен выдерживать резонатор. Чтобы дополнительно увеличить емкостную нагрузку объемного резонатора при фиксированных размерах стержня, на его конец может быть установлена металлическая пластина (рисунок 2.9). Размеры металлической пластины, реализующей емкостную нагрузку, ограничены габаритами резонатора.
Емкостно-нагруженный объёмный резонатор с металлической пластиной на конце стержня: поперечное сечение (а), общий вид (средняя часть верхней крышки резонатора не показана) (б).
Распределение электрического поля в таком резонаторе показано на Рисунке 2.10-а. Электрическое поле концентрируется в пространстве между металлической пластиной и верхней крышкой резонатора. В то же время распределение магнитного поля остается практически таким же, как и в ненагруженном резонаторе (Рисунок 2.10-б).
ЕНОР высотой h = 1.44 mm от размера его стороны (W=L=a) показана на Рисунке 2.11-а. Данный график построен на основании результатов численного электродинамического моделирования. Точками на графике показаны значения собственной добротности, полученные в результате моделирования ЕНОР с разными параметрами нагрузки[70].
Малогабаритный ЕНОР с размером a = g/10 характеризуется значением собственной добротности около 150, что в 2-3 раза выше в сравнению с резонаторами на элементах с сосредоточенными параметрами[69-79].
Зависимость: а) собственной добротности и б) отношения резонансной частоты второй моды к первой от размера резонатора нормированного к резонансной длине волны Для эффективного уменьшения размеров объемного ИПВ-резонатора необходима большая емкостная нагрузка. С другой стороны, чем меньше размеры ЕНОР, тем больше отношение частот второго и первого резонансов (Рисунок 2.11-б). Распределение электрического и магнитного полей на резонансной частоте второй моды в ЕНОР показано на рисунке 2.12.
Разработка и исследование ППФ с чебышевской характеристикой на основе ёмкостно-нагруженных объёмных резонаторов
На связанных при помощи диафрагмы ЕНОР были разработаны и исследованы двухзвенный и трехзвенный ППФ с чебышевской характеристикой, центральной частотой f0=2140 МГц и шириной полосы пропускания 60 МГц (2,8%) по уровню пульсаций коэффициента отражения. Оба фильтра реализованы по технологии LTCC. Каждый фильтр выполнен в девяти слоях керамики DuPont Green TapeTM 951 LTCC различной толщины. В обоих фильтрах использованы ЕНОР со структурой, аналогичной той, которая была представлена раздел 2.2.2.
Двухзвенный полосно-пропускающий фильтр состоит из двух емкостно-нагруженных объемных резонаторов, связанных между собой при помощи диафрагмы, как показано на рисунке 3.3-а. Резонаторы связаны с внешними цепями при помощи индуктивных элементов связи. Эквивалентная схема фильтра показана на рисунке 3.6-а. Измеренные и расчетные частотные характеристики фильтра представлены на рисунке 3.6-б. Вносимые потери в полосе пропускания фильтра 2,11 - 2,17 ГГц не превышают 0,8 дБ. Коэффициент отражения по входу – не хуже -15 дБ. Площадь занимаемая фильтром составляет 13 7 мм (0.26g 0.14g)
Двухзвенный ППФ на связанных ЕНОР: эквивалентная схема (а) и экспериментально измеренные АЧХ (сплошные линии) в сравнении с результатами электродинамического моделирования (пунктир). С целью повышения частотной избирательности на следующем этапе был разработан малогабаритный трехзвенный ППФ на связанных ЕНОР (Рисунок 3.7). Эквивалентная схема фильтра изображена на Рисунке 3.7-б. Размеры диафрагмы выбираются с учётом необходимых коэффициентов связи k12 = k23 = 0,063 при значении внешней добротности Qвн = 12,5.
Площадь занимаемая фильтром составляет 19 7 мм2 (0.38g 0.14g). Расчетные и экспериментальные характеристики фильтра в узкой полосе частот (1,6-2,6 ГГц) представлены на Рисунке 3.7-в. Вносимые потери в полосе пропускания не превышают 1.2 дБ, что соответствует собственной добротности ЕНОР 150, то есть в 3 раза большей, чем у резонаторов на ЭСП. Коэффициент отражения по входу фильтра лучше, чем -22 дБ. АЧХ фильтра, измеренная в широкой полосе частот (1-10 ГГц), показана на Рисунке 3.7-г. Паразитные резонансы высших гармоник экспериментально не наблюдались вплоть до 10 ГГц, т.е. до частоты 5-й гармоники включительно, что подтверждает теоретические оценки, приведенные в разделе 2.2.2 . Вход
Трехзвенный ППФ на связанных ЕНОР: структура (а), эквивалентная схема (б), экспериментальные АЧХ (сплошные линии) в сравнении с результатами электродинамического моделирования (пунктир) (в) и АЧХ, измеренная в широкой полосе частот (г).Экспериментально была исследована температурная стабильность частотных характеристик трехзвенного ППФ в интервале температур от -20 до +30 C. Рисунок 3.8 иллюстрирует изменение АЧХ фильтра при изменении температуры окружающей среды в пределах указанного диапазона. При изменении температуры в данных пределах АЧХ фильтра меняются незначительно. Пульсации коэффициента отражения не превышают уровень -22 дБ. Вносимые потери в полосе пропускания фильтра изменяются не более чем на 0,02 дБ. Таким образом, можно говорить о том, что исследуемый ППФ на основе ЕНОР демонстрирует хорошую температурную стабильность частотных характеристик в данном интервале температур.
В таблице 2.1 приведено сравнение характеристик разработанного трехзвенного ППФ на связанных ЕНОР с предлагаемыми на рынке фильтрами одного из ведущих мировых производителей - фирмы K&L. Коммерческие фильтры, с которыми производится сравнение, разработаны для той же полосы частот и имеют тот же порядок, но используют резонаторы иной структуры и реализованы с применением других технологий изготовления.
Площадь, мм2 483,9 133,5 133 Разработанный фильтр на основе ЕНОР обеспечивает в 2,3 раза меньшие вносимые потери, чем фильтр модели 3IN103-2140/T200-SM/SM производства K&L при такой же занимаемой площади и сопоставимых прочих характеристиках. По сравнению с фильтром модели 3MMB7-2140/T200-1.0 фильтр на ЕНОР занимает в 3,6 раза меньшую площадь и в 15,4 раза меньший объем, при этом его вносимые потери только в 2 раза выше, чем у фильтра, разработанного K&L.
Результаты сравнения наглядно демонстрируют, что СВЧ фильтры на основе ЕНОР представляют собой компромиссное решение с точки зрения сочетания малых габаритных размеров и низких вносимых потерь.
Повышение частотной избирательности фильтра путем увеличения порядка (числа резонаторов) отрицательно сказывается на уровне вносимых потерь, который возрастает согласно (1.1). Введение дополнительных нулей передаточной характеристики позволяет повысить частотную избирательность фильтра без увеличения его порядка.
С использованием двух различных способов введения дополнительных нулей передаточной характеристики, рассмотренных в разделе 2.3, на основе ЕНОР были разработаны и исследованы ППФ с увеличенной частотной избирательностью.
На Рисунке 3.9-a показан двухзвенный ППФ на ЕНОР, которые имеют дополнительные нули передаточной характеристики. Связь между резонаторами реализована при помощи диафрагмы. Фильтр реализован в виде многослойной ИС на LTCC с использованием 11 слоев DuPont Green TapeTM 951 различной толщины. Габаритные размеры ИС фильтра составляют 14 8 1.9 мм3. Рисунок 3.9-б иллюстрирует преимущество в частотной избирательности разработанного ППФ с нулями передаточной характеристики над аналогичным двухзвенным фильтром без нулей передачи. Вход
Двухзвенный ППФ с нулями передаточной характеристики: (а) -структура, (б) - АЧХ фильтра с нулями (сплошные линии) и без нулей (пунктир) передаточной характеристики. Другой способ введения нулей передаточной характеристики для повышения частотной избирательности фильтра заключается в использовании перекрестных связей между несоседними резонаторами.
С применением данного подхода был разработан ППФ четвертого порядка с квазиэллиптической характеристикой, который состоит из четырех одинаковых ЕНОР с тремя прямыми индуктивными связями и емкостной перекрестной связью между крайними резонаторами (Рисунок 3.10). Для фильтра с центральной частотой 2.14 ГГц и полосой пропускания 60 МГц матрица связей имеет вид:
Разработка и исследование двухполосных фильтров на комбинации ЕНОР и кольцевых разомкнутых резонаторов на щелевой линии
Для практической реализации двухчастотного инвертора сопротивления/проводимости использовались компоненты поверхностного монтажа производства фирмы Murata: индуктивности серии LQW18 и конденсаторы серии GQM1885. Значения компонентов: Сс1 = 3,6 пФ , Lс1 = 4,3 нГн, Сс2 = 2.4 пФ, Lс2 = 5.6 нГн.
Измерения частотных характеристик разработанного двухчастотного инвертора сопротивления/проводимости проводились на векторном анализаторе цепей Agilent N5241A с применением калибровки типа SOLT.
Измеренные АЧХ и ФЧХ двухчастотного инвертора сопротивления/проводимости приведены на Рисунке 4.9 в сравнении с результатами электродинамического моделирования. Наблюдается хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных как для АЧХ, так и для ФЧХ. Имеющиеся различия объясняются точностью изготовления печатной платы и разбросом параметров реальных компонентов поверхностного монтажа. Тем не менее, на обеих рабочих частотах инвертор обеспечивает необходимый фазовый набег и надлежащее значение коэффициента отражения, которое соответствует данным электродинамического моделирования. Разработанный инвертор сопротивления/проводимости экспериментально продемонстрировал высокий уровень затухания между двумя рабочими частотами. Уровень вносимого затухания между полосами пропускания превышает 40 дБ. Это является главным преимуществом двухчастотных инверторов сопротивления/проводимости, выполненных по такой схеме, помимо их малых габаритных размеров.
На рисунке 4.10-а показана структура (вид сверху) двухполосного трехзвенного фильтра, использующего двухчастотные инверторы проводимости в виде П-схемы на элементах с сосредоточенными параметрами.
Три двухмодовых ЕНОР выполнены в виде единой LTCC структуры на основе керамики DuPont Green Tape 951. Схема инвертора реализована с использованием элементов поверхностного монтажа, расположенных на верхней поверхности LTCC структуры (рисунке 4.10-а). Эквивалентная схема такого двухполосного ППФ представлена на рисунке 4.10-б. ъ—Двухполосный трехзвенный фильтр с двухчастотными инверторами проводимости: LTCC структура, вид сверху (а), эквивалентная схема (б). АЧХ, полученные в результате электродинамического моделирования разработанного двухполосного фильтра, показаны на рисунке 4.11. Фильтр имеет две полосы пропускания: 0,79-0,89 ГГц и 1,738-1,79 ГГц. Вносимые потери на центральной частоте нижней и верхней полос пропускания составляют 1,55 дБ и 3,1 дБ, соответственно.
Как было отмечено выше, используемый двухчастотный инвертор проводимости имеет полосу заграждения между рабочими частотами. Это увеличивает уровень затухания в частотной области между полосами пропускания двухполосного фильтра. В разработанном фильтре вносимое затухания между полосами пропускания достигает более, чем 50 дБ (Рисунок 4.11), что значительно выше уровня затухания в аналогичном фильтре на вложенных ЕНОР с использованием диафрагменных связей (рисунок 4.5).
Пересчет вносимые потерь в собственную добротность резонаторов с учетом относительной ширины полос пропускания каждого фильтра показывает, что собственная добротность используемых ЕНОР на каждой из центральных частот одинакова для обоих сравниваемых фильтров и составляет: Q0(f01)=70 и Q0(f02)=140.
Частотные характеристики двухполосного фильтра с использованием двухчастотных инверторов проводимости, полученные при помощи численного электродинамическим моделирования
Разработка и исследование двухполосных фильтров на комбинации ЕНОР и кольцевых разомкнутых резонаторов на щелевой линии. В разделе 2.5 были рассмотрены двухмодовые резонаторы на комбинации ЕНОР и КРР на щелевой линии. В данном разделе обсуждается возможности, преимущества и недостатки применения таких резонаторов для создания двухполосных ППФ.
Самостоятельной задачей, требующей отдельного решения, является разработка способа связи таких резонаторов. Как и в рассмотренных выше примерах, связи между ЕНОР могут быть организованы при помощи диафрагмы. Связь между планарными КРР на щелевой линии осуществляется за счет общего электромагнитного поля в воздухе и диэлектрике подложки. В планарных фильтрах на основе таких резонаторов значение связи зависит от расстояния между резонаторами. Для обеспечения требуемого значения связи резонаторы располагают на некотором расстоянии друг от друга. В рассматриваемой структуре, состоящей из ЕНОР и КРР, возможности позиционирования КРР независимо от ЕНОР ограничены. В результате чего соседние КРР могут оказаться "недосвязаными".
Для увеличения связи между парой КРР может использоваться дополнительный отрезок линии передачи, соединяющий оба резонатора, как показано на рисунке 4.12-а. Значение связи зависит от места включения линии в резонатор. На рисунке 4.13 показана полученная при помощи электродинамического моделирования зависимость коэффициента связи для обеих мод (kf01 и kf02) от ширины диафрагмы связи b и места подключения щелевой линии в КРР d. Схема связей представлена на рисунке 4.12-б.