ГЛАВА 5. Объемные многослойные фильтры СВЧ

Эта глава посвящена рассмотрению особенностей объемных фильтрующих структур для ОИС СВЧ. Известно, что фильтры, наряду с резонансными структурами, являются одним из основных функциональных БЭ при обработке радиосигнала в РЭЛ. К настоящему времени созданы фильтры, перекрывающие весь используемый на практике диапазон СВЧ. По мере роста требований к РЭА по дальности, достоверности, чувствительности, избирательности, помехозащищенности и т. д. естественно возрастают требования к фильтрующим структурам СВЧ; уменьшение потерь, увеличение крутизны скатов частотной характеристики, линейности фазовой характеристики и обеспечение равномерной характеристики группового времени задержки, снижение уровня внеполосного приема и равномерности частотной характеристики в полосе непрозрачности, снижение массогабаритных параметров, повышение надежности и упрощение технологии производства и др. Перечисленные основные требования к фильтрующим структурам обычно в одинаковой мере являются и жесткими, и противоречивыми.

Современная теория анализа и синтеза фильтров (во всяком случае по их прототипам — низкочастотным эквивалентным схемам) является достаточно хорошо разработанной [1, 16, 328]. Вместе с тем освоение миллиметрового и субмиллиме грового диапазонов волн настоятельно требует создания электродинамической теории резонансных и фильтрующих устройств СВЧ. Здесь еще предстоит много сделать. В особенности последнее замечание относится к фильтрам для ОИС СВЧ, представляющим собой принципиально трехмерные электродинамические структуры.

Здесь мы ограничимся описанием основных типов фильтров для ОИС СВЧ, их анализом (синтезом) на уровне прототипов и приведем некоторые экспериментальные данные.

§ 5.1. Особенности фильтров для ОИС. Габаритный индекс

Отмеченные выше основные требования к фильтрующим устройствам являются во многом противоречивыми. Наиболее существенное из противоречий состоит в необходимости получения

минимально возможных габаритов при обеспечении минимума потерь. Физическая реализация идеального фильтра (с учетом статистических свойств радиосигнала и помех), очевидно, невозможна, поэтому речь может идти о разумном приближении реального фильтра к его идеальным характеристикам. На практике пользуются понятием габаритного индекса (см., например, [329])

связывающего среднюю величину потерь в одном резонаторе фильтра, отнесенную к -процентной полосе пропускания фильтра, и его средний объем Очевидно, что в оценку объема фильтра необходимо включать также вспомогательные устройства (экраны, магниты, термостаты, усилители СВЧ, выводы (вводы) энергии и пр.), обеспечивающие оптимальные конструкторско-технологиче-ские параметры и нормальное функционирование фильтра в составе СВЧ модуля РЭА.

На практике применяется громадное разнообразие тппов и классов фильтрующих устройств. Среди них наиболее миниатюрными являются, по-видимому, фильтры на диэлектрических резонаторах (с. 181), удобно согласующихся с диэлектрическими полосковыми (рис. В.1) ЛП. Для обычных фильтров на диэлектрических резонаторах характерным является значение габаритного индекса в пределах от 3 до Полосовые фильтрующие устройства СВЧ на позволяют стгпзпть габарнтнып индекс до значения Это объясняется тем, что с увеличением числа резонаторов объем фильтра увеличивается за счет роста числа слоев диэлектрика, но при этом объем корпуса и выводов энергии сохраняется. При достаточно тонких слоях диэлектрика объем фильтра в целом не изменяется, однако в планарных структурах это не выполняется.

При проектировании фильтров (их синтезе) широкое распространение получил метод прототипных схем, в основе которого лежит построение адекватной модели фильтра и ее реализация (определение параметров модели) по табулированным значениям параметров элементов прототипной схемы [328, 16]. Такой подход хорошо разработан, и мы не будем задерживать на нем внимание читателя. Ограничимся только следующим замечанием, касающимся особенностей подхода к реализации фильтров СВЧ на ОИС. Для строгого синтеза фильтров на ОИС, по нашему мнению, целесообразно задаваться функцией, описывающей частотную характеристику фильтра, зависящую от нескольких параметров (например, крутизпы скатов, полосы частот, потерь и пр.). Затем по заданной частотной характеристике необходимо восстановить трехмерную структуру потребного для реализации фильтра электромагнитного поля. Далее, учитывая уже достаточно полные знания о регулярных ЛП на электродинамическом уровне строгости, выбрать необходимый тип ЛП (например, структура поля -волны). Отсюда следует, что для построения

фильтров на ОИС достаточно использовать в одном фильтре не более трех типов ЛП - это вытекает из условия существования трех основпых видов воли в возможно использование и продольных типов воли и др.).

Реализация фильтров в свете высказанного замечания о их синтезе на ОИС влечет за собой резкое увеличение сложности алгоритмизации расчета (решение временных задач для трехмерного пространства) и увеличению на несколько порядков потребного объема памяти ЭВМ и машинного времени, что недоступно в настоящее время инженерам-проектировщикам СВЧ систем.

Ниже мы рассмотрим несколько вариантов построения многослойных объемных резонаторов на магнитодиэлектрических и полосковых ЛП.