§ 5.4. Фильтры на ОИС СВЧ

Здесь будут рассмотрены объемные фильтры, в которых токонесущие проводники прямолинейных резонаторов выполнены на слоях (или из слоев) металла ОИС СВЧ. Сначала мы обратимся к простейшим типам фильтров на связанных ЛП, выбирая при этом эквивалентную схему на сочетании разомкнутых полуволновых и четвертьволновых закороченных отрезков, предложенную в [345].

Синтез таких фильтров довольно простой, если применять аппроксимирующие функции Чебышева или гладкие функции. В конструкции фильтра естественно реализуются закороченные и разомкнутые отрезки без навесных перемычек (рис. 5.4, а) [351]. Вход и выход фильтра выполнены на НПЛ, что позволяет просто их выстраивать в различные ИС и ОИС СВЧ, используя при этом «балочные» выводы. Схема фильтра такова, что при подаче сигнала на закороченный отрезок четвертьволновой длины входной линии через элемент связи (четвертьволновый отрезок закорочен с одной стороны и разомкнут — с другой) происходит возбуждение полуволнового разомкнутого резонатора на НПЛ, расположенного в среднем слое схемы. Для примера показана симметричная относительно среднего слоя конструкция; при этом вывод энергии сигнала построен аналогичным образом.

Рассмотренный вариант фильтра на ОИС (рис. 5.4, а) имеет незначительный выигрыш по габаритному индексу по сравнению с планарными фильтрами на НПЛ. Несомненным

конструктивным достоинством этого типа фильтра является передача фильтрованного СВЧ сигнала с минимальными потерями в различные слои диэлектрика (разные этажи ОИС СВЧ). Значительное уменьшение потерь связано с ликвидацией потерь на излучение.

Рис. 5.4. (см. скан) Объемные полосовые фильтры СВЧ: а) на связанных ЛП с комбинацией закороченных и разомкнутых резонаторов; б) на связанных НЩЛ; в) с квазисосредоточенными элементами связи; г) частотные характеристики трехрезонаторных фильтров. Кривая 1 соответствует фильтру б), а кривая 2-е)

Уже на этом простейшем примере фильтра на ОИС легко просматриваются главные черты принципа конструкционного соответствия, а именно — практически все планарные конструкции фильтров могут быть включены в ОИС СВЧ.

С нашей точки зрения, целесообразнее применять фильтры, имеющие эллиптическую амплитудно-частотную характеристику, которая обладает нулевыми особенностями коэффициента передачи в полосе заграждения. Такая функция реализуется в фильтре, где возможно возбуждение двух ортогональных колебаний в объеме

одного резонатора [352]. Это позволяет осуществить одновременную связь по электрическому и магнитному полям между ближайшими и крайними резонаторами. Для этой цели можно использовать полуволновые разомкнутые отрезки на НЩЛ, расположенные друг над другом (рис. 5.4, б).

Многорезонаторный фильтр выполняется путем многослойного набора диэлектрических подложек, на разные стороны которых нанесены слои металла НЩЛ. Между подложками расположены диэлектрические слои с низким значением Связь между резонаторами экспоненциально уменьшается при увеличении толщины слоя диэлектржка.

Возбуждение входного (выходного) полу волнового разомкнутого резонатора осуществляется СЩЛ, включенной в его середину, а короткозамкнутого резонатора — НПЛ. На рис. 5.4, б показан трехрезонаторный фильтр на разомкнутых резонаторах. Близлежащие резонаторы имеют зеркальную симметрию. Промежуточный слой между резонаторами выполнен материала с толщины нанесены на диэлектрические подложки из материала с Входной и выходной резонаторы фпльтра возбуждаются -омными СЩЛ. Экспериментальная амплитудно-частотная характеристика является эллиптической (рис. 5.4, г, кривая 1).

Интересными возможностями обладает конструкция многорезонаторного фпльтра (рис. 5.4, в) на чередующейся комбинации полуволповых отрезков СЩЛ (закороченной) (разомкнутой). Резонаторы на СЩЛ и СПЛ расположены в соседних слоях диэлектрика и имеют между собой связь квазисосредоточенного характера. При ортогональном расположении осей связь между резонаторами максимальна а при параллельном минимальна Величину связи можно также менять путем смещения ортогональных осей резонаторов относительно друг друга, при этом электрическая длина между резонаторами равна 9. Существование двух видов связи между резонаторами увеличивает возможности предварительной механической настройки фильтра (при его исследовании и экспериментальной отработке).

Поскольку рассмотренные тины фильтров используются в ОИС, выходные плечи их выполнены на НПЛ, которые за областью пересечения с крайними резонаторами заканчиваются разомкнутыми четвертьволновыми шлейфами на НПЛ. Выходные плечи могут иметь вывод энергии балочного тина на НПЛ, что позволяет широко использовать фильтр и в нланарных ИС СВЧ.

Для проведения синтеза полосового фильтра на ОИС (рис. 5.4, в) но известным методикам (например, аппроксимации по функциям Кауэра, Чебышева и др.) необходпмо иметь сведения о зависимости коэффициента связи от геометрии расположения резонаторов. В данном случае связь резонаторов осуществляется но магнитному полю в вертикальной плоскости относительно плоскости резонаторов. Электродинамический анализ в этом случае представляет весьма сложную задачу математической теории дифракции

из-за отсутствия физических и математических трехмерных моделей ОИС СВЧ. Учитывая это, а также возможный диапазон применения (сантиметровый), были проведены экспериментальные исследования по определению коэффициента связи при следующих условиях: в резонаторах, ширина которых намного меньше длины, возбуждаются волны низшего типа (в СПЛ и НПЛ Т-волны, а в СЩЛ Н-волны); толщина слоев диэлектрика выбирается таким образом, чтобы не возбуждались паразитные объемные волны.

При повороте оси резонаторов относительно их центра коэффициент связи изменяется но косинусоидальному закону (рис. 5.5). При смещении взаимно перпендикулярных резонаторов этот закон практически сохраняется, а при расположении одного резонатора вблизи конца другого и за его пределами коэффициент связи изменяется по экспоненциальному закону.

Рис. 5.5. Зависимость коэффициента связи от геометрического расположения резонаторов: поворот; смещение резонаторов относительно друг друга

Для достоверности эксперимента измерения проводились двумя способами: методами коэффициента отражения (данные приведены на рис. 5.5 кружками) и коэффициента передачи (треугольниками). Был также проведен синтез многослойного объемного фильтра, основанный на аппроксимации функции Чебышева, на следующие основные характеристик: относительная полоса пропускания 5%, а полоса заграждения 15%, затухание в полосе пропускания около а в полосе заграждения превышает

На основании расчетных данных был изготовлен трехрезонаторный фильтр со следующей структурой: -омные плечи на в слоях диэлектрика расположены три резонатора на под углами друг относительно друга Слои диэлектрика толщины выполнены из материала Склеивание слоев диэлектрика осуществлялось следующим образом. Плоскости подложек с двухсторонней и односторонней металлизацией смачивались химически чистым толуолом до размягчения поверхности диэлектрика, собирались в пакет и сушились под прессом.

Характеристики трехрезонаторного объемного фильтра, полученные экспериментально, приведены на рис. (кривая 2). Видно, что потери в полосе пропускания составляют менее а в полосе заграждения — более Экспериментальные результаты

удовлетворительно совпадают с заданной аппроксимацией Чебышева. Искажение крутизны кривой одного из скатов объясняется, по-видимому, дополнительной связью первого и последнего резонаторов но магнитному полю (индуктивная связь), что указывает на существование квазиэллиптической амплитудно-частотной характеристики фильтра. Для выравнивания частотной характеристики в полосе заграждения достаточно пространственно разнести в фильтре области связи. Достоинством рассмотренного фильтра (рис. 5.4, в) является отсутствие в полосе заграждения паразитного спектра. Ближайший паразитный резонанс стороны верхних частот) наблюдается при

Рис. 5.6. Зависимость объема фильтра от числа резонаторов: 1 — экранированный объемный фильтр; 2 — неэкранированный; 3 — экранированный фильтр на НПЛ; 4 - фильтр на СПЛ

Рассмотренные примеры показывают, что объемные фильтры имеют явные преимущества перед планарными фильтрами не только по частотным характеристикам, но и по массогабаритным параметрам. На рис. 5.6 приведены зависимости габаритов фильтра на ОИС от числа используемых резонаторов при следующих параметрах: (штриховые кривые относятся к многослойным объемным фильтрам, выполненным: 1 — в корпусе, 2 — без корпуса). Видно, что с увеличением числа резонаторов (числа слоев диэлектрика) объем фильтра увеличивается незначительно и зависит только от суммарной толщины объемного диэлектрика. На этом же рисунке при тех же условиях приведены зависимости объемов известных фильтров с распределенной боковой связью на НПЛ (кривая 5), выполненной в корпусе, и на СПЛ (кривая 4). Сравнение кривых показывает наглядное преимущество фильтров на ОИС. Наиболее конкурентоспособными являются фильтры на СПЛ, но у них возрастание объема происходит за счет увеличения рабочей площади схемы, а это, как известно, приводит к возникновению паразитных типов волн, устройства подавления которых в свою очередь увеличивают массогабаритные параметры и усложняют процедуру настройки.

Таким образом, фильтры, удовлетворяющие требованиям современной РЭА СВЧ, целесообразно изготавливать на ОИС. Послойное расположение резонаторов фильтра резко уменьшает габариты и увеличивает надежность фильтров. Чувствительность объемных фильтров к температурным воздействиям намного ниже по сравнению с диэлектрическими фильтрами на запредельных волноводах и примерно равна чувствительности фильтров на планарных ИС СВЧ.