Свч фильтры и методы их расчета. Расчет полосковых СВЧ фильтров. Схема, описание. Особенности инверторных печей и преимущества перед микроволновыми

Расчёт фильтров СВЧ на основе идеальных инверторов

- Работа в диапазоне НЧ-прототипа
- Прототипы с идеальными инверторами
- Элементы линий в диапазоне НЧ-прототипа
- Расчёты в диапазоне прототипа полосового фильтра
- Модели полосовых фильтров с волноводами
- Модели полосовых фильтров с коаксиальными или волноводными объёмными
резонаторами
- Компенсация потерь
- Расчёты с реальной моделью полосового фильтра
- Рекомендации для интерактивной оптимизации фильтров СВЧ

Составление идеальных инверторов и других основных элементов для схем

фильтров СВЧ
- J-инверторы
- K-инверторы
- Смешанные элементы
- Идеальные инверторы, полученные путём параллельного соединения
пассивных реактивных четырёхполюсников

Расчёты с "КАОS" к теме "Фильтр λ/2-линий, оконечных связанных"

- Расчёты в диапазоне НЧ-прототипа
- Расчёты в диапазоне полосового фильтра

Расчёт параметров 5-контурного чебышевского фильтра (MathCAD-про-

грамма)
HTML-документ одной из набора MathCAD-программ

Потери в фильтрах СВЧ, компенсация потерь и оптимальная ширина полосы

пропускания
- Действие потерь
- Компенсация потерь
- Чувствительность на допустимые отклонения
- Оптимальное число контуров

Расчёт волноводных фильтров

- Расчёт широкополосного фильтра
- Расчёт канального фильтра

Расчёты фильтров с гребенчатой структурой

- Фильтр с открытыми λ/2-резонаторами
- Фильтр с замкнутыми λ/4-резонаторами

Расчёт заграждающего НЧ-фильтра

Данным примером должно демонстрироваться, как может использоваться метод идеальных инверторов даже для расчёта НЧ-фильтров со сконцентри-рованными элементами

Расчёты для модели двухконтурного измерительного фильтра

Пример расчёта микрополоскового фильтра с модифицированными резонато-

рами
При всех примерах разработки фильтров в учебном пакете сначала выбирались резонаторы и определялись, исходя из этого, связи, в зависимости от ширины полосы пропускания, типа фильтра и числа контуров. При микрополосковых фильтрах с более крупными ширинами полосы пропускания ожидаются слож-ности в реализуемости элементов связи. В данной статье противоположный путь применён. Сначала устанавливаются, как обычно, число контуров и основ-ная топология фильтра, затем спрашивается о реализуемых связях, и только в третьем шаге ищутся резонаторы, которые имеют необходимую настроечную крутизну.

Метод рассчитанных целей для настройки - первый шаг к автоматичес-кому

проектированию фильтров СВЧ
Радиорелейные канальные фильтры, к которым ставятся высокие требования относительно добротности, имеют, как правило, дорогостоящую конструк-цию. Часто из этого следует, что конструктивные размеры элементов связи не можно вовсе рассчитывать или только неточно. Это ведет к большой экспери-ментальной затрате при разработке такого фильтра. При псевдоэллип-тических фильтрах возникает затруднение, что число неизвестных связей станет больше и настройка фильтра затрудняется существенно.

... больше о параллельно связанных фильтрах

(Проблемы и опыты при разработке параллельно связанных фильтров)
В статье представлена философия, как во всех документах учебного пакета, что не нужно стремиться к тому, чтобы иметь, по возможности, более точ-ные формулы или алгоритмы для расчёта фильтра, а важно, получать с более простыми расчетами достаточные решения для старта оптимизации схемы, и делать остаток с помощью САПР, от которой современный инженер, так или иначе, не может отказываться.
Даётся простой рецепт для расчёта параллельно λ/4- или/и λ/8-связанных филь-тров. Однако, это только решения аппроксимации, которые тем точнее, чем меньше ширина полосы пропускания фильтра. Можно повышать точность, если используют исправленные J"-параметры, которые находятся в распоря-жении в таблице. Таким образом полученные результаты достаточны как ре-шение для старта оптимизации.
Формулы расчёта требуют "симметрии" Z e и Z o относительно Z L = R B = R L . Обсуждается проблематика сдвига Z e -Z o -пар к более крупным или более ма-леньким значениям, также проблема реализуемости, которая относится к этому при параллельно связанных микрополосковых фильтрах.
Дальняя селекция параллельно связанных микрополосковых фильтров, которая ведет, прежде всего, из-за различий между k e и k o к проблемам, исследуется в изобилии. Показывается, что, при определенных обстоятельствах, можно до-стигать приемлемых компромиссов со смешанными связями.
У двух примеров объясняется в деталях практическая последовательность раз-работки параллельно связанных микрополосковых фильтров.
Содержание:

Анализ дуплексного фильтра для 2м-диапазона частот для радиолюбителей

Анализ дуплексного фильтра для 145МГц-ретранслатора с 600кГц расстояния между полосами передатчика и приёмника, состоя из двух трёхконтурных фильтров с одинаковыми резонаторами,
Получение полюсов затухания ёмкостным или индуктивным шунтированием резонаторов.

собрание полезных формул для расчёта схем СВЧ,

несколько MathCAD-программ для расчета фильтров,
большое количество КАОS-примеров по теме "фильтры СВЧ",
обзор элементов ("Circuit Elements") системы "КАОS"

Информации для download

Объём данных: 6.9 Мбайт, распакованы: 10.4 Мбайт Формат: ZIP-архив

Все текст-документы - HTML-файлы, рекомендуется, читать их с помощью брау-зера "Microsoft Internet Explorer 6.0" (или вышей версии) и использовать экранный формат 1024 x 768 точек.

Внимание:
Пакет распаковать таким образом, что папка "Paket_FR" копируется из ZIP- файла в нейтральную папку. При распаковке нельзя разбить иерархию папок!

Вступление в учебный пакет с помощью файла пакета "Index.html" (→ стан-дартный HTML-браузер) или
программой "Содержание.exe" (→ собственный браузер, быстрее).

ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Борьба с электромагнитными помехами – важнейшая задача при создании РЭА СВЧ и, прежде всего, изделий микроэлектроники СВЧ. Подход к ее решению все более усложняют следующие факторы:
· возрастание функциональных возможностей и сложности изделий;
· миниатюризация;
· увеличение плотности компоновки и усиление взаимного влияния компонентов;
· повышение рабочих частот;
· рост требований к надежности и долговечности и вследствие этого – необходимость герметизации изделий.
Основное средство подавления меж- и внутрисистемных помех, а также развязки по СВЧ в цепях питания, управления и коммутации постоянного и переменного токов – помехоподавляющие фильтры нижних частот, защищающие аппаратуру от внешних и внутренних помех, распространяющихся от источника питания, а сеть питания – от помех, создаваемых изделием. Фильтры устанавливают в каждый незаземленный провод в цепи питания между источником и нагрузкой, по возможности как можно ближе к источнику помех.
Таким образом, из этого следует, что к фильтрам, применяемым в современных изделиях микроэлектроники СВЧ, предъявляются следующие основные требования : · миниатюрность;
· герметичность на уровне 10-9 – 10-11 м3·Па/с, определяемая скоростью натекания через фильтр;
· высокий уровень вносимого затухания в диапазоне частот от нескольких мегагерц до 18 ГГц;
· предотвращение повреждения фильтров при монтаже в изделие;
· возможность пайки фильтра в корпус изделия (без нарушения конструкции и ухудшения его параметров) при температуре кратковременного нагрева не ниже 230°C;
· низкая стоимость.
Именно по этим параметрам следует сравнивать отечественные и зарубежные помехоподавляющие фильтры, применяемые в микроэлектронике СВЧ. Еще раз подчеркнем: только фильтры для СВЧ-электроники. Другие области применения (силовая, автомобильная электроника, электротехнические изделия и др.) не являются объектом рассмотрения. Не рассматриваются и отечественные керамические трубчатые конденсаторы типов КТП, многослойные конденсаторы К10-54, LC- фильтры К10-78, а также соответствующие им зарубежные аналоги, поскольку их применение в микроэлектронике СВЧ ограничено.
Миниатюрность. Габаритные и присоединительные размеры фильтра, как и его массу, выбирают с учетом размеров и толщины стенки корпуса изделия, а также общего числа устанавливаемых фильтров. Для СВЧ-модулей разных типов требуется от нескольких до десяти и даже более фильтров. Толщина стенки корпусов модулей лежит в пределах 2–6 мм. Следовательно, диаметр корпуса фильтров для изделий микроэлектроники СВЧ должен быть не более 4 мм, длина – не более 10 мм, а масса – 1–2 г. Крупные фирмы США, Европы и Азии выпускают в совокупности 8000 типов фильтров . Но из-за требования миниатюрности большинство из этих фильтров приходится исключить из рассмотрения. К миниатюрным нельзя отнести и отечественные фильтры типов Б7-2, Б14, Б23А и Б23Б.
Герметичность. Существуют два способа герметизации фильтров. Первый – заливка обоих торцов его корпуса термостойким эпоксидным компаундом, иногда с последующим нанесением изоляционного лака. Этот способ использован во всех серийно выпускаемых отечественных фильтрах: Б7-2, Б14, Б23А, Б23 и Б24. Герметичность таких фильтров не регламентируется. Не имея отечественных миниатюрных герметичных фильтров, разработчики изделий микроэлектроники СВЧ вынуждены устанавливать негерметичный фильтр в шлюзовой отсек корпуса изделия, а герметичность обеспечивать применением металлостеклянного ввода, впаиваемого в его корпус. Выводы фильтра и ввода соединяют перемычкой. Этот прием вряд ли можно признать эффективным, если учесть еще, что в изделии используются несколько фильтров.
Второй способ – применение металлостеклянного спая. В этом случае обеспечивается вакуумная плотность фильтра – скорость натекания не превышает 10-11 м3·Па/с. Именно такие фильтры желательно применять в современной герметизированной РЭА СВЧ повышенной надежности и долговечности. Многие фильтры зарубежных фирм, герметизированные металлостеклянным спаем, имеют большую электрическую емкость (от десятых долей до нескольких микрофарад) и вследствие этого эффективно подавляют электромагнитные помехи с частотами более 10 кГц. Однако их габариты и масса велики и поэтому в микроэлектронике СВЧ такие фильтры не применяются. Миниатюрные C- и L-C-фильтры выпускают фирмы: Maxwell, Spectrum Control (США), Tusonix (Франция, США), Eurofarad (Франция) (табл.1).

ВНОСИМОЕ ЗАТУХАНИЕ В ЗАДАННОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ
Предварительные замечания. При изучении работ, посвященных отечественным фильтрам , возникает ряд вопросов. Во-первых, вносимое затухание (основной параметр фильтров) определяется в измерительной схеме с волновым сопротивлением 75 Ом. Однако в технике СВЧ общепринято значение волнового сопротивления 50 Ом, и зарубежные производители фильтров определяют вносимое затухание только в 50-Ом измерительной схеме. По-видимому, имеются и другие различия в методиках измерения. Известно, например, что зарубежные измерители КСВ и ослабления позволяют измерять вносимое затухание 60 дБ и более, а существующие отечественные – менее 40 дБ. Не этим ли объясняется низкое, по сравнению с зарубежными данными, значение вносимого затухания (35–45 дБ) фильтров Б7-2, Б14, Б23А? И чем подтверждается достоверность приводимого для фильтров Б24 и Б23Б вносимого затухания в 65–70 дБ? К сожалению, эти вопросы авторы работ не рассматривают.
Во-вторых, приведенные в работах значения вносимого затухания в некотором диапазоне частот для отечественных фильтров (исключая фильтры Б23Б и Б24) не являются информативным показателем. Как понимать, например, что у фильтра Б7-2 вносимое затухание в диапазоне частот 100–200 МГц равно 35 дБ, если на частоте 100 МГц (а это частота среза) оно равно 3 дБ? Для установления истинных параметров помехоподавления приходится обращаться к техническим условиям. Только в них, как и во всех зарубежных источниках, приведены значения вносимого затухания на фиксированных частотах рабочего диапазона, по которым можно просмотреть частотную зависимость вносимого затухания.
И наконец, при анализе данных работ непонятно, почему для фильтров с одинаковой индуктивностью 0,05 мкГн типов Б7-2 (номинальная емкость 4700пФ) и Б14 (3300 и 4700 пФ) верхняя частота помехоподавления ограничена величиной 1,5 ГГц, а для фильтра Б23А (емкость 1000 и 1500 пФ) – 10 ГГц?
Несмотря на эти замечания, сравним вносимое затухание аналогичных отечественных и зарубежных фильтров. Габариты и масса фильтров Б7-2, Б14 и Б23А велики, уровень вносимого затухания мал (35–45 дБ), недостаточен и гарантированный частотный диапазон помехоподавления (исключая Б23А). Поэтому из всех отечественных фильтров имеет смысл отсановиться только на наиболее преспективных Рi-фильтрах Б24. Это серия фильтров с номинальной емкостью от 43 до 10000 пФ и индуктивностью от 0,03 до 1,8 мкГн. Значение вносимого затухания на высоких частотах достигает 65–70 дБ. Частота среза для фильтров с емкостью 10000 пФ равна 0,7 МГц.
Проведенный нами статистический анализ параметров большого числа зарубежных фильтров показал, что при емкости 100 пФ частота среза равна 100 МГц, при 1500 пФ – 10 МГц, а при 10000 пФ – менее 1 МГц. Уровень вносимого затухания фильтров зарубежных производителей на частотах более 1 ГГц составляет 60–70 дБ. Таким образом, по своим электрическим параметрам отечественные фильтры Б24 действительно не уступают зарубежным.

ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА ФИЛЬТРОВ В КОРПУСА ИЗДЕЛИЙ
Допустимая температура нагрева. Конструкция всех отечественных фильтров, основы которой были разработаны еще в 60-е годы прошлого века, имеет две отличительные черты:
· использование керамического трубчатого конденсатора в качестве элемента корпуса фильтров Б7-2, Б23А, Б24 (варианты а и б). В фильтрах Б14 и Б24 (вариант в) на конденсатор припаивается резьбовая втулка, являющаяся элементом крепления и служащая для отвода помех "на землю" , но это принципиально не меняет сути конструкции;
· применение эпоксидного компаунда для герметизации фильтров.
В связи с этим монтаж фильтров в корпуса изделий возможен только путем вклеивания или низкотемпературной пайки в течение менее 4 с припоями типа ПОСК50-18 (температура плавления 145°C) паяльником с температурой жала 200±10°C. Перегрев более чем на 10°C недопустим. Соединение выводов фильтров с электрической схемой необходимо выполнять пайкой припоями ПОСК50-18 или ПСрОС-58. При этом рекомендуется применять теплоотвод от контактного узла фильтра, поскольку перегрев приводит к размягчению компаунда и смещению вывода, а также к возникновению трещин в керамическом корпусе, что хорошо известно тем, кто имел дело с отечественными фильтрами.
При монтаже фильтров необходимо соблюдать осторожность, так как изгибающие нагрузки, крутящие моменты более 0,025 кгс·м и удары приводят к образованию трещин и сколов керамики и могут вывести фильтры из строя . Между тем многих этих недостатков можно было бы избежать, если, подобно зарубежным фирмам, изготавливать фильтры в металлических корпусах и герметизировать их металлостеклянным спаем.
Фильтры, выпускаемые различными зарубежными фирмами, близки по своим конструктивным и электрическим параметрам. Поэтому ограничимся кратким анализом фильтров фирмы Eurofarad (см. рисунок), недавно появившихся на отечественном рынке. Эти фильтры герметизированы с одного торца металлостеклянным спаем, а с другого – термостойким компаундом. Допустимая предельная температура кратковременного (не более 6 с) нагрева фильтров при пайке в корпуса изделий составляет 275±5°C. Металлические корпус и выводы фильтра покрыты серебром или золотом. Диапазон рабочих температур фильтров серии FC030 составляет -55–175°C, остальных серий – от -55 до 125°C.
В отечественных и зарубежных фильтрах применяются миниатюрные керамические трубчатые и многослойные дисковые конденсаторы. Они в значительной степени определяют основные параметры фильтров, поэтому фирмы-изготовители фильтров обычно имеют собственное керамическое производство. Уровень технологии изготовления конденсаторов в нашей стране и за рубежом можно сравнить хотя бы по точности их размеров (табл.2). Результаты сравнения в комментариях не нуждаются. Ясно только, что конденсаторы ОАО "Кулон" с недопустимо большим разбросом размеров по наружному и внутреннему диаметрам непригодны для установки (впаивания) в герметичные металлостеклянные корпуса фильтров.
Стоимость фильтров. Фильтр Б24 стоит менее 2 долл. Цена фильтров зарубежных фирм в зависимости от их назначения, сложности конструкции и объема поставляемой партии, по имеющимся у автора данным, составляет 2–10 долл. Для изделий микроэлектроники СВЧ желательно применять фильтры, соответствующие военным стандартам, а такие фильтры, естественно, стоят дороже.

ЕСТЬ ЛИ АЛЬТЕРНАТИВА МИНИАТЮРНЫМ ГЕРМЕТИЧНЫМ ЗАРУБЕЖНЫМ ФИЛЬТРАМ?
Вследствие отсутствия отечественных серийно выпускаемых фильтров, удовлетворяющих требованиям современной микроэлектроники СВЧ, предприятие ФГУП "НПП "Исток" было вынуждено разработать и освоить выпуск миниатюрных герметичных L-C-фильтров в металлических корпусах (см. табл.1) . В конденсаторах для разработанных фильтров применены трубки с высокоточными размерами из керамики Т10000 (группа Н90) и Т-150 производства РУНПП "Монолит" (см. табл.2). В конструкции фильтров не используются органические материалы. Металлические поверхности корпуса и выводы фильтра покрыты сплавом палладий-никель. Благодаря этому допустимая температура кратковременного нагрева фильтров при пайке составляет 320°C, что при сборке изделий позволяет проводить ступенчатую пайку.
Созданные фильтры предназначены для обеспечения разработок и собственного производства предприятия. Но кроме этого они поставляются ещё более чем 25 предприятиям электронной техники. Годовой объём выпуска фильтров сравнительно невелик (20–25 тыс. шт.), поэтому их стоимость достаточно высока и сравнима с ценой зарубежных аналогов. Однако высокая стоимость оправдана высоким качеством фильтров. К сожалению, перспектива промышленного выпуска разработанных фильтров пока не просматривается.

ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗРАБОТОК ПРОМЫШЛЕННЫХ ФИЛЬТРОВ
Эти направления сформулированы в работе . Во-первых, – применение новых термостабильных керамических материалов при изготовлении конденсаторов фильтров. Во-вторых, – создание фильтров с номинальными напряжением до 1000 В и током до 200 А. В-третьих, – разработка C- и L-C-фильтров в металлических корпусах, подобных зарубежным Bolt-in-Filters. И наконец, – создание многозвенных фильтров, фильтров для "наплатного" монтажа и фильтров с варисторной защитой.
Из этих направлений для микроэлектроники СВЧ наибольший интерес представляют первое и третье. Актуальность создания и применения новых термостабильных материалов для конденсаторов несомненна. Вопрос лишь в том, будут ли выпускаться на основе таких материалов достаточно дешёвые миниатюрные трубчатые и многослойные дисковые конденсаторы с точными размерами. Важно также, что планируется разработка фильтров в металлических корпусах.
Но что понимается под зарубежным прототипом Bolt-in-Filters? Ведь обычно это резьбовые фильтры, герметизированные компаундом . Их более точное название – Resin Style Bolt-in-Filters или Bolt Style Epoxy Seals. Хотелось бы, чтобы в качестве прототипа были выбраны Bolt Style Hermetic Filters – резьбовые фильтры, герметизированные металлостеклянным спаем. Если этого не сделать, то в ближайшие годы в нашей стране не появятся миниатюрные герметичные промышленные фильтры и останутся связанные с этим проблемы.

ПОДВОДЯ ИТОГИ
Из всех серийно выпускаемых отечественной промышленностью фильтров для микроэлектроники СВЧ только фильтр типа Б24 конкурентоспособен с зарубежными аналогами. Эти фильтры дешевле зарубежных и не уступают им по таким основным параметрам, как миниатюрность, номинальная электрическая емкость, вносимое затухание в широком диапазоне частот.
Вместе с тем, миниатюрные зарубежные фильтры, герметизированные металлостеклянным спаем, превосходят фильтр типа Б24 по таким показателям, как герметичность, допустимая температура кратковременного нагрева, степень повреждаемости при установке и пайке в изделия.

ТАК КАКИЕ ЖЕ ФИЛЬТРЫ ЛУЧШЕ: ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ИЛИ ЗАРУБЕЖНЫЕ?
Автор стремился дать объективную оценку достоинств и недостатков отечественных помехоподавляющих фильтров. Выбор же отечественного или зарубежного фильтра остается за разработчиками конкретных изделий микроэлектроники СВЧ. Несомненно только, что отечественная микроэлектроника СВЧ должна базироваться на отечественных компонентах, в том числе и фильтрах, не уступающих по своим параметрам зарубежным аналогам.

Литература
1. Воловик М. Отечественные керамические проходные конденсаторы и фильтры для подавления электромагнитных помех.– Компоненты и технология, 2002, №5, с. 8–11.
2. Воловик М., Смирнов В. Керамические проходные конденсаторы и фильтры нижних частот. Состояние и перспективы развития. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2004, №7, с. 36–40.
3. Джуринский К. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ. – М.: Агентство "Издательский сервис", 2003 – 128 с.
4. ОАО "Кулон". Каталог, 2004.
5. "EMI RFI Filters. Product Catalog 029 фирмы Eurofarad". New Issue, 2003.
6. Каталог фирмы Maxwell Technologies Energy Produсt (Sierra- KD components), 2000.
7. EMI/RFI Filters. Каталог 4000R4 фирмы Tusonix Inc, 2003.
8. EMI Filtering Product Guide. Innovative. EMC Solution. Каталог фирмы Spectrum Control Inc. ISO 9001, 1997.
9. Джуринский К. Миниатюрные помехоподавляющие фильтры для РЭА СВЧ. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2001, №3, с.24–30.
10. Джуринский К. Зарубежные и отечественные миниатюрные фильтры нижних частот для подавления помех в РЭА СВЧ. Справочные материалы по электронной технике.– НПП "Исток", 1998, 42 с.
11. РУНПП " Монолит". Каталог, 2003.

В диапазоне СВЧ широко применяются микрополосковые фильтры. Принцип работы этих фильтров заключается в том, что в качестве схемы второго порядка, формирующей полюс АЧХ, применяются четвертьволновые резонаторы. Эти резонаторы связаны между собой электромагнитным полем. На рисунке 1 приведены фотографии печатных плат основных типов микрополосковых полосовых фильтров. В качестве материала подложек используется поликор ВК-100 (ε = 9,8).

Рисунок 1. Топологии основных типов полосовых фильтров на керамической подложке

Основные электрические характеристики керамических фильтров СВЧ, производимых НПФ "Микран", (центральная частота настройки f 0 , ширина полосы пропускания Δf , затухание на центральной частоте a 0 и коэффициент прямоугольности по уровню N дБ K П (NдБ)), а также размеры подложек приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные электрические характеристики микрополосковых фильтров на керамической подложке

Тип фильтра	f 0 , ГГц	Δf , ГГц	a 0 , дБ	K П (NдБ)	Размер подложки, мм
MFPM-047050-01	4,85	0,3	1,5	3,5 (по уровню –20 дБ)	9×9
MFPM-047050-02	4,85	0,3	2,5	2,7 (по уровню –30 дБ)	13×9
MFPM-0812-01	10	4	1,5	2,0 (по уровню –40 дБ)	3,5×25
MFPM-362400-00	36,6	0,8	3,0	3,0 (по уровню –20 дБ)	2,5×13

В конструкции фильтра печатная плата, приведенная на рисунке 1, закрывается со всех сторон экраном. Это делается для борьбы с прямым прохождением сигнала на выход фильтра и для уменьшения влияния элементов конструкции на параметры фильтров. В качестве примера на рисунке 2 приведен внешний вид керамических полосовых фильтров, предлагаемых в .

Рисунок 2. Внешний вид керамических полосовых фильтров

Главный недостаток данного вида СВЧ фильтров — относительно низкая добротность резонаторных элементов (Q ~ 200–250), вследствие чего узкополосные микрополосковые фильтры имеют достаточно большие потери в полосе пропускания.

Для снижения потерь и уменьшения габаритов используются керамические фильтры на диэлектрических резонаторах. В них вместо микрополосковых линий применяются резонаторы. Уменьшение размеров резонаторов достигается за счет уменьшения длины волны при ее распространении в среде с диэлектрической постоянной ε . Чем большим ε обладает диэлектрик, тем меньше будут размеры четвертьволнового резонатора.

По совокупности массо-габаритных параметров и электрических характеристик эти фильтры занимают промежуточное положение между устройствами на полых металлических волноводах и на микрополосковых линиях. При этом керамические фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах имеют наименьший габаритный индекс потерь .

Основными преимуществами этих фильтров являются: малые габариты (~10×15×5 мм); небольшой вес (менее 5 г); широкий диапазон частот (от 0,8 до 10 ГГц); малые потери в полосе пропускания (от 0,1 до 4 дБ); механическая прочность; широкий температурный диапазон (−60 ... +85°С); высокая надежность; возможность поверхностного монтажа. Кроме перечисленного следует отметить способность этих фильтров пропускать значительные мощности, что позволяет применять их там, где амплитудно-частотные характеристики ПАВ-фильтров "разваливаются".

Полосовые керамические фильтры можно реализовать в виде комбинации отдельных одиночных резонаторов, которые связаны между собой магнитной связью витков проводников, присоединенных к соседним резонаторам. Общий вид одиночного керамического резонатора показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Конструкция керамического резонатора

Резонатор представляет собой закороченную на конце экранированную симметричную линию, длина которой близка к λ/4 (λ — длина волны). Торец симметричной линии формирует емкость резонатора и является местом присоединения резонатора к фильтру. Керамический фильтр формируется из комбинации нескольких дискретных диэлектрических резонаторов с разной частотой, добротностью и, соответственно, с разной длиной. Эквивалентная схема двухрезонаторного керамического фильтра приведена на рисунке 4

Рисунок 4. Эквивалентная схема двухрезонаторного фильтра

Конструкция малогабаритных керамических многорезонаторных полосовых фильтров поверхностного монтажа приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Современная конструкция малогабаритного керамического фильтра на основе дискретных резонаторов

Основные характеристики малогабаритных керамических фильтров на диэлектрических резонаторах различных фирм-производителей приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные электрические характеристики керамических фильтров

Название фирмы производителя	Наименование фильтра	Средняя частота f 0 , МГц	Полоса пропускания Δf , МГц	Вносимые потери a вн, дБ	Габаритные размеры, мм
На основе дискретных резонаторов
Murata	DFCH22G45HDHAA	2450	100	1,0	14×10×4
Spectrum Control INC	BPC3-2442-084SB	2442	82	2,4	10×8×3
Моноблочная конструкция
Murata	DFCB32G45LBJAA	2450	100	3,2	3,6×3×1,6
Murata	DFCB35G77LAHAA	5775	100	3,0	4,1×4,1×1,6
Spectrum Control INC	IBB2-2442-084SA	2442	82	2	3,7×4,25×2
Spectrum Control INC	IDD2-5800-150SA	5800	150	2	4,2×3,4×2
Epcos	B69812N2337B313	2338	150	2	3,6×3×1,6
Epcos	B69842N5807A150	5800	150	1,3	3×2×1,6
RETEC-KORUS Ltd	VF2450B2	2450	100	2	6,5×4,3×3
RETEC-KORUS Ltd	VF5735B20M	5735	60	3	5×4×2,5
Ферит-Домен	M448.803	1601	45	1,2	10×9×5

Описываемая ниже программа "BPF-РР" позволяет рассчитывать узкополосные фильтры на связанных полуволновых резонаторах. Надеюсь, что она заинтересует радиолюбителей, разрабатывающих устройства СВЧ. Программа написана на языке программирования GWBASIC, может быть легко трансформирована в БЕЙСИК любой версии и рассчитана на пользователя, имеющего предварительные знания по технике микрополосковых линий (МПЛ) и электрических фильтров. Дополнительную информацию читатель найдет в технической литературе, список которой представлен в конце статьи.

С целью быстрого получения навыков пользования программой рассмотрим конкретный пример расчета. В тексте содержимое программы, выводимое на экран, указано в кавычках. Положим, что предварительные расчеты или конструктивные соображения показали необходимость в создании фильтра второго порядка с полосой пропускания от 694 до 734 МГц. Выполним его на базе двустороннего фольгированного стеклотекстолита.

После запуска программы на экране монитора появится надпись:

"Тип фильтра обозначен: Баттерворта (2-9 порядка) - В; Чебышева (3-9 порядка) - Т.

Порядок фильтра (2-9)?".

На этот вопрос в нашем примере введем с клавиатуры цифру 2. Далее:

"тип фильтра - В

сопротивление нагрузки, Ом? 50

Границы полосы пропускания, ГГц:

Верхняя? .734

Нижняя? .694

Центральная частота полосы пропускания F0 = 0.7137186 ГГц"

На запрос

"Толщина фольги t, мм?

Толщина подложки Н, мм?"

следует ввести размеры в миллиметрах применяемого материала. Допустим, толщина фольги t = 0,05 мм, а стеклотекстолитовой подложки Н = 1,5 мм.

И на запрос "Диэлектрическая проницаемость Е?" введем для нашего примера Е = 4,8.

Вслед за этим на экране появятся результаты расчета:

" ********* ИДЕТ РАСЧЕТ **********

ширина связанных полосок W(0) =2.67 мм

зазор S(0,1) = 0.14 мм

четверть волны - 52.15 мм

ширина связанных полосок W(1) = 3.17 мм

зазор S(1,2) = 3.13 мм

четверть волны - 51.65 мм

ширина связанных полосок W(2) = 2.67 мм

зазор S(2,3) = 0.14 мм

четверть волны - 52.15 мм"

По результатам расчета принимаем следующее решение: на одной стороне пластины фольгированного стеклотекстолита располагаем две полоски фольги шириной W(0) и длиной 5,215 см с зазором S(0,1) между ними. Вторую пару связанных полосок располагаем на этой же стороне пластины справа, впритык к первой, причем верхняя полоска второй пары должна быть продолжением нижней полоски первой пары (см. рисунок), но со своей шириной W(1). Вторую полоску второй пары длиной 5,165 см размещаем с зазором S(1,2) под первой.

Первая полоска длиной 5,215 см третьей пары с шириной W(2) продолжает вторую второй пары. Вторая полоска третьей пары длиной 5,215 см и шириной W(2) будет находиться под первой с зазором S(2,3). Фольгу на второй стороне пластины оставляют сплошной и неповрежденной.

Таким образом, получим структуру из четырех полосковых линий, расположенных одна под другой с зазорами S(0,1), S(1,2), S(2,3) и сдвинутых подлине на четверть волны. Две внутренние по расположению полоски служат полуволновыми резонаторами, а две внешние - четвертьволновыми элементами связи с генератором и нагрузкой. К крайним торцам внешних полосок подключают согласованные нагрузку и генератор или линии, имеющие волновое сопротивление такое же, как и у фильтра.

Несколько слов о программе. Командные строки с 80-й по 240-ю представляют собой таблицу с параметрами фильтров - прототипов Баттерворта от второго до девятого порядков и Чебышева от третьего до девятого порядков с неравномерностью в полосе пропускания 0,28 дБ, что для любительской практики в большинстве случаев достаточно.

(нажмите для увеличения)

При необходимости вместо таблицы прототипов может быть введена подпрограмма, определяющая коэффициенты фильтров прототипов более высоких порядков и с другими значениями неравномерности.

Следует отметить, что для лучшей сходимости практических результатов с расчетными необходимо предварительно измерить диэлектрическую проницаемость стеклотекстолита применяемой пластины. Для этого нужно изготовить на другой пластине из того же материала полосковую линию произвольной длины, которая будет служить полуволновым резонатором. Вблизи одного из его концов параллельно располагают с зазором (близким к реальному) такую же линию, но длиной в 5...10 раз меньшей. Эта линия будет выполнять функцию возбудителя резонатора. Для этого к одному ее концу подключают генератор, а другой нагружают резистором сопротивлением 50 Ом, подобранным заранее.

На частоте резонанса точно посредине резонатора образуется узел напряжения, который фиксируют детекторной головкой. Эффективную диэлектрическую проницаемость определяют из выражения , где Fрез - частота резонанса в МГц; L - длина резонатора в метрах. Значение диэлектрической проницаемости е материала (в программу вводят буквой Е) получим из формулы

где h - толщина стеклотекстолита, мм; W - ширина полоски резонатора, мм.

Чтобы измерения диэлектрической проницаемости были более достоверны, следует выбирать длину резонатора довольно большой - 150...200 мм. В этом случае наличие торцевой емкости внесет лишь незначительную погрешность. Проводя подобные измерения, я обычно выбираю ширину зазора между возбуждающей линией и резонатором, а также ширину линии и резонатора равными удвоенной толщине подложки. Измерения провожу на частоте не более 1 ГГц.

Литература

1. Микроэлектронные устройства СВЧ (под ред. Васильева Г. И.). - М.: Высшая школа, 1986.
2. Маттей Г. Л., Янг Л., Джонс Е. М. Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Тома 1 и 2. - М.: Связь, 1972.
3. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование. - М.: Радио и связь, 1990.
4. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств (под ред. Вольмана В. И.). - М.: Радио и связь, 1982.