Патент на изобретение №2320057

(54) МИКРОПОЛОСКОВЫЙ ТРАНСФОРМАТОР СОПРОТИВЛЕНИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиотехнике и технике СВЧ и может быть использовано в согласующе-трансформирующих микрополосковых СВЧ-устройствах с одновременной частотной селекцией колебаний и мод. Микрополосковый трансформатор сопротивлений содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположены два импедансных проводника с разными волновыми сопротивлениями. Между ними расположена частотно-селективная трансформирующая секция, выполненная в виде импедансной штыревой гребенки с симметричным относительно ее основания расположением не менее четырех штырей, и огибающих концы штырей с зазором двух наклонных планок, которые соединены с металлическим экраном. Сумма удвоенной длины первого штыря и ширины основания гребенки равна четверти замедленной длины волны, а также равна ширине импедансного проводника с меньшим волновым сопротивлением. Техническим результатом является четкая фиксация частоты отсечки, отсутствие высших полос пропускания и уменьшение геометрических размеров. 4 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и технике СВЧ и может быть использовано в согласующе-трансформирующих микрополосковых СВЧ-устройствах с одновременной частотной селекцией колебаний и мод.

Известны согласующие устройства в виде фильтров низких частот (ФНЧ), выполненных на основе Г-, Т- или П-образных ячеек, содержащих катушки индуктивности, подключаемые последовательно нагрузке, и конденсаторы, подключаемые параллельно нагрузке [Изюмов Н.М., Линде Д.П. Основы радиотехники. М.: Радио и связь, 1983].

Недостатком таких фильтров с сосредоточенными постоянными являются большие потери и малая собственная добротность в СВЧ-диапазоне.

Известны также одно- или многоступенчатые трансформаторы, представляющие собой фильтры низких частот, выполненные в виде соединения отрезков нерегулярно-включенных линий [Мещанов В.П., Тупикин В.Д., Чернышев С.Л. Коаксиальные пассивные устройства. Саратов, изд.-во СГУ, 1993; Миниатюрные устройства УВЧ- и ОВЧ-диапазонов на отрезках линий / Э.В.Зелях, А.Л.Фельдштейн, Л.Р.Явич, В.С.Брилон. М.: Радио и связь, 1989].

Недостатком известных устройств являются их большие продольные геометрические размеры.

Однако данное устройство не может быть использовано как согласующий трансформатор.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание малогабаритного микрополоскового трансформатора – фильтра низких частот с четкой фиксацией частоты отсечки, отсутствием высших полос пропускания и геометрическими размерами, меньшими четвертьволновой секции без ухудшения согласования в рабочей полосе частот.

Решение поставленной задачи обуславливается тем, что микрополосковый трансформатор – фильтр низких частот содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой с помощью металлизации созданы два импедансных проводника с разными волновыми сопротивлениями. Между ними расположена частотно-селективная трансформирующая секция, выполненная в виде импедансной штыревой гребенки с симметричным относительно ее основания расположением штырей, и огибающих концы штырей с зазором двух наклонных планок. Обе наклонные планки соединены с изотропным металлическим экраном, находящимся с другой стороны диэлектрической подложки. Конструкция частотно – селективной трансформирующей секции характеризуется также тем, что содержит не менее четырех штырей с линейно уменьшающейся длиной. Концы штырей срезаны под углом, равным углу наклона планок, причем расстояние между штырями гребенки выполняется равным ширине импедансного проводника, а зазор между штырями гребенки и планками – не более указанной ширины. Сумма удвоенной длины первого штыря и ширины основания гребенки равна четверти замедленной длины волны, а также равна ширине импедансного проводника с меньшим волновым сопротивлением.

Предлагаемый микрополосковый трансформатор – фильтр низких частот иллюстрируется на фиг.1-4. На фиг.1, 2 показаны варианты его топологии с разным количеством штырей, на фиг.3 – изометрия устройства, выполненного на диэлектрической подложке с габаритными размерами 112·41,5, на фиг.4 – результаты численного моделирования характеристик устройства.

Работа микрополоскового трансформатора – фильтра низких частот осуществляется следующим образом.

Между импедансными проводниками с разными волновыми сопротивлениями 1 и 2 и шириной соответственно W₁ и W₂, которые нанесены с помощью металлизации с одной стороны диэлектрической подложки, располагают частотно-селективную трансформирующую секцию 3 (фиг.1, 2). Указанная секция 3 выполняется в виде микрополосковой импедансной штыревой гребенки с симметричным относительно ее основания расположением штырей, и огибающих концы штырей с зазором двух наклонных планок 4. Обе наклонные планки 4 соединены с изотропным металлическим экраном, находящимся с другой стороны диэлектрической подложки. Конструкция частотно-селективной трансформирующей секции характеризуется также тем, что содержит не менее четырех штырей с линейно уменьшающейся длиной. Концы штырей срезаны под углом, равным углу наклона планок, причем расстояние между штырями гребенки выполняется равным ширине импедансного проводника, а зазор между штырями гребенки и планками – не более указанной ширины. Сумма удвоенной длины первого штыря и ширины основания гребенки равна четверти замедленной длины волны, а также равна ширине импедансного проводника с меньшим волновым сопротивлением – W₁.

Возможность достижения поставленной цели подтверждается результатами численного моделирования, полученными с помощью программы AWR Design Environment (Microwave Office v.6.53).

На фиг.4 показаны расчетные характеристики моделей согласующего трансформатора – фильтра низких частот с разной топологией гребенчатой штыревой секции в виде зависимостей безразмерного параметра S11, характеризующего согласование структуры (графики 1, 2) и комплексного коэффициента передачи S21 в дБ (графики 3, 4), от частоты в ГГц. Графики 1 и 3 получены для топологии структуры по фиг.1, графики 2 и 4 – по фиг.2. Ширина W₁ импедансного проводника для обеих топологий структур соответствует волновому сопротивлению 25 Ом, W₂ – волновому сопротивлению 50 Ом. Из анализа данных кривых следует, что увеличение числа штырей гребенчатой секции улучшает фильтровые свойства трансформатора и сдвигает АЧХ в более низкочастотную область при практически неизменном согласовании. При этом для топологии структуры по фиг.2 крутизна АЧХ вблизи частоты отсечки максимальна – частота среза на уровне -5 дБ составляет 1,0 ГГц, а на частоте 1,2 ГГц затухание уже более 40 дБ. Величина зазора между гребенкой и планками также влияет на крутизну АЧХ и целесообразно ее выбирать минимальной.

Принцип построения фильтра низких частот на планарной гребенчатой замедляющей системе заключается в следующем. Периодическая штыревая гребенка при последовательном включении в линию передачи пропускает электромагнитные волны, начиная с нулевой частоты – и до частоты среза, которая определяется свойствами гребенки, в режиме противофазного наложения волн, отраженных от первого четвертьволнового и последующих, меньших по размеру выступов. Для более четкой фиксации частоты отсечки периодической структуры в конструкции используются металлические планки, соединенные с экраном-подложкой на обратной стороне диэлектрической платы. Согласование микрополосковых линий с помощью предлагаемого трансформатора – фильтра низких частот обеспечивается за счет нерегулярности свойств структуры, волновое сопротивление которой меняется вдоль ее длины по линейному закону. Это позволяет обеспечить трансформацию сопротивлений при меньшей их геометрической длине и получить широкую полосу пропускания частот цепи.

Достоинством предложенного микрополоскового трансформатора – фильтра низких частот является также отсутствие высших паразитных полос пропускания. Это объясняется тем, что нерегулярные согласующие выступы гребенки на входе и на выходе одновременно фильтруют все частоты цепи выше частоты отсечки.

Формула изобретения

Микрополосковый трансформатор сопротивлений, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой выполнены два импедансных проводника с разными волновыми сопротивлениями, между которыми расположена частотно-селективная трансформирующая секция в виде импедансной штыревой гребенки с симметричным относительно ее основания расположением штырей, и огибающих с зазором концы штырей двух наклонных планок, которые соединены с изотропным металлическим экраном, находящимся с другой стороны диэлектрической подложки, отличающийся тем, что частотно-селективная трансформирующая секция содержит не менее четырех штырей с линейно уменьшающейся длиной, концы которых срезаны под углом, равным углу наклона планок, причем расстояние между штырями гребенки выполняется, равным ширине импедансного проводника с большим волновым сопротивлением, а зазор между штырями гребенки и планками не более указанной ширины, кроме того, сумма удвоенной длины первого штыря и ширины основания гребенки равна четверти замедленной длины волны, а также равна ширине импедансного проводника с меньшим волновым сопротивлением.

РИСУНКИ