Полосковые фильтры

Полосковые линии передач являются наиболее удобными для конструирования фильтров СВЧ в метровом и дециметровом диапазонах.

Рис.4.9 Элементы полосковых линий, эквивалентные сосредоточенным элементам: а - последовательная индуктивность; б - последовательная емкость; в - параллельная емкость; г - параллельная индуктивность.

Применение печатных полосковых схем позволяет получить малогабаритные и дешевые конструкциифильтров. При создании фильтров на полосковыхлиниях применяются те же методы, что и при проектировании фильтров на других типах линий передач, то есть используются некоторые простые элементы линий, эквивалентные сосредоточенным реактивностям.Элементы симметричныхполосковых линий, широко используемые для конструирования фильтров СВЧ, показаны на рис. 4.9. Резонансные элементы могут быть выполнены с помощью l/4 и l/2 отрезков. Используя приведенные на рис. 4.9 элементы, можно осуществить многие схемы фильтров.

Простой многозвенный фильтр нижних частот типа К может быть спроектирован с помощью отрезков линий с высоким волновым сопротивлением, эквивалентных сосредоточенным индуктивностям, и разомкнутых плеч длиной меньше l/4, эквивалентных емкостям.

Рис. 4.10. Схемы полосовых фильтров на связанных резонаторах: а — с «последовательной» связью; б — с «параллельной» связью с разомкнутыми резонаторами; в—с «параллельной» связью с короткозамкнутыми резонаторами.

Методика расчета фильтра аналогична методике расчета коаксиального фильтра нижних частот, приведенной в § 4.2. Для определения геометрических размеров отрезков с требуемым волновым сопротивлением используются графики рис. 1.4, 1.5.

Простыми с конструктивной точки зрения являются схемы полосовых фильтров на связанных резонаторах с «последовательной» и «параллельной» связью (рис. 4.10). Фильтры с «параллельной» связью (рис. 4.10, б, в) малогабаритны и просты по конструкции, особенно в печатном варианте, поэтому они нашли более широкое применение в технике СВЧ, чем фильтры с «последовательной» связью между резонаторами. Фильтры с «параллельной» связью представляют собой разомкнутые или короткозамкнутые полуволновые резонаторы с распределенной электромагнитной связью.

Для анализа фильтров на связанных линиях используются понятия об инверторах (преобразователях)сопротивлений(или проводимостей). Идеальный инвертор обладает свойством четвертьволнового трансформатора преобразовывать параллельный контур в последовательный. При помощи инверторов сопротивлений эквивалентная схема фильтра па связанных линиях

может быть представлена обычной лестничной схемой полосового фильтра (рис. 4.2), расчет которой производится по уже известной методике.

Дальнейшим развитием фильтров на резонаторах с параллельной связью явились фильтры на стержневых структурах. Конструктивно такие фильтры выполнены в виде ряда отрезков проводников одинаковой длины, расположенных параллельно друг другу (рис. 4.12). Проводники помещаются между параллельными заземленными пластинами (симметричная схема). Каждый из проводников имеет на одном конце короткое замыкание, а на другом — холостой ход (рис. 4.12, а, б) или емкость, включенную между концами проводника и заземленными пластинами (рис. 4.12, в). За счет распределенного электромагнитного поля осуществляется связь между проводниками вдоль всей их длины. Фильтры на стержневых структурах более компактны, имеют лучшие

Рис. 4.13. Образование четвертьволнового резонатора из полуволнового:

а — полуволновой;б — четвертьволновой.

электрические характеристики, чем фильтры с параллельной связью (рис. 4.10, б, в). Поэтому в настоящее время в технике СВЧ при проектировании полосковых фильтров используются в основном фильтры на стержневых структурах. Фильтры, приведенныена рис. 4.12, а, б,называются фильтрами со встречными стержнями. Фильтры, приведенныена рис. 4.12, в - гребенчатыми фильтрами.

При проектировании фильтров с шириной полосы менее 30% целесообразно использовать гребенчатые фильтры и фильтры со встречными стержнями с короткозамкнутыми входными линиями (рис. 4.12, а). При проектировании широкополосных фильтров (более 30%,) попользуются фильтры со встречными стержнями с разомкнутыми входными линиями (рис, 4.12. б).

Теория расчета фильтров, приведенная в работе [9], основывается на эквивалентности между фильтрами с параллельной связью и фильтрами на стержневых структурах. Эквивалентность этих схем вблизи средней частоты полосы пропускания (f₀) очевидна из рис. 4.13.

При расчете фильтров на стержневых структурах, как и для фильтров с параллельной связью, используются инверторы сопротивлений (проводимостей), через которые определяют сначала собственные С_к/e, нагрузочные С_K^S и взаимные емкости стержней С_k, _k+1/e, а затем и геометрические размеры стержней. Ниже приведена методика расчета фильтров на стержневых структурах по заданным требованиям.

Для удобства расчетов процесс проектирования разделен на три этапа:

Выбор схемы фильтра и определение его основных характеристик.

Определение электрических параметров стержневой решетки.

Определение геометрических размеров стержневой решетки.