Реализация фильтров в СВЧ-диапазоне

В диапазоне СВЧ, как правило, фильтры строят из элементов с распределенными параметрами. При этом схемы из элементов с сосредоточенными параметрами рассматриваются как эквивалентные схемы. Синтезировав эквивалентную схему фильтра, как было показано выше, выполняют второй этап проектирования — реализуют полученную эквивалентную схему. При переходе от элементов с сосредоточенными параметрами к элементам с распределенными параметрами элементы пересчитываются только на одной центральной частоте. Из-за этого не учитывается различная добротность и в целом частотные свойства элементов с распределенными параметрами, и характеристики таким образом синтезированного фильтра не удовлетворяют заданным значениям. На практике, как правило, при разработке конструкции фильтров СВЧ используют декомпозицию и параметрический синтез с учетом характеристик элементов с распределенными параметрами, на которых реализуется фильтр [3].

Самым простым в реализации в диапазоне СВЧ можно считать фильтр низких частот (рис. 4.4). При разработке такого фильтра индуктивности в схеме заменяются последовательно включенными эквивалентными линиями с высоким волновым сопротивлением, а емкости — также последовательно включенными линиями с низким волновым сопротивлением. Таким образом, ФНЧ будет состоять из чередующихся отрезков линий с низким и высоким волновым сопротивлением, включенных в разрыв линии.

Рис. 4.4. Эквивалентная схема ФНЧ на сосредоточенных элементах, выполненная по лестничной схеме.

Реализовать на СВЧ полученные значения индуктивности и емкости можно также, используя параллельно включенные короткие шлейфы XX, соответствующие емкостям фильтра-прототипа и трансформаторы сопротивлений, преобразующие импеданс таких шлейфов в импеданс индуктивного характера для представления индуктивностей. Топологии ФНЧ на микрополосковыхлиниях (МПЛ) показаны на рис. 4.5 (третьего порядка) и рис. 4.6 (пятого порядка).

Рис. 4.5. Топология ФНЧ на МПЛ третьего порядка.

Рис. 4.6. Топология ФНЧ на МПЛ пятого порядка.

Полосовой фильтр реализуется в соответствии с эквивалентной схемой на рис. 4.7. Реализация параллельно включенного параллельного колебательного контура возможна путем включения параллельно линии резонатора либо отрезков линий с сопротивлением индуктивного и емкостного характера. Последовательно включенную индуктивность также достаточно просто реализовать включением последовательно отрезка линии с высоким волновым сопротивлением. Затруднения обычно в такой схеме вызывает реализация последовательно включенной емкости. Один из вариантов реализации в микрополосковом исполнении — разрыв в линии. Однако характеристики такого разрыва существенно зависят от его величины и на практике редко удается подобрать размер разрыва так, чтобы конструкция фильтра осталась технологичной.

Рис. 4.7. Полосно-пропускающий фильтр-прототип.

Получил широкое распространение вариант реализации полоснопропускающих фильтров с использованием инверторов сопротивлений, позволяющих привести характеристики параллельно включенных параллельных колебательных контуров к таковым для последовательно включенных последовательных контуров (рис. 4.8). В качестве инверторов сопротивлений проше всего использовать четвертьволновые отрезки линии передачи, которые обладают свойствами практически идеального инвертора, хоть и в узкой полосе частот [4]. Роль коэффициента инверсии К" при этом выполняет волновое сопротивление трансформатора. Такие фильтры еще называют фильтрами с четвертьволновыми связями.

Рис. 4.8. Полосно-пропускающий фильтр с инверторами сопротивлений.

Чтобы элементы схем на рис. 4.7 и рис. 4.8 были идентичны, необходимо выполнение следующих соотношений:

верхняя и нижняя частоты полосы пропускания.

Топология контуров фильтра в двух вариантах реализации показана на рис. 4.9. При реализации контура в виде двух шлейфов XX и КЗ суммарная длина шлейфов /, + /₂ = Л._л /4, а при реализации контура в виде двух XX шлейфов /, +/₂ = Х_п/2, где А,_л = Х₍₎/—длина волны в линии, k₀=c/f — длина волны в свободном пространстве. Добротность контура ППФ с четвертьволновыми связями определяется соотношением длин индуктивного и емкостного шлейфов.

Рис. 4.9. Топологии фильтров на ЛП с четвертьволновыми связями: а) XX + КЗ шлейфы; б) два XX шлейфа К преимуществам фильтров с четвертьволновыми связями относится удобство их настройки, которая может осуществляться поэлементно, в отличие от, например, микрополосковых фильтров на связанных линиях.

Полосно-заграждшощий фильтр, как и ППФ в диапазоне СВЧ получают заменой параллельных и последовательных колебательных контуров эквивалентной схемы (рис. 4.10) на микрополосковые резонаторы. Однако теперь при реализации параллельно включенного последовательного колебательного контура требуются четвертьволновые XX либо полуволновые КЗ шлейфы (на центральной частоте полосы заграждения). И также, как в ППФ, между шлейфами нужно устанавливать инверторы сопротивлений. На рис. 4.11 представлена соответствующая топология резонатора с XX на конце для ПЗФ. Добротность резонатора при этом определяется шириной микрополосковой линии. Данный тип фильтров и их реализация подробно рассмотрены в [5].

Рис. 4.10. Полосно-заграждающий фильтр-прототип.

Рис. 4.11. Топология резонатора ПЗФ.