Фильтры

1. Фильтры.

Фильтр — четырёхполюсник, затухание которого мало в заданной полосе (полоса пропускания) и велико на всех других частотах вне этой полосы (полоса заграждения). Большое затухание в полосе заграждения создается за счет поглощения и отражения энергии подводимых сигналов.

По взаимному расположению полос пропускания и заграждения фильтры делятся на фильтры нижних частот (ФНЧ), т.е фильтры, пропускающие частоты ниже заданной и подавляющие сигналы на других частотах; верхних частот (ФВЧ), пропускающие сигналы на частотах выше заданной и подавляющие сигналы вне этой полосы; полосовые (ПФ), пропускающие сигналы в пределах заданной частоты и подавляющие сигналы вне этой полосы; режекторные (РФ), подавляющие сигналы на частотах в пределах заданной полосы.

К числу основных параметров фильтров относятся: полоса пропускания, полоса заграждения, средняя частота, коэффициент затухания в полосе пропускания, коэффициент затухания в полосе заграждения, крутизна частотной характеристики, коэффициент отражения от входа и выхода, формы и размеров сечения линии передачи, в которую включается фильтр.

Синтез фильтров СВЧ сводится к синтезу эквивалентной схемы (низкочастотного прототипа), удовлетворяющей заданной частотной характеристике и замене сосредоточенных элементов схемы соответствующими элементами на СВЧ.

Интегральные схемы СВЧ-фильтров чаще всего конструируют на основе микрополосковой линии (МПЛ) и простейших элементов (переходы и резонаторы). Как известно, МПЛ в отличие от полых волноводов не имеют нижней частоты отсечки, а потому на их основе могут быть реализованы практически все типы фильтров, включая фильтры нижних частот.

Фильтры нижних частот используются в схемах детекторов, смесителей, в цепях питания ИС СВЧ и др. ФНЧ бывают на элементах с распределенными параметрами и с сосредоточенными параметрами, имеющие меньшие габаритные размеры.

Фильтры верхних частот выполняются с помощью соединения параллельных индуктивностей в виде полосковых короткозамкнутых шлейфов с высоким волновым сопротивлением, имеющих малую длину, и последовательных ёмкостей.

Из-за трудности реализации надежного короткого замыкания на высокочастотных участках СВЧ диапазона применяют широкополосные полосовые фильтры, называемые фильтрами псевдоверхних частот.

Полосовые фильтры могут быть реализованы на основе микрополосковых резонаторах, связанных между собой определенным способом.

В ПФ, имеющим последовательные связи полуволновых резонаторов через торцевые ёмкости для получения широкой полосы пропускания соседние резонаторы должны быть сильно связаны между собой, что возможно при больших ёмкостях в зазорах (очень малых S). Ввиду технологических ограничений на зазор реализуемые полосы пропускания не превосходят 20%. Длина такого фильтра получается очень большой.

Более компактная конструкция ПФ со связью полуволновых полосковых резонаторов через боковые поверхности. Достоинством таких фильтров на параллельно связанных резонаторах являются малые габаритные размеры, относительно большие расстояния между резонаторами, что облегчает их производство и повышает электрическую прочность, крутые скаты частотной характеристики.

Фильтр на встречных стержнях состоит из полосковых четвертьволновых резонаторов, короткозамкнутых на одном конце и разомкнутых на другом, причём короткозамкнутые концы чередуются. Эти фильтры имеют малые габаритные размеры и потери, широкие пределы полосы пропускания. Однако выполнение такого фильтра в печатном исполнении связано с трудностями обеспечения надежного короткого замыкания резонаторов.

Одна из основных проблем полосковых фильтров, обусловленная ограниченной добротностью печатных резонаторов, состоит в получение малых потерь и узкой полосы пропускания.

Режекторные фильтры, подобно полосовым, могут быть реализованы на основе ферритовых и диэлектрических резонаторов. В этом случае резонаторы устанавливаются на некотором расстоянии от полосового проводника линии или накладывая на него, забирая при этом энергию при резонансе. При сближении резонатора с проводником ослабление в полосе пропускания растет.

Направленные фильтры — восьмиполосные устройства, предназначенные для частотного разделения сигналов в плечах устройства. На частоте f_нс, называемой частотой направленной связи почти вся энергия будет поступать в плечо 2 (плечо направленной связи) рис 1. При изменении частоты происходит перераспределение потока СВЧ мощности: её уровень в плече 2 падает, а в плече 3 (плечо прямой связи) растет. Как правило, такие схемы используются для развязки приёмника (подключается к плечу 2) передатчика (плечо 3) при работе на общую антенну (плечо 1), причём плечо 4 нагружено на согласованную нагрузку.

Конструкция НФ. Возможной реализацией НФ на полосковых линиях с боковой связью является соединение двух зажимов НО, как это показано в приложении 1. Основные конструктивные параметры S и b имеют смысл, аналогичный параметрам НФ.

2. Выбор диэлектрической подложки.

При выборе материала для подложки направленного фильтра на полосковой линии необходимо руководствоваться температурным диапазоном работы и дополнительными требованиями. Для заданного диапазона рабочих температур (-50 — +85 C) подходят 6 материалов:

Материал	Марка	ГОСТ или ТУ	Толщина мм	Допуск мм	Габариты мм	 на­ f=10ГГц	tg на­ f=10ГГц	Диапазон температур
Стеклотекстолит­ фольгиров.	СФ-1-35­ СФ-2Н-50	ГОСТ 10316-70	от 0,5 до­ 3,0	±0,1	400x600	6,0	2,5·10-2	-60 — +85
Фторопласт­ фольгированный	ФФ-4	ТУ6-05-1416	1,5; 2.0 2,5; 3,0	0,15	170x230 250x250	2,0	2,5·10-4	-50 — =150
Фторопласт­ фольгиров. армиров.	ФАФ-4	ГОСТ 21000-75	——	0,15	440x550	2,5	7·10-4	-50 — +250
Ситалл ВЧ	СТ-32-1	ТХ7.817.000ТУ	от 0,5 до­ 2,0	±0,05	60x48 и др	10,0	7·10-4	-50 — +700
Ситалл	СТ-38-1	НТХО.027.112	——	±0,05	150х78 60х48	7,25	3·10-4	-50 — +700
Керамика	22ХС	АЯ0.027.003ТУ	——	±0,01	24х30 48х60	10,30	15·10-4	-50 — +1000
Керамика	Поликор	НТХ0.027.027	——	±0,01	24х30	10,30	1·10-4	-50 — +700

Подложку (Керамика Поликор) выбираем из следующих дополнительных требований :

Диапазон рабочих температур, C	-50 — +85
Дополнительные требования	мин. объём
	макс. 
	мин. tg

3. Выбор корпуса

Так как данное полосковое устройство не имеет никаких навесных элементов, и доступ к нему нужен только с одной стороны, то целесообразно использовать корпус чашечного типа.

Чашечный корпус включает в себя: непосредственно сам корпус, переход высокочастотный, плату, резиновую прокладку, крышку, трубку (для заполнения инертным газом), низкочастотный вывод, проволоку. Корпус легко изготовить фрезерованием. При серийном изготовлении можно использовать литье, штамповку, прессование из пластмассы и металлизацию гальванопластическим или химико-гальваническим способом. Плата в корпусе крепится либо механическим прижимом ее ко дну корпуса с помощью винтов или других элементов (например, верхней крышки при сборке конструкции на СПЛ), либо при­пайкой металлизированной экранированной стороны платы к дну корпуса (непосредственно или через компенсирующие прокладки из металлической сетки, чтобы снизить напряжения, возникающие из-за разности КТЛР).

Герметизация корпуса производится пайкой по контуру крышки и переходов, заливкой щелей компаундами. При использовании пайки выполняем шов с закладкой проволоки , что обеспечивает возможность вскрытия корпуса при ремонте, и используем резиновую прокладку, препятствующую попаданию припоя и флюса внутрь корпуса. Сборочный чертёж корпуса приводится в приложении.

Студент

2,5:1

№ докум

№

Лист

Розенфельд

Подпись

Дата

Руковод.

Консульт

Зав. Каф

Лит

Масс

Масштаб

Лист

Листов

29

10

20

10

6

0,5

2

Студент

10:1

№ докум

№

Лист

Розенфельд

Подпись

Дата

Руковод.

Консульт

Зав. Каф

Лит

Масс

Масштаб

Лист

Листов

l=7,9

l=7,9

b=0,68

S=0,05

b₀=1,02

45 

0,53

18 мм

5

5

b₀=1,02

18

12