RU2527192C1

RU2527192C1 - Ceramic quasiplanar waveguide filter

Info

Publication number: RU2527192C1
Application number: RU2013103318/08A
Authority: RU
Inventors: Евгений Васильевич Петров; Вячеслав Витальевич Попов; Антон Юрьевич Беляков
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2014-08-27
Also published as: RU2013103318A

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: ceramic filter consists of two partially metal-coated units in the form of a rectangular parallelepiped made of high-Q thermally stable ceramic connected by faces with identical metal coating in form of an E-plane diaphragm, which forms in the connected filter units a chain of directly coupled resonators. Input and output communication elements are made on the end faces of the units.

EFFECT: improved manufacturability and mechanical strength of microwave filters, enabling assembly on microstrip and coplanar lines.

4 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и предназначено для использования в устройствах частотной селекции сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн.The invention relates to microwave radio engineering and is intended for use in frequency selection devices of the centimeter and millimeter wavelength ranges.

В указанных диапазонах длин волн широко применяются фильтры на полых волноводах типа цепочки связанных резонаторов с непосредственной связью, в которых в качестве шунтирующих реактивностей выступают поперечные емкостные и индуктивные диафрагмы, индуктивные стержни, емкостные штыри (Семенов Н.А., «Техническая электродинамика») а также Е-плоскостные диафрагмы (Синявский Г.П., «Волноводные фильтры квазипланарного типа с улучшенными характеристиками»).In the indicated wavelength ranges, hollow-waveguide filters such as a chain of coupled resonators with direct coupling are widely used, in which transverse capacitive and inductive diaphragms, inductive rods, capacitive pins act as shunt reactances (Semenov N.A., “Technical electrodynamics”) a also E-plane diaphragms (Sinyavsky GP, “Quasiplanar waveguide filters with improved characteristics”).

Использование элементов планарной технологии при изготовлении фильтров квазипланарного типа обеспечивает технологичность и невысокую стоимость этих фильтров при серийном производстве.The use of planar technology elements in the manufacture of quasiplanar type filters ensures the manufacturability and low cost of these filters in serial production.

Вариант конструкции фильтра квазипланарного типа представлен в патенте US 2004/0017272 A1, Jan.29, 2004.A design variant of a quasiplanar type filter is presented in US 2004/0017272 A1, Jan.29, 2004.

Основными недостатками фильтров такого типа являются их значительные габаритные размеры и масса, низкая температурная стабильность, сложность компоновки таких фильтров на плате с устройствами на микрополосковых и копланарных линиях.The main disadvantages of filters of this type are their significant overall dimensions and weight, low temperature stability, the complexity of the layout of such filters on the board with devices on microstrip and coplanar lines.

Указанные недостатки в значительной степени устранены в керамических волноводных фильтрах на термостабильной керамике с высокой диэлектрической проницаемостью. Известна конструкция керамического волноводного фильтра, состоящего из металлизированного керамического блока в форме прямоугольного параллелепипеда, в котором сформирована цепочка объемных резонаторов с непосредственной связью через плоские поперечные индуктивные диафрагмы, выполненные в виде металлизированных пазов со стороны узких стенок керамического блока, с элементами связи в виде емкостных площадок на нижней грани блока (патент US 2009/0231064 A1, Sep.17, 2009) или в виде короткозамкнутых отрезков копланарной линии на нижней грани блока (патент US 6,677,837 В2, Jan.13, 2004).These disadvantages are largely eliminated in ceramic waveguide filters on thermostable ceramics with high dielectric constant. A known design of a ceramic waveguide filter, consisting of a metallized ceramic block in the form of a rectangular parallelepiped, in which a chain of cavity resonators is formed with direct coupling through flat transverse inductive diaphragms made in the form of metallized grooves on the side of the narrow walls of the ceramic block, with coupling elements in the form of capacitive platforms on the lower edge of the block (patent US 2009/0231064 A1, Sep.17, 2009) or in the form of short-circuited segments of the coplanar line on the lower edge of the block ( US Pat. No. 6,677,837 B2, Jan. 13, 2004).

Основным недостатком фильтров такого типа является их невысокая механическая прочность из-за большого числа дополнительных конструктивных элементов, таких как пазы и отверстия.The main disadvantage of filters of this type is their low mechanical strength due to the large number of additional structural elements, such as grooves and holes.

Наиболее близкими к предлагаемому техническому решению являются конструкции волноводных керамических фильтров (патенты US №6,677,837, RU №2462799). Фильтры имеют высокие эксплуатационные показатели, однако в первом случае наличие в керамическом блоке пазов различной глубины или ширины затрудняет реализацию серийного производства, а также снижает механическую прочность керамического блока, а во втором случае для каждого типономинала фильтра требуется своя пресс-форма, реализующая необходимый размер и расположение отверстий.Closest to the proposed technical solution are the design of waveguide ceramic filters (US patents No. 6,677,837, RU No. 2462799). Filters have high operational performance, however, in the first case, the presence of grooves in the ceramic block of various depths or widths makes it difficult to mass-produce and also reduces the mechanical strength of the ceramic block, and in the second case, each filter type requires its own mold that implements the required size and location of holes.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение технологичности СВЧ фильтров, повышение механической прочности, а также возможность компоновки таких фильтров на плате с устройствами на микрополосковых и копланарных линиях.The technical task of the invention is to increase the manufacturability of microwave filters, increase mechanical strength, as well as the ability to arrange such filters on a circuit board with devices on microstrip and coplanar lines.

Для решения поставленной технической задачи предлагается керамический волноводный фильтр квазипланарного типа, состоящий из двух частично металлизированных блоков в форме прямоугольного параллелепипеда из высокодобротной термостабильной керамики, соединенных между собой узкими гранями с металлизацией в виде Е-плоскостной диафрагмы, которая формирует в соединенных блоках фильтра цепочки резонаторов с непосредственной связью. На торцевых гранях блоков реализованы входной и выходной элементы связи.To solve the technical problem, a quasi-planar ceramic waveguide filter is proposed, consisting of two partially metallized blocks in the form of a rectangular parallelepiped of high-quality thermally stable ceramics, interconnected by narrow faces with metallization in the form of an E-plane diaphragm, which forms resonator chains in the connected filter blocks with direct connection. At the end faces of the blocks, input and output communication elements are implemented.

Технологичность конструкции и механическая прочность фильтра обеспечиваются применением простых форм керамических блоков в виде параллелепипеда без дополнительных конструктивных элементов (пазов, отверстий), что дает возможность групповой механической обработки и металлизации поверхностей керамических блоков.The manufacturability of the design and the mechanical strength of the filter are ensured by the use of simple forms of ceramic blocks in the form of a parallelepiped without additional structural elements (grooves, holes), which makes it possible to group mechanically process and metallize the surfaces of ceramic blocks.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1-3 представлена конструкция волноводных керамических четырехрезонаторных фильтров квазипланарного типа.Figure 1-3 shows the design of the waveguide ceramic four-cavity filters of a quasi-planar type.

На фиг.4 представлена амплитудно-частотная характеристика фильтра.Figure 4 presents the amplitude-frequency characteristic of the filter.

При этом на фиг.1-3 и далее по тексту:In this case, FIGS. 1-3 and hereinafter:

поз.1 - первый монолитный керамический блок;Pos.1 - the first monolithic ceramic block;

поз.2 - второй монолитный керамический блок;pos.2 - the second monolithic ceramic block;

поз.3 - Е-плоскостная диафрагма;Pos. 3 - E-plane diaphragm;

поз.4 - входной элемент связи;pos.4 - input communication element;

поз.5 - выходной элемент связи;pos.5 - output communication element;

L1 - ширина первого монолитного керамического блока;L1 is the width of the first monolithic ceramic block;

L2 - ширина второго монолитного керамического блока.L2 is the width of the second monolithic ceramic block.

Фильтр, изображенный на фиг.1, состоит из соединенных между собой двух монолитных керамических блоков поз.1 и поз.2, на всех гранях которых, кроме граней примыкания, нанесена сплошная металлизация. Керамические блоки поз.1 и поз.2 выполнены в форме прямоугольных параллелепипедов из термостабильного керамического материала, соединенных между собой гранями с идентичной металлизацией в виде Е-плоскостной диафрагмы поз.3. Вид рисунка металлизации определяется требуемыми параметрами фильтра и может иметь различную конфигурацию. Входной поз.4 и выходной поз.5 элементы связи сформированы на нижней грани керамического блока поз.1 в виде разомкнутых на концах отрезков копланарных линий и короткозамкнутых отрезков копланарных линий на торцевых гранях керамического блока. Блок поз.2 имеет такие же размеры, как и блок поз.1, кроме размера L2. Изменением размера L2 можно корректировать центральную частоту полосы пропускания при незначительном изменении других параметров фильтра.The filter shown in figure 1, consists of interconnected two monolithic ceramic blocks pos. 1 and pos. 2, on all faces of which, except for the adjoining faces, continuous metallization is applied. Ceramic blocks pos. 1 and pos. 2 are made in the form of rectangular parallelepipeds made of thermostable ceramic material, interconnected by faces with identical metallization in the form of an E-plane diaphragm pos. 3. The appearance of the metallization pattern is determined by the required filter parameters and may have a different configuration. The input pos. 4 and output pos. 5 communication elements are formed on the lower face of the ceramic block pos. 1 in the form of open segments of coplanar lines at the ends and short-circuited segments of coplanar lines at the end faces of the ceramic block. Block pos.2 has the same dimensions as block pos.1, except for size L2. By changing the size of L2, you can adjust the center frequency of the passband with a slight change in other filter parameters.

В фильтре, изображенном на фиг.2, входной элемент связи поз.4 сформирован вышеприведенным способом на блоке поз.1, а выходной элемент связи поз.5 - на блоке поз.2.In the filter shown in figure 2, the input communication element pos.4 is formed in the above manner on the block pos.1, and the output communication element pos.5 on the block pos.2.

В фильтре, изображенном на фиг.3, входной поз.4 и выходной поз.5 элементы связи сформированы на нижних гранях керамических блоков поз.1 и поз.2 в виде разомкнутых на концах отрезков копланарных линий и короткозамкнутых отрезков копланарных линий на торцевых гранях керамических блоков поз.1 и поз.2.In the filter shown in Fig. 3, the input pos. 4 and the output pos. 5 communication elements are formed on the lower faces of the ceramic blocks pos. 1 and pos. 2 in the form of open segments of coplanar lines and short-circuited segments of coplanar lines on the end faces of ceramic blocks pos. 1 and pos. 2.

Следует отметить, что, несмотря на то что изобретение проиллюстрировано изображением волноводных керамических фильтров, имеющих четыре резонатора, количество резонаторов может быть другим. Число резонаторов определяется требуемой характеристикой фильтра и ограничивается допускаемыми потерями фильтра.It should be noted that, although the invention is illustrated by the image of waveguide ceramic filters having four resonators, the number of resonators may be different. The number of resonators is determined by the required filter characteristic and is limited by the permissible filter losses.

На фиг.4 представлена амплитудно-частотная характеристика фильтра сантиметрового диапазона частот, при этом предложенные конструкции могут применяться и в миллиметровом диапазоне частот.Figure 4 presents the amplitude-frequency characteristic of the filter of the centimeter frequency range, while the proposed design can be applied in the millimeter frequency range.

Керамический волноводный фильтр с Е-плоскостными диафрагмами работает следующим образом.Ceramic waveguide filter with E-plane diaphragms works as follows.

После поступления СВЧ-сигнала на входной элемент связи поз.4 осуществляется эффективный ввод энергии в фильтр, представляющий собой цепочку резонаторов с непосредственной связью, сформированных в металлизированном керамическом блоке с помощью Е-плоскостной диафрагмы поз.3. Вывод энергии осуществляется посредством выходного элемента связи поз.5. Вид характеристики фильтра определяется распределением нагруженных добротностей, входящих в цепочку связанных резонаторов, которая, в свою очередь, определяется конфигурацией Е-плоскостной диафрагмы.After the microwave signal arrives at the communication input element, item 4, the energy is efficiently introduced into the filter, which is a chain of resonators with direct coupling formed in a metallized ceramic block using the E-plane diaphragm item 3. The energy output is carried out by means of the output communication element pos.5. The type of filter characteristic is determined by the distribution of loaded Q factors that are included in the chain of coupled resonators, which, in turn, is determined by the configuration of the E-plane diaphragm.

Claims

Керамический волноводный фильтр квазипланарного типа, состоящий из двух монолитных керамических блоков, соединенных между собой гранями с идентичной металлизацией в виде Е-плоскостной диафрагмы, на остальных гранях которых нанесена сплошная металлизация, при этом на торцевых гранях блоков, с переходом на нижние грани, сформированы входной и выходной элементы связи. A quasi-planar ceramic waveguide filter consisting of two monolithic ceramic blocks interconnected by faces with identical metallization in the form of an E-planar diaphragm, on the remaining faces of which solid metallization is applied, while on the end faces of the blocks, with the transition to the lower faces, the input and output communication elements.