Полосно-пропускающий фильтр СВЧ

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Научно-исследовательское учреждение Институт ядерных проблем Белорусского государственного университета(72) Авторы Карпович Виктор Аркадьевич Любецкий Николай Васильевич Родионова Валентина Николаевна(73) Патентообладатель Научно-исследовательское учреждение Институт ядерных проблем Белорусского государственного университета(57) 1. Полосно-пропускающий фильтр СВЧ, содержащийдисковых диэлектрических резонаторов, между которыми установлены элементы связи, а также содержащий элемент ввода и элемент вывода СВЧ-сигнала, установленные соответственно на входе первого и на выходе последнего диэлектрических резонаторов, входной и выходной разъемы, связанные с упомянутыми элементом ввода и элементом вывода СВЧ-сигнала соответственно, отличающийся тем, что упомянутые элементы связи и элементы ввода и вывода СВЧ-сигнала выполнены в виде полосковых четвертьволновых резонаторов, а дисковые диэлектрические резонаторы изготовлены из композита на основе эпоксидной смолы с добавлением углерода, наноструктурированного в количестве 0,05-0,2 от массы композита. 2. Фильтр СВЧ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве углерода наноструктурированного используется углерод наноструктурированный марки НСУ-4 СТБ 1873-2008 или НСУ-5 СТБ 1873-2008.(56) 1.2185694 1, 2001. 2.6175286 В 1, 2001. 3.,, Материалы международной конференции по современному применению нанотехнологий.. 27-292012. . 4. Диэлектрические резонаторы / Под. Ред. М.Е. Ильченко. - М. Радио и связь, 1989. 5. Углерод наноструктурированный технический (технические условия) СТБ 1873-2008. 6. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств /Под. ред. С.И. Бахарева. - М. Радио и связь, 1982. 92232013.06.30 Полезная модель относится к области радиотехники, а именно к технике сверхвысоких частот (СВЧ), и может быть использована в различных радиотехнических устройствах СВЧ. По мере роста требований к радиотехническим устройствам СВЧ возрастают требования и к параметрам полосно-пропускающих фильтров СВЧ, в частности к таким, как коэффициент прямоугольности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) габаритные размеры,технологичность, себестоимость, надежность и долговечность. Одним из основных требований является также отсутствие сложных операций при настройке полосно-пропускающего фильтра СВЧ для получения заданного коэффициента прямоугольности АЧХ. В настоящее время существует много различных типов полосно-пропускающих фильтров СВЧ, при этом наиболее широкое применение нашли полосно-пропускающие фильтры СВЧ на основе диэлектрических резонаторов, изготавливаемых, главным образом, из материалов с большим значением диэлектрической проницаемости(от 30 до 150) и малой величиной тангенса диэлектрических потерь(менее 0,001), необходимых для получения высоких технических параметров полосно-пропускающих фильтров СВЧ при небольших их размерах. Однако стоимость таких материалов очень высокая (от единиц до нескольких десятков тысяч долларов США за один килограмм), следовательно, высока стоимость полосно-пропускающих фильтров СВЧ на основе упомянутых резонаторов. Известен полосно-пропускающий фильтр СВЧ, который содержитсекций, выполненных в виде металлических цилиндров, и (-2) коаксиально встроенных в них диэлектрических дисковых резонаторов. Цилиндры соосно соединены между собой, образуя внешний экран. Каждый диэлектрический резонатор закреплен в цилиндре с помощью диэлектрического кольца. Каждая оконечная секция закорочена на одном конце металлической торцевой стенкой, в центральном отверстии которой установлены коаксиальные разъемы,центральные проводники которых внутри экрана подключены к петлевым элементам связи,каждый из которых выполнен в виде проволочного незамкнутого спирального витка 1. Недостатком данного полосно-пропускающего фильтра СВЧ является то, что геометрическую форму проволочных незамкнутых спиральных витков, используемых в качестве петлевых элементов связи, довольно сложно сохранить при воздействии на них даже небольших механических нагрузок, возникающих при настройке и эксплуатации фильтров, а также при изменении температуры окружающей среды. Кроме того, в процессе эксплуатации таких фильтров в условиях повышенной влажности контактное сопротивление между спиральными витками и диэлектрическими резонаторами изменяется. Контактное сопротивление изменяется также и в результате старения материала, из которого изготовлены незамкнутые спиральные витки. Все это ведет к увеличению потерь СВЧ-сигнала и к ухудшению АЧХ. Еще одним недостатком известного фильтра является его высокая стоимость, так как диэлектрические дисковые резонаторы, используемые в этом фильтре,изготавливаются из материалов, содержащих соединения 3-3, а стоимость одного килограмма таких материалов достигает 20 тысяч долларов США. Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является полоснопропускающий фильтр СВЧ, который содержитдисковых диэлектрических резонаторов и -1 элементов связи, установленных между этими резонаторами. Дисковый диэлектрический резонатор представляет собой диск, изготовленный из композита на основе керамики -2-23. Такая керамика необходима для получения АЧХ фильтра СВЧ с высоким коэффициентом прямоугольности при небольшом количестве дисковых диэлектрических резонаторов. Этот фильтр содержит также элемент ввода и элемент вывода СВЧ сигнала, установленные соответственно на входе первого и на выходе последнего дисковых диэлектрических резонаторов, входной и выходной разъемы, связанные с упомянутыми элементом ввода и элементом вывода СВЧ-сигнала соответственно. Элементы ввода и вывода сигнала СВЧ для исключения влияния внешних вибраций выполнены в виде прямоугольных призм из такой же керамики, что и диэлектрический резонатор, на боковые поверхности этих призм нанесены токопроводящие линии 2. 2 92232013.06.30 Недостатком данного полосно-пропускающего фильтра СВЧ также является высокая стоимость, которая обусловлена тем, что для изготовления дисковых диэлектрических резонаторов используется керамика с большим значением диэлектрической проницаемости и малой величиной тангенса диэлектрических потерь. При этом такие керамические материалы практически не позволяют после изготовления дисковых диэлектрических резонаторов изменять их геометрические размеры и тем самым регулировать их АЧХ, что ведет к большой отбраковке последних при сборке фильтров и, следовательно, приводит к еще более высокой стоимости фильтров. Технической задачей данной полезной модели является создание полоснопропускающего фильтра СВЧ, который по сравнению с ближайшим аналогом будет иметь более высокий коэффициент прямоугольности АЧХ при том же количестве диэлектрических резонаторов. Другой задачей данной полезной модели является снижение себестоимости указанного фильтра. Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в полосно-пропускающем фильтре СВЧ, содержащемдисковых диэлектрических резонаторов, между которыми установлены элементы связи, а также содержащем элемент ввода и элемент вывода СВЧсигнала, установленные соответственно на входе первого и на выходе последнего диэлектрических резонаторов, входной и выходной разъемы, связанные с упомянутыми элементом ввода и элементом вывода СВЧ-сигнала соответственно, упомянутые элементы связи и элемент ввода и элемент вывода СВЧ-сигнала выполнены в виде полосковых четвертьволновых резонаторов, при этом дисковые диэлектрические резонаторы изготовлены из композита на основе эпоксидной смолы с добавлением углерода наноструктурированного в количестве 0,05-0,20 от массы композита. В качестве углерода наноструктурированного для получения композита для изготовления дисковых диэлектрических резонаторов может быть использован углерод наноструктурированный, отвечающий требованиям СТБ 1873-2008. Заявляемая полезная модель поясняется фигурами. На фиг. 1 представлен вид сверху на заявляемый полосно-пропускающий фильтр СВЧ со снятой крышкой, на фиг. 2 - продольный разрез этого фильтра, на фиг. 3 изображены полученные расчетным путем амплитудно-частотные характеристики этого фильтра при разном количестве дисковых диэлектрических резонаторов в нем. Полосно-пропускающий фильтр СВЧ, представленный на фиг. 1 и 2, содержит металлический корпус 1, металлизированную снизу диэлектрическую плату 2, на которую нанесены полосковые четвертьволновые резонаторы 3 и установлены дисковые диэлектрические резонаторы 4, входной и выходной разъемы 5 и 6, которые соединены со входом первого и выходом последнего полоскового четвертьволнового резонатора 3 соответственно. Этот фильтр содержит пять диэлектрических резонаторов 4 и шесть полосковых резонаторов 3. Заявляемый полосно-пропускающий фильтр СВЧ рассчитывался следующим образом. В соответствии с заданными для данного фильтра центральной частотой, полосой пропускания, ослаблением сигнала в полосе пропускания, ослаблением сигнала вне полосы пропускания и коэффициентом прямоугольности АЧХ определялся процентный состав композита в соответствии с методикой, разработанной в 3. Согласно этой методике по значению центральной частоты полосового фильтра определялась требуемая комплексная диэлектрическая проницаемость композита, а именно значение действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости, и толщина дискового диэлектрического резонатора. По значению комплексной диэлектрической проницаемости композита, а также толщине диска в соответствии с 4 рассчитывался диаметр дискового диэлектрического резонатора. Для получения композита с необходимой комплексной диэлектрической проницаемостью в данном примере применялись широко используемые в промышленности смолы, в частности эпоксидная смола (в качестве связующего), в которую добавляли наноструктурированный углерод. В данном примере применялся наноструктурированный углерод марок НСУ-5 и НСУ-4 СТБ 1873-2008 5. Так, для создания полосового фильтра с центральной 3 92232013.06.30 частотой р 7 ГГц, как показано на фиг. 3, были созданы диэлектрические резонаторы из композита, состоящего из эпоксидной смолы ЭД-20 ( 90 ) и углерода наноструктурированного марки НСУ-5 ( 10 ). Комплексная диэлектрическая проницаемость композита была равна приблизительно 15-, а толщина дискового диэлектрического резонатора 15 мм. Полосковые четвертьволновые резонаторыразрабатывались и изготавливались в соответствии с 6. Таким образом, АЧХ такого дискового диэлектрического резонатора зависит как от количества углерода наноструктурированного в композите, из которого он изготовлен, так и от его геометрических размеров. Изготовленный первоначально дисковый диэлектрический резонатор подвергался входному контролю, в связи с чем он устанавливался на испытательную плату, на которой имелись элементы ввода и вывода СВЧ-сигнала. Эта испытательная плата подключалась к векторному анализатору цепей, в частности к 5071, с помощью которого определялась АЧХ дискового диэлектрического резонатора. Для изменения АЧХ и настройки на требуемую резонансную частоту испытуемый дисковый диэлектрический резонатор подвергался механической обработке путем шлифовки, за счет чего изменялись его геометрические размеры, после чего он устанавливался на диэлектрическую плату полоснопропускающего фильтра СВЧ. В заявляемом полосно-пропускающем фильтре СВЧ по сравнению с ближайшим аналогом при одном и том же количестве используемых дисковых диэлектрических резонаторов за счет использования четвертьволновых полосковых резонаторов в качестве элементов связи и элементов ввода и вывода СВЧ-сигнала увеличено более чем в два раза количество резонансных цепей, за счет чего увеличился примерно на 25 коэффициент прямоугольности АЧХ полосно-пропускающего фильтра СВЧ. При этом в заявляемом фильтре СВЧ, как и в ближайшем аналоге, отсутствуют элементы, способные вибрировать при воздействии механических нагрузок. Дисковые диэлектрические резонаторы могут быть изготовлены из дешевых композитов,включающих широко используемые эпоксидные смолы и углерод наноструктурированный. Использование дешевых композитов для изготовления дисковых диэлектрических резонаторов позволяет значительно снизить себестоимость заявляемого фильтра. Например, стоимость композита, изготовленного из эпоксидной смолы, используемой в качестве связующего (процентное содержание которой составляет 80-95 ), и углерода наноструктурированного, используемого в качестве наполнителя (его процентное содержание составляет 5-20 ), лежит в пределах 120-150 долларов США за один килограмм. При этом использование данных композитов для изготовления дисковых диэлектрических резонаторов позволяет регулировать их АЧХ, что приводит к повышению процента выхода годных дисковых диэлектрических резонаторов и тем самым также приводит к снижению себестоимости заявляемого фильтра. Технология изготовления диэлектрических резонаторов достаточно простая и не требует больших энергозатрат. Полосно-пропускающий фильтр СВЧ работает следующим образом. СВЧ-сигнал, поступающий на входной разъем 5, проходит через цепь, состоящую из последовательно и поочередно включенных полосковых четвертьволновых резонаторов 3 и дисковых диэлектрических резонаторов 4. Эта цепь последовательно включенных резонаторов исключает внеполосовую передачу входного СВЧ-сигнала и создает необходимую взаимную электромагнитную связь резонаторов, обеспечивая при этом высокую прямоугольность АЧХ, которая и определяет ту полосу частот, которую будет иметь СВЧ-сигнал на выходе фильтра (на разъеме 6). Экспериментальные исследования, выполненные с помощью векторного анализатора цепей 5071, с высокой степенью точности совпали с расчетными значениями АЧХ, показанными на фиг. 3. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5