Спосіб керування смугою пропускання надвисокочастотного фільтра

Реферат: Спосіб керування смугою пропускання надвисокочастотного фільтра включає зміну амплітудночастотної характеристики ланки фільтра шляхом подачі керуючого сигналу на елемент зв'язку ланки, яка виконана на основі ортогональних ліній передачі з елементом зв'язку, що складається з шару гіромагнітного матеріалу та шару п'єзоелектрика. Фільтр додатково містить щонайменше ще одну ланку, яка виконана на основі ортогональних ліній передачі з елементом зв'язку, що складається з шару гіромагнітного матеріалу та шару п'єзоелектрика, причому ланки з'єднані послідовно, а керуюча напруга подається на кожну ланку окремо. UA 103921 U (54) СПОСІБ КЕРУВАННЯ СМУГОЮ ПРОПУСКАННЯ НАДВИСОКОЧАСТОТНОГО ФІЛЬТРА UA 103921 U UA 103921 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області радіофізики, а саме до техніки дециметрового і сантиметрового діапазонів, і може бути застосована для частотної селекції сигналів в приймальній або передавальній апаратурі та у вимірювальній техніці надвисоких частот. Можливість перестройки центральної частоти та зміни ширини робочої смуги частот частотно-селективних приладів [1] дозволить зменшити масо-габаритні характеристики та вартість приймально-передавальної апаратури за рахунок заміни кількох фільтрів з фіксованими параметрами на один перестроюваний, а також створити нові пристрої аналогової обробки сигналу, частотні характеристики яких будуть адаптуватись до характеристик сигналу, який обробляється. Відома конструкція надвисокочастотного (НВЧ) смугопропускаючого фільтра (СПФ) [2], що складається з двох мікросмужкових ліній, перехрещених під прямим кутом, між якими розташований елемент зв'язку (диск з феромагнітного матеріалу), причому вільні кінці ліній заземлені для забезпечення найкращого зв'язку з феромагнітним диском. Керування центральною частотою смуги пропускання фільтра здійснюється за рахунок зміни величини та напрямку зовнішнього магнітного поля. Відомий дволанковий СПФ [3], що складається з послідовно з'єднаних ланок, аналогічних до описаних в [2], в якому елементи зв'язку виконані в вигляді дисків з епітаксійної плівки залізоітрієвого гранату з домішками лантану на підкладинці з галій-гадолінієвого гранату. Пристрій працює в діапазоні частот 0.5-4 ГГц, демонструючи втрати на центральній частоті 2-2.8 дБ, та ширину смуги по рівню -3 дБ в межах 16-23 МГц. При цьому форма амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) фільтра в околі центральної частоти при перестройці змінюються досить слабко. Відомий смугопропускаючий фільтр, що складається з трьох послідовно розташованих керованих зовнішнім магнітним полем композитних НВЧ резонаторів, кожен з яких складається з діелектричного резонатора, немагнітної діелектричної прокладки та феритової пластинки [4]. При цьому можлива індивідуальна настройка кожного із резонаторів шляхом незалежної зміни величини струму в окремих електромагнітах. До недоліків даної конструкції належать низька швидкість перестроювання резонансних частот, а також великі енерговитрати, зумовлені застосуванням магнітного поля для керування резонансними частотами. За найближчий аналог прийнято конструкцію смугопропускаючого фільтра, що виконаний на мікросмужкових лініях, в якому елементом зв'язку виступають двошарові планарні структури ферит-п'єзоелектрик, в яких проявляється магнітоелектричний ефект [5]. В них прикладання електричної напруги до п'єзоелектричного шару призводить до зміни магнітних властивостей феритового шару, що викликає зміну центральної частоти смуги пропускання фільтра. Характерною особливістю найближчого аналога є те, що форма амплітудно-частотної характеристики при перестройці центральної частоти залишається незмінною, і відсутні можливості її модифікації, що звужує функціональність фільтра, оскільки не дозволяє регулювати робочу смугу частот в відповідності до характеристик сигналу, що обробляється. Задачею даної корисної моделі є розширення функціональності надвисокочастотного фільтра за рахунок реалізації можливості керування параметрами його смуги пропускання. Поставлена задача вирішується створенням способу керування, що включає зміну амплітудночастотної характеристики окремої ланки фільтра шляхом подачі керуючого сигналу на елемент зв'язку ланки, яка виконана на основі ортогональних ліній передачі з елементом зв'язку, що складається з шару гіромагнітного матеріалу та шару п'єзоелектрика, який відрізняється тим, що фільтр додатково містить щонайменше ще одну ланку, яка виконана на основі ортогональних ліній передачі з елементом зв'язку, що складається з шару гіромагнітного матеріалу та шару п'єзоелектрика, причому ланки з'єднані послідовно, а керуюча напруга подається на кожну ланку окремо. Цим забезпечується незалежне управління АЧХ кожної ланки, і, як наслідок, керування смугою пропускання всього фільтра. При цьому створюється фільтр НВЧ з можливістю управління параметрами смуги пропускання електричним полем, перевагами якого є менші масо-габарити і параметри та менше енергоспоживання, а також вища швидкість перестройки в порівнянні з конструкціями, де управління здійснюється за рахунок магнітного поля. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де зображено: - Фіг. 1 - схема окремої ланки заявленого НВЧ фільтра, вигляд зверху, верхня кришка відсутня (масштаб не збережено); - Фіг. 2 - поперечний розріз окремої ланки заявленого НВЧ фільтра (масштаб не збережено); - Фіг. 3 - приклад перестройки амплітудно-частотної характеристики окремої ланки НВЧ фільтра при прикладанні електричної напруги до шару п'єзоелектрика. 1 UA 103921 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 - Фіг. 4-5 - амплітудно-частотні характеристики дволанкового та триланкового смугопропускаючого фільтрів за умови, що значення керуючих напруг, прикладених до елементів зв'язку в окремих ланках, однакові (моделювання). - Фіг. 6-8 - амплітудно-частотні характеристики дволанкового смугопропускаючого фільтра за умови, що значення керуючих напруг, прикладених до елементів зв'язку в окремих ланках, відрізняються між собою (моделювання). Конструкція окремої ланки багатоланкового фільтра показана на фіг. 1 та фіг. 2. Композитний НВЧ резонатор, що складається з п'єзоелектрика цирконату-титанату свинцю 1, епітаксійної плівки залізо-ітрієвого граната 2 та немагнітного діелектричного шару з галійгадолінієвого граната 3, виконує роль елемента зв'язку між двома ортогональними, заземленими з одного з кінців, металевими смужками, які разом з відрізками коаксіальних ліній передачі утворюють вхідний 4 та вихідний 5 порти структури. При створенні елемента зв'язку шар п'єзоелектрика приклеюється безпосередньо до феритового шару, при цьому необхідно забезпечити надійний механічний контакт. Феритовий та п'єзоелектричний шари можуть бути виконані у вигляді пластинок або плівок, мати форму диска, паралелепіпеда і т. п. У випадку виконання феритового шару в вигляді епітаксійної плівки він може додатково містити немагнітну підкладку. Торцеві поверхні диска з п'єзоелектрика металізовані. Прикладання електричної напруги до диска з п'єзоелектрика забезпечується електричним контактом однієї з торцевих поверхонь диска із металевим корпусом 6 та припаяним до іншої торцевої поверхні ізольованим провідником, що виведений назовні через отвір у верхній кришці. Для створення магнітного поля використовується магнітна система, що складається з кільцевих магнітів 7, розділених діелектричною прокладкою 8, та шунта 9, за допомогою якого можна регулювати величину статичного магнітного поля в широких межах. Магнітне поле направлено перпендикулярно до поверхні елемента зв'язку. Експериментальні дослідження були проведені з використанням магнітостатичного резонатора в формі диска діаметром 3 мм з епітаксійної плівки залізо-ітрієвого граната (ЗЕТ) товщиною 26.8 мкм на підкладці з галій-гадолінієвого граната товщиною 250 мкм та диска з п'єзоелектрика цирконату-титанату свинцю (ЦТС) з діаметром 10 мм та висотою 0.2 мм. Налаштування фільтра на задану частоту здійснювалося за рахунок зміни статичного магнітного поля шунтом 9. При прикладанні електричної напруги U до шару п'єзоелектрика 1 в ньому виникає пружна деформація, що передається через клейове з'єднання епітаксійній феритовій плівці 2 та призводить до появи магнітострикційного вкладу в резонансне поле магнітостатичного резонатора і, як наслідок, до зсуву центральної частоти смуги пропускання. Приклад зсуву АЧХ одноланкового фільтра при прикладанні електричної напруги до шару п'єзоелектрика продемонстровано на фіг. 3. В ході досліджень макета в діапазоні частот 1-3 ГГц було знайдено, що діапазон зміни центральної частоти фільтра при подачі напруги від -125 до +125 В становив порядку 85 МГц, при цьому форма АЧХ залишалася практично незмінною. Мінімальні втрати на центральній частоті ≈2.4 ГГц складали L=1.5 дБ, ширина смуги по рівню -3 дБ становила Δf=28 МГц або 1.2 %. Позасмугові втрати становили не менше 30 дБ. При цьому в околі центральної частоти коефіцієнт стоячої хвилі на перевищував 1.7. На фіг. 4-5 наведено результати моделювання АЧХ дволанкового та триланкового СПФ за умови, що значення керуючих напруг U1, U2, U3, прикладених до елементів зв'язку в окремих ланках, однакові. При моделюванні вважалося, що АЧХ кожної ланки співпадає з АЧХ експериментально дослідженого макета, і припускалося повне узгодження виходу першої (другої) ланки з входом другої (третьої). Для дволанкового фільтра (фіг. 4) отримуємо наступні характеристики смуги пропускання: L=3 дБ, Δf=19 МГц, позасмугові втрати - не менше 60 дБ. Такі характеристики майже співпадають з наведеними в [3]. У випадку триланкового фільтра (фіг. 5) L=4.5 дБ, Δf=15 МГц, позасмугові втрати більше 90 дБ. На фіг. 6-8 наведено результати моделювання для дволанкового СПФ, за умови, що значення керуючих напруг, прикладених до окремих ланок, відрізняються між собою. На фіг. 6 представлено результати для випадку U1=0 В, U2 = -60 В. В цьому випадку маємо наступні характеристики: L=6.5 дБ, Δf=30 МГц. На фіг. 7 для U1=0 В, U2 = -100 В отримуємо L=10.5 дБ, Δf=48 МГц (при цьому АЧХ фільтра стає двогорбою з невеликим провалом на вершині, наближаючись до прямокутної), а на фіг. 8, при U1=0 В, U2=-135 В, маємо L=14 дБ, Δf=65 МГц. Таким чином, запропонована корисна модель забезпечує можливість керування не тільки центральною частотою, а і формою смуги пропускання надвисокочастотного смугопропускаючого фільтра статичним електричним полем. При цьому перестройка центральної частоти здійснюється в діапазоні 85 МГц, а ширина смуги пропускання регулюється 2 UA 103921 U 5 10 в межах від 19 до 65 МГц, причому зростання ширини смуги пропускання супроводжується зміною форми амплітудно-частотної характеристики фільтра від гаусової до прямокутної. Джерела інформації: [1] Mansour R.R. High-Q tunable dielectric resonator filters /R.R. Mansour. //IEЕЕ Microwave Magazine. - 2009. - Vol. 10, № 6. - P. 84-98. 7 [2] Пат. 4197517 United States of America, МПК H 01 P 1/20. High speed frequency tunable microwave filter /Vittoria С; заявл. 03.11.1978, опубл. 08.04.1980. [3] Murakami Y.A 0.5-4.0-GHz tunable bandpass filter using YIG film grown by LPE /Y. Murakami, T. Ohgihara, T. Okamoto //IEЕЕ Trans. MTT. - 1987. - Vol. MTT-35, № 12. - P. 1192-1198. 7 [4] Пат. 0060174 B1 European Patent Office, МПК H01P 1/208, H01P 1/217, H01P 1/219, H01P 7/10. Filtre passé-bande a resonateurs dielectriques /Delaballe J., Fouillet J., Osias А; заявл. 27.02.1981, опубл. 19.06.1985. 7 [5] Пат. 7528688 B2 United States of America, МПК H01P 7/00, H01P 1/20, В22F 7/02. Ferritepiezoelectric microwave devices /Srinivasan G.; заявл. 27.07.2006, опубл. 05.05.2009. 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 1. Спосіб керування смугою пропускання надвисокочастотного фільтра, що включає зміну амплітудно-частотної характеристики ланки фільтра шляхом подачі керуючого сигналу на елемент зв'язку ланки, яка виконана на основі ортогональних ліній передачі з елементом зв'язку, що складається з шару гіромагнітного матеріалу та шару п'єзоелектрика, який відрізняється тим, що фільтр додатково містить щонайменше ще одну ланку, яка виконана на основі ортогональних ліній передачі з елементом зв'язку, що складається з шару гіромагнітного матеріалу та шару п'єзоелектрика, причому ланки з'єднані послідовно, а керуюча напруга подається на кожну ланку окремо. 2. Спосіб керування смугою пропускання надвисокочастотного фільтра за п. 1, який відрізняється тим, що шар гіромагнітного матеріалу елемента зв'язку кожної ланки виконано у вигляді епітаксійної плівки на немагнітній підкладці. 3 UA 103921 U 4 UA 103921 U 5 UA 103921 U 6 UA 103921 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7