Исследование полоснопропускающих фильтров на слоистых диэлектрических структурах

Abstract

Исследованы конструкции полосно-пропускающих фильтров на мультислойных диэлектрических структурах, состоящих исключительно из полуволновых резонаторов, а также с четвертьволновыми резонаторами по краям рассмотренных конструкций. Описаны принципы построения устройств с заданными характеристиками и объяснены основные закономерности поведения частотно-селективных свойств мультислойных структур от их конструктивных параметров. Впервые показано, что в многослойных полосно-пропускающих фильтрах на одномерных диэлектрических структурах амплитудно-частотные характеристики остаются неизменными при инверсии скачков волнового сопротивления между соседними слоями конструкции. Определены границы реализуемых характеристик фильтров с использованием имеющегося набора современных широко распространенных в радиотехнике материалов (1 ≤ ε ≤ 1000). Обнаружено, что достижимые значения относительных полос пропускания в конструкциях, состоящих исключительно из полуволновых слоев, составили от 21 до 93 %, при этом самые узкополосные фильтры можно реализовать с интерфейсными средами, обладающими характеристиками Z0 ≈ 85 Ом (ε ≈ 19,7) в случае прямого скачка и Z0 ≈ 53 Ом (ε ≈ 50,4) - в случае обратного. Показано, что для конструкций с крайними четвертьволновыми слоями (все внутренние слои - полуволновые) при прочих равных условиях селективные свойства становятся лучше, однако относительная ширина полосы пропускания может изменяться лишь от 45 до 115 %, при этом нижняя граница достижима только в случае с интерфейсными средами из воздуха (Z0 ≈ 377 Ом, ε = 1).

The designs of band-pass filters on multilayer dielectric structures consisting of half-wave resonators exclusively, as well as with quarterwave resonators at the edges of the considered structures are investigated. The principles of constructing devices with specified characteristics are described and the basic laws of the behavior of frequency-selective properties of multilayer structures on their design parameters are explained. It is shown for the first time that in multilayer bandpass filters on one-dimensional dielectric structures, the frequency responses remain unchanged when the steps of the characteristic impedance between adjacent layers of the structure are inverted. The boundaries of the realized characteristics of filters are determined using the existing set of modern materials widely used in radio engineering (1 ≤ ε ≤ 1000). It was found that the achievable values of relative passband in constructions consisting exclusively of half-wave layers ranged from 21% to 93%, while the most narrow-band filters can be realized with interface media having characteristics of Z0 ≈ 85 Ohm (ε ≈ 19.7) in the case of a forward step of the characteristic impedance at the edge interfaces of the structure and Z0 ≈ 53 Ohm (ε ≈ 50.4) - in the case of the reverse step (inversely proportional to the original). It is demonstrated that for the structures with the edge quarter-wave layers (all the inner layers are half-wave), other things being equal, the selective properties become better, but the relative passband can vary from only 45% to 115%, while the lower limit is achievable only in the case of air interface media (Z0 ≈ 377 Ohm, ε = 1).