Диапазонные полосовые фильтры. Схема ДПФ для трансиверов и радиопрёмников.

А на кой шайтан-узбек сдались нам эти ДПФы?

Возьмём, к примеру, Дегенов, Туксанов и прочих апологетов традиционной китайской цивилизации.
Молодцы ведь — пашут, и не жужжат. Простенько и со вкусом — без всяких там излишеств!
Две водки, три пива, селёдка и цельная буханка хлеба — скромный спартанский менталитет, воплощённый в схемотехнике и конструктиве.

Так вот. Пашут — и молодцы!
И должны пахать всеми корпусами на полную глубину, оправдывая высокое звание супергетеродинов с двойным преобразованием частоты и высокой первой промежуточной частотой.
А чтобы вспашка была качественной, нужно следить, чтобы амплитуда сигнала, поступающего на антенный вход электроплуга, не превышала уровня, отведённого ей динамическим диапазоном.

Динамический диапазон подобных радиоприёмников ограничен цифрой 80дБ, а это значит, что при чувствительности приёмника 1мкВ, максимальная амплитуда входного сигнала, перевариваемая агрегатом, составит величину 1мкВ x 10000 = 10мВ.

Подадите больше, начнёт пожужживать. Ещё больше — услышите кашу из интермодуляционных шумов и продуктов искажений.

И не знать бы всего этого геморроя, если бы закон диалектического развития (мать его) не отвернул бы нас от комнатной магнитной рамки в сторону полноразмерной антенны, или, хотя бы, просто длинного куска провода, согласованного с 50-омным входом приёмника.

А тут? Какие там 10мВ, особенно в условиях города?
Широчайший спектр сигналов, начиная от 50-герцовых сетевых наводок, кончая мощными УКВ ЧМ-станциями, наведут на длинную антенну совокупную ЭДС, исчисляемую десятками, а то и сотнями милливольт.

Вот, собственно говоря, для того, чтобы очистить, поступающие на вход приёмника сигналы от всякой внеполосной дряни и уменьшить их совокупную амплитуду до приемлемого уровня, не прибегая к помощи аттенюатора, и служат диапазонные фильтры.

Всё вышесказанное относится и к простым приёмникам прямого преобразования с диодными, либо интегральными смесителями.

Несколько другая история связана с SDR-ами и ППП со смесителями на быстродействующих ключевых элементах. Здесь параметр реально достижимого динамического диапазона составляет величину 110-115 дБ, и на первый план выходит функция полосовых фильтров по подавлению паразитных каналов приёма на нечётных гармониках. И функция эта настолько важна, что можно уверенно заявить — без полосовых фильтров приёмник прямого преобразования нормально работать не будет.

Описывать многообразие различных схемотехнических решений диапазонных фильтров в рамках данной статьи я не вижу особого смысла, поэтому сразу приведу схему ПФ, являющуюся основным, базовым вариантом современных радиоприёмных конструкций высокого класса.

Рис.1

Подробно эти фильтры 3-7 порядков мы рассматривали на странице  ссылка на страницу.

Там же можно произвести онлайн расчёт этих фильтров для любых частот и характеристических сопротивлений.

К преимуществам данных фильтров можно отнести минимальные потери и максимально плоскую АЧХ в полосе пропускания.
Крутизна спада АЧХ вне полосы пропускания составляет величину 43 дБ/октаву.
Причём, характеристики подобных фильтров не так сильно зависят от точности подбора номиналов конденсаторов и катушек индуктивности, как от строгого соблюдения рассчитанных параметров входного и выходного сопротивлений.

В качестве входного у нас выступает сопротивление приёмной антенны, согласованное с волновым сопротивлением коаксиального кабеля.

А теперь давайте прикинем — в каких хуторах и селениях нам искать следы антенны с постоянным и неизменным 50-омным сопротивлением во всём непрерывном КВ диапазоне?
Ни в каких! Запаришься искать такую антенну, если только она не снабжена активным согласующим устройством.

Чтобы не ограничивать сферу применения наших полосовых диапазонных фильтров исключительно активными антеннами, подобное согласующее устройство придётся предусмотреть в составе схемы ДПФ.
Причём на первый план здесь выходит ключевая задача — превысить параметры, определяющие динамический диапазон приёмника.

Зададимся цифрой этого параметра — не менее 120 дБ.

В результате получилась следующая схема.

Рис. 1

А подробно обсудим её — на следующей странице.

 

Диапазонные полосовые фильтры / Трансиверы / Сайт радиолюбителей

Любой радиоприемник или приемный тракт трансивера начинается с устройств частотной селекции. Чем раньше и качественней будет осуществлена предварительная селекция (частотная, пространственная или поляризационная), тем более полно реализуются высокие динамические параметры радиоприемного тракта, а сам прием радиосигналов становиться более комфортным.

При экспериментах с диапазонными полосовыми фильтрами (рис.1), предложенными в (1], выяснились некоторые «любопытные» обстоятельства. Во-первых, избирательность данной «трехконтурной связки» несколько ниже, чем должна бы быть для 3-х контуров. Вполне возможно, что это происходит из-за того, что некоторая часть тока Опдраз) минует 1-й и 3-й контура. Во-вторых, коэффициент включения р2 имеет малую величину, поэтому на высокочастотных KB диапазонах 21,24 и 28 МГц реализация подключения к отводу (например, к 1,38 витка) представляет определенную конструктивную проблему. Погрешность подключения приводит к искажению АЧХ и увеличению потерь (снижению коэффициента передачи фильтра). Поэтому была предпринята попытка осуществить частичное подключение среднего контура не к индуктивной, а к емкостной ветви крайних контуров (рис.2). В таком полосовом фильтре у тока нет другого пути, кроме как пройти через все три контура.

При проектировании многоконтурных фильтров для улучшения симметрии АЧХ и увеличения подавления в полосе задержания необходимо чередование индуктивных и емкостных связей (2J. Для фильтра, имеющего структуру как на рис.2, это правило выполняется: связь с «внешним миром» — индуктивная (автотрансформаторная или трансформаторная), а связь между контурами — емкостная. С помощью емкостного делителя можно гораздо точнее подобрать коэффициент включения р2, чем при использовании отвода от катушки индуктивности.

Вносимые в контур потери за счет подключения внешней нагрузки (рис.За) можно учесть двумя эквивалентными способами — используя параллельную (рис.Зб) или последовательную (рис.Зв) схемы замещения.

Приняв последовательный способ учета вносимых потерь в первый и в третий контур и используя трансформаторы импеданса (-С12/С12/-С12 и -С23/С23/-С23), получаем эквивалентную схему «трехконтурной связки» (рис.4). Как видно из этого рисунка, эквивалентная схема «трехконтурной связки» аналогична схеме, по которой рассчитываются ле-стничные кварцевые фильтры [3]. 

Качество и основные характеристики фильтра любого типа определяются в первую очередь характеристиками резонансных контуров, из которых состоит фильтр. Изготовление фильтров с хорошими характеристиками не вызывает значительных затруднений, если собственная добротность Qc его элементов не хуже [4]: 

— для «двухконтурной связки» 

— для «трехконтурной связки» 

— для фильтра с количеством контуров больше четырех 

где Qo — собственная (холостая) добротность контура;

f0 — центральная частота диапазона;

В — ширина диапазона.

Для эффективной работы фильтра («трехконтурной связки») с малыми потерями (Аi = -2 — -2,5 дБ) необходимо, чтобы fo/B имело значение не более 15, а собственная добротность Q0 должна быть не менее 180. Для ‘трехконтурной связки» при fo/B>18, т.е. при относительной ширине попосы пропускания менее 5.5%. не удается реализовать эффективный фильтр, т.к. его затухание в полосе пропускания быстро возрастает и становится больше 4 дБ. Соответственно, фильтр теряет практическую ценность, т.к. увеличение потерь во входной цепи приводит к увеличению фактора шума всего приемного тракта. Поэтому в любительских диапазонах 40 — 12 м полоса пропускания фильтра в 2.5 — 4 раза больше ширины соответствующего диапазона, и только в диапазонах 160, 80 и 10 м полоса пропускания фильтра соизмерима с шириной диапазона. С этим приходится мириться, т.к. достижимая максимальная собственная добротность контуров ограничена предельным практически реализуемым значением 300 — 350.

В табл.1 приведены коэффициенты ФНЧ — прототипа Бат-терворта или Чебышева. которые потребуются для расчета фильтра (2] Необходимо обратить внимание на то. что коэффициент пульсаций Ар в полосе пропускания для фильтров Чебышева однозначно связан с коэффициентом отражения Г и КСВ. Поэтому фильтры Чебышева с коэффициентом пульсаций Ар более 0,177 дБ применять нежелательно, т.к. реальный фильтр в полосе пропускания из-за неидеальности элементов всегда обладает большим коэффициентом пульсаций, чем прототип.

Таблица 1	Г(%)	КСВ	a1	a2	a3
Баттерворт	—	—	1,00	2,00	1,00
Чебышев Ар = 0.028 дБ	8	1,174	0,775	1,0684	0,775
Чебышев Ар = 0,1 дБ	15	1,353	1,0285	1,1468	1,0285
Чебышев Ар = 0.177 дБ	20	1,5	1,1893	1,154	1,1893
Чебышев Ар = 0,28 дБ	25	1,667	1,3451	1,1419	1,3451

В итоге, фильтр имеет структуру. показанную на рис.5. На рис.ба приведена схема электронной коммутации диапазонных полосовых фильтров, а на рис.66 — уровни постоянных напряжений и потенциалов в основных точках схемы в режимах «Вкл.» и «Выкл.».

При электронной коммутации большое значение имеет «развязка» ВЧ токов по цепям управления. Для этой цели в цепях управления pin-диодами установлены дроссели Lдр1, LдР2 и Lдр5. LдР6. Дроссели с большой индуктивностью (Lдр1. Lдр5) — 68 мкГн — обеспечивают работу с 1.5 МГц, но у этих дросселей за счет межвитковой паразитной емкости (4.5 — 5.5 пФ) частота параллельного резонанса находится в диапазоне частот 8.0 — 9.0 МГц. Выше частоты параллельного резонанса дроссели Lдр1 и Lдр5 перестают выполнять свою функцию, при этом ВЧ токи с частотами больше 9 МГц имеют возможность беспрепятственно протекать через паразитную меж-витковую емкость дросселей Lдр1 и Lдр5. Для устранения этого недостатка установлены дополнительные дроссели Ьдр2 и Ьдрб с малой индуктивностью (12 мкГн), частотой параллельного резонанса 45 — 50 МГц и паразитной межвитковой емкостью 0. 6 — 0.9 пФ. Использование такого схемотехнического решения обеспечивает. работоспособность цепей Lдр1, Lдр2 и R1 (Lдр5, LдР6 и R4) во всем диапазоне рабочих частот 1,5 — 30 МГц. Цепи Lдр1,Lдр2 и R1 (Lдр5.Lдр6 и R4). а также вход и выход блока фильтров необходимо располагать у самого высокочастотного фильтра (рис.ба). что уменьшает потери ВЧ сигналов (f > 15 МГц), которые чувствительны к длине печатных проводников. Дроссели LдрЗ и Lдр4 обеспечивают дополни-тельную «развязку» по ВЧ токам. Резисторы R1 и R4 определяют необходимый ток через pin-диоды. Резистор R2 ограничивает первоначальный кратковременный бросок тока в коллекторной цепи транзистора VT1, т.к. до момента включения блокировочные конденсаторы СБП1 и Сбл2 заряжены до напряжения 9 В. Необходимость установки двух блокировочных конденсаторов С6Л1 и С? я2 (рис.6а) объясняется следующим. Длина печатного проводника. соединяющего «холодные» выводы обмоток связи, ориентировочно составляет 45 — 55 мм. Индуктивность такого печатного проводника при его ширине 0. 7 — 1.2 мм имеет значение 0.035 — 0,055 мкГн. а полное сопротивление на частоте 30 МГц — от 6.5 до 9,5 Ом, что составляет почти 15% от 50 Ом. То есть «холодный» вывод обмоток связи будет соединен с проводником «корпус» через некоторое сопротивление, к тому же, имеющее индуктивный характер, что дополнительно внесет частотно-зависимые потери в коэффициент передачи фильтра и приведет к увеличению общих потерь и искажению АЧХ. Поэтому «холодный» вывод каждой обмотки связи необходимо соединить наикратчайшим путем через «свой» блокировочный конденсатор с широким проводником «корпус» («заливка медью»). 

Таблица 2
Диапазон (полоса частот)	fo/B, кГц	A/Ap1, дБ	Qн/аппр.	p Ом	L, мкГн	p1	C1 и С5, пФ	С2 и С4, пФ	С3, пФ
160 м (1800 — 2000 МГц)	1897/200	-2,0/~0,3	9,5/Ч (0,1 дБ)	200	16.77	0.155	464	4327	520
80 м (3500 — 3800 МГц)	3647/300	-2,2/~0,3	12/Ч (0,1 дБ)	200	8. 73	0.137	236	2844	257
40 м (7000 — 7300 МГц)	7148/478	-2.4	15/Б	150	3.34	0.143	155	3148	164
20 м (14000 —14350 МГц)	14175/945	-2.4	15/Б	100	1.123	0.175	118	2382	124
17 м (18068 — 18318 МГц)	18192/1212	-2.5	15/Б	100	0.875	0.175	92	1856	96
15 м (21000 — 21450 МГц)	21225/1415	-2.7	15/Б	100	0.75	0.175	78	1590	83
12 м (24890 — 25140 МГц)	25060/1670	-2.7	15/Б	100	0.635	0.175	66	1347	70
10 м (28000 — 30000 МГц)	28983/2230	-2.4/~0,3	13/Ч (0,1 дБ)	100	0.55	0. 186	59,0	775	63,9

В табл.2 приведены данные фильтра. Ввиду того что индуктивный элемент фильтра (L1, L2, L3) может быть выполнен на каркасах, отличающихся от авторского, и, соответственно, может иметь другое количество витков, в таблице приведен только коэффициент включения р1. Но в любом случае конструктивное исполнение катушки индуктивности должно обеспечивать собственную добротность не ниже 180.

Конструкция фильтра представляет собой секционированные экранирующие отсеки, каждый контур помещен в свой экранирующий отсек. Требуемую емкость образуют два конденсатора (например, 4327 пФ = 4300+27 и т.д.). которые обеспечивают расчетную связь между контурами. 

На рис.7а, 6 и 8а, б показаны АЧХ фильтров, аппроксимированные по полиномам Баттерворта и Чебышева (Ар = 0,1 дБ) соответственно. Из графиков можно определить подавление сигнала соседних диапазонов и подавление на промежуточной частоте. Для приемного тракта высокого класса подавление сигнала промежуточной частоты должно быть на уровне -100 дБ. Повышенные требования к подавлению сигнала промежуточной частоты обусловлены тем, что такие сигналы могут полностью парализовать работу приемника. На рис.7а показано подавление фильтром наиболее популярных промежуточных частот (пунктирные стрелки) 5500, 8815 или 8867 кГц. При использовании двухбалансного смесителя типовое подавление входного сигнала лежит в пределах -25 —30 дБ. 

 

Отсюда, соответственно. подавление сигнала промежуточной частоты (например, 8815 кГц) фильтром диапазона 40 м составит -47 дБ + (-25 дБ) = -72 дБ. что. в общем-то, недостаточно, а фильтром диапазона 20 м — -75 дБ + (-25 дБ) = -100 дБ, т.е. вполне приемлемый результат.

Для обеслечения подавления прямого прохождения сигналов частотой, равной промежуточной частоте, необходимо предусмотреть элементы дополнительной фильтрации, например, эллиптические (Кауэра-Зопотарева) фильтры, которые имеют частоты «бесконечного» затухания (рис.9). Кроме того, дополнительные фильтры улучшат подавление зеркальных частот.

Дополнительные эллиптические фипьтры можно подключить сразу поспе ДПФ, но жепательно между ДПФ и дополнительными фильтрами (рис.10) установить высокодинамичный малошумящий усилитель с (рис.11), а количество емкостных межконтурных связей должно быть равно количеству индуктивных межконтурных связей. 

Для заинтересованных читателей в табл.3 приведен прядок расчета фильтра третьего порядка (рис.5). 

Литература

1. Э Ред. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике.—М: Мир. 1990.
2. Г.Ханзел. Справочник по расчету фильтров. — М.: Советское радио. 1974.
3. В.Жалнераускас. Кварцевые фильтры на одинаковых резонаторах. — Радио. 1982. №1, 2.
4. В.Голубев. Частотная избирательность радиоприемников. — М.: Связь. 1970.
5. G.Perkins. N6AW. Входные полосовые фильтры. — Радиолюбитель. KB и УКВ. 1998. №6.

Руководство по выбору полосового фильтра

| Оптические фильтры

Существует несколько вариантов конструкции оптического полосового фильтра, каждый из которых имеет свои преимущества. Andover предлагает множество вариантов, чтобы вы могли выбрать наиболее подходящий тип фильтра для вашего приложения. В таблице ниже приведены основные характеристики различных типов фильтров, перечисленных выше, чтобы помочь быстро найти тип, который лучше всего подходит для вашего приложения. Если вам нужна консультация нашего технического отдела продаж, свяжитесь с нами по адресу [email protected].

Полосовые фильтры пропускают только определенный диапазон длин волн и блокируют другие. Ширина такого фильтра выражается в диапазоне длин волн, который он пропускает, и может составлять от гораздо меньше ангстрема до нескольких сотен нанометров. Такой фильтр можно сделать, объединив фильтры LP и SP.

Полосовые фильтры определяются тремя важными характеристиками: Центральная длина волны (CWL) — длина волны в центре полосы пропускания. Полная ширина на половине максимума (FWHM) — ширина полосы при 50% максимальной передачи. Пиковая передача (T) — длина волны максимальной передачи

Нажмите здесь, чтобы загрузить наше подробное 14-СТРАНИЧНОЕ РУКОВОДСТВО ПО ВЫБОРУ ПОЛОСНЫХ ФИЛЬТРОВ  

Нажмите здесь, чтобы выбрать ТИПЫ ПОЛОСНЫХ ФИЛЬТРОВ.

Что такое оптический полосовой фильтр?

Оптические полосовые фильтры — это оптические фильтры, которые пропускают один или несколько указанных диапазонов длин волн, блокируя другие. Полосовые фильтры обозначаются диапазоном длин волн, также известным как полоса пропускания, для передачи которого они предназначены. Это обычные фильтры, подходящие для широкого спектра оптических приложений, в том числе; экологические испытания, колориметрия, пламенная фотометрия, флуоресцентные приложения, УФ-стерилизация, спектральная радиометрия, медицинская диагностика, химический анализ, машинное зрение, биотехнологические приборы, медицинские устройства и разделение лазерных линий.

Оптические полосовые фильтры предназначены для передачи четко определенной полосы энергии в электромагнитном спектре. Andover предлагает один из самых обширных списков стандартных «готовых» интерференционных фильтров в этой отрасли. У нас есть диапазон длин волн от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного и включает многие из первичных лазерных, ртутных, биомедицинских и аналитических спектральных линий. Стандартные размеры включают диаметр 12,5 мм, диаметр 25,0 мм и диаметр 50,0 мм. Все фильтры Andover установлены в кольца из черного анодированного металла, которые обеспечивают дополнительную защиту от сколов, царапин и условий высокой влажности. Кроме того, на кромке всех фильтров выгравирован номер детали, и каждый фильтр поставляется с откалиброванной кривой данных спектральной полосы пропускания бесплатно. Пользовательские спектральные данные доступны и будут указаны по запросу. Доступны более короткие волны, более длинные волны и нестандартные формы и размеры.

Основы полосового фильтра

Полосовые фильтры — это один из самых простых и экономичных способов передачи четко определенной полосы света и подавления всех других нежелательных излучений. Их конструкция представляет собой тонкопленочный интерферометр Фабри-Перо, образованный методами вакуумного напыления и состоящий из двух отражающих стопок, разделенных прокладочным слоем четного порядка. Каждая из этих структур называется полостью, а некоторые фильтры могут содержать до восьми полостей. Существует множество различных вариаций полосового фильтра типа Фабри-Перо, но в рамках данного обсуждения мы будем рассматривать только полностью диэлектрические и металлодиэлектрические фильтры.

Полностью диэлектрический тип состоит из двух зеркал с высокой отражающей способностью, разделенных диэлектрическим прокладочным слоем. Эти отражающие зеркала изготовлены из чередующихся материалов с высоким и низким показателем преломления, а коэффициент отражения пакета иногда превышает 99,99%. Изменяя толщину разделительного слоя и/или количество отражающих слоев, можно изменять центральную длину волны и полосу пропускания фильтра. Этот тип фильтра демонстрирует очень высокую передачу в полосе пропускания, но имеет ограниченный диапазон внеполосной блокировки. Чтобы компенсировать этот недостаток, добавляется дополнительный блокирующий компонент, который может быть полностью диэлектрическим или металлодиэлектрическим в зависимости от требуемого диапазона блокировки. Этот дополнительный блокирующий компонент устранит любое нежелательное внеполосное излучение, но также уменьшит общую пропускную способность фильтра.

Металлодиэлектрический тип аналогичен полностью диэлектрическому типу, за исключением того, что вместо диэлектрического слоя в нем используется металлический разделительный слой. Несмотря на то, что этот тип фильтра имеет превосходную внеполосную блокировку и высокую передачу в полосе пропускания, ему не хватает резкого среза и среза типичных двух- и трехрезонаторных фильтров. Металлодиэлектрический тип в основном используется для полосовых фильтров в ультрафиолете. Однако один вариант, с индуцированным пропусканием, используется в качестве дополнительного блокирующего компонента, когда требуется подавление дальнего инфракрасного диапазона.

Исключительно высокий уровень складских запасов и уникальные методы обработки позволяют нам отгружать большинство товаров в течение двух дней после получения заказа. При необходимости срочные заказы обычно могут быть отправлены в течение одного дня. Все товары, которых нет в наличии, будут отправлены в течение двух недель после получения заказа на покупку. Узнайте больше: Основные принципы работы с полосой пропускания

Стандартные полосовые фильтры

Стандартные полосовые фильтры Andover десятилетиями были основой отрасли. Благодаря нашему запатентованному методу стабилизации и герметизации эти фильтры обычно служат 10-20 лет в полевых условиях. Их долговечность в сочетании с низкой стоимостью и доступностью делают их отличным выбором для большинства применений.

Полузаказной полосовой фильтр

Для того, чтобы клиентам было проще настроить полосовой фильтр для своего применения, Andover предлагает линейку полузаказных полосовых фильтров. Их конструкция аналогична стандартным полосовым фильтрам и полосовым фильтрам с высокой пропускной способностью. Мы предлагаем широкий выбор длин волн, пропускной способности и размеров, а также предлагаем два варианта блокировки.

Высокопропускающие полосовые фильтры

Высокопропускающие оптические полосовые фильтры Andover являются вариантом линейки стандартных полосовых фильтров. Разработанные для использования с ФЭУ и фотодиодами, они используют только диэлектрические покрытия и имеют диапазон блокировки, адаптированный к детектору. Это приводит к более высокой передаче, чем их полностью заблокированные аналоги. Для вашего удобства полосовые фильтры с высоким коэффициентом пропускания перечислены в разделе «Стандартные полосовые фильтры» и выделены для облегчения идентификации.

Подбирая диапазон блокировки в соответствии с детектором, мы можем обеспечить максимально возможную пропускную способность, сохраняя при этом хорошую блокировку в соответствии с потребностями клиента. Длины волн включают все популярные лазерные, ртутные биомедицинские и аналитические спектральные линии. Все фильтры изготовлены с использованием тех же высококачественных материалов и методов, что и наши стандартные полосовые фильтры, что обеспечивает высокую стабильность и долговечность фильтра.

Эти полосовые фильтры предназначены для использования в ситуациях, когда блокировка дальнего инфракрасного излучения не требуется. Отличаются высокой передачей в полосе пропускания и хорошей блокировкой в ​​ограниченном диапазоне. Теоретические кривые передачи доступны по запросу.

Узкополосные фильтры с твердым покрытием

Andover предлагает один из самых широких в отрасли ассортиментов узкополосных фильтров с твердым покрытием. Наши фильтры отличаются очень высоким коэффициентом пропускания и плотной блокировкой от УФ-излучения до 1200 нм. Они подходят для высокотемпературных применений.

Широкополосные фильтры с твердым покрытием

Эта линейка фильтров с твердым покрытием с поверхностным покрытием была разработана для охвата стандартных линий рамановской спектроскопии. Они обладают очень высоким коэффициентом пропускания в широком диапазоне интересующей длины волны.

УФ-фильтры для первой поверхности 

Andover также предлагает вариант стандартного полосового УФ-фильтра для первой поверхности. Покрытия наносятся на одну поверхность подложки из плавленого кварца УФ-излучения и включают защитный слой из твердого оксида. Подробнее см.: Полосовые УФ-фильтры для стерилизации

Преимущества

• Все покрытия на одной внешней поверхности
• Герметичный с защитным покрытием из твердого оксида стоимостью
• Покрытие на одной подложке из плавленого кварца УФ-класса

Общие области применения

• Экологические испытания
• УФ-стерилизация

Патент США на фазированную решетку со встроенной структурой полосового фильтра Патент (Патент № 5,781,162, выдан 14 июля 1998 г.)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к фазированным решеткам, имеющим полосовые фильтры.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Текущий подход, используемый для создания космических фазированных решеток, состоит в том, чтобы сначала разработать большой плоский структурный элемент, возможно, из сотового материала.

Затем тестируются тысячи различных компонентов, включая полосовые фильтры, модули радиочастотной (РЧ) электроники и схемы управления. Если это приемлемо, компоненты монтируются на этот конструктивный элемент. Обычно соединения между электрическими компонентами выполняются с помощью коаксиальных кабелей. Этот традиционный подход к построению фазированных решеток, хотя и является прямым, является очень трудоемким и дорогим.

Что касается ВЧ-фильтров, то эти фильтры могут быть любыми коаксиальными или волноводными полосовыми или режекторными фильтрами. Такие фильтры часто представляют собой металлические конструкции с полостями и изгибами заданной формы, которые обычно скрепляются друг с другом пайкой погружением или металлическими крепежными деталями винтового типа.

Известный уровень техники для сборки РЧ-фильтров заключается в использовании металлических винтов, которые действуют как застежки, удерживающие крышку в контакте с полостями фильтра. Этот метод сборки является громоздким, трудоемким и дорогостоящим, включая точную механическую обработку и полировку контактных поверхностей для желаемого уплотнения с высокой проводимостью.

Кроме того, использование многочисленных винтов в качестве креплений для каждого фильтра увеличивает вес всей конструкции фазированной решетки.

Коммерческие клеи, которые являются электропроводными, известны. Однако их электропроводность оставляет желать лучшего. Было обнаружено, что качество и количество металлических наполнителей в клеях низкое. Кроме того, эти коммерческие клеи имеют относительно высокие электрические потери.

Один пример можно найти в патенте США No. № 5 180 523. В этом патенте описан электропроводящий цементный клей, наполненный серебром. Цементный клей не предназначен для применения в космосе. Кроме того, цементный клей имеет высокую усадку из-за своей эпоксидной смолы, а также обладает характеристиками газовыделения. Выброс органических газов в космическую среду небезопасен и недопустим.

Настоящее изобретение предназначено для преодоления перечисленных выше недостатков традиционных фазированных решеток космического базирования. Кроме того, в настоящем изобретении может использоваться электропроводящий адгезивный цемент, который улучшает некоторые характеристики предшествующих электропроводящих адгезивных цементов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является создание интегрированной фазированной решетки, в которой используется надстройка для поддержки электрических компонентов, установленных на ней, и в которой используются полосовые фильтры решетки для формирования надстройки.

Еще одной задачей является создание надстройки, которая может быть изготовлена ​​из обработанного блока материала и имеет полости, выполненные в заданной форме, чтобы служить частью или всеми полосовыми фильтрами типа полости, необходимыми для массива.

Другой задачей является создание фазированной решетки, которая легче и экономичнее в изготовлении, чем обычные фазированные решетки аналогичного размера, благодаря интеграции полосовых фильтров в надстройку решетки.

Дополнительной целью является улучшение электрических характеристик фазированной решетки путем замены обычных кабельных соединений съемными модулями и съемными антенными элементами.

Еще одной задачей является создание улучшенного электропроводящего клея для конструктивного и электрического соединения компонентов интегрированной фазированной решетки.

Для решения этих задач предусмотрена фазированная решетка, состоящая из надстройки, накладки, антенных элементов и электронных модулей. Надстройка предпочтительно является самонесущей и включает в себя части стенки и части основания, определяющие множество полостей. Крышка крепится к надстройке. Полости и крышка совместно образуют множество полых фильтров. Антенные элементы и электронные модули обеспечивают электрические входы и выходы относительно полостей. Решетчатые части и базовые части надстройки взаимодействуют, образуя, по меньшей мере, часть полостных фильтров, а также взаимодействуя, чтобы обеспечить первичную структурную опору для матрицы.

В идеале надстройка является цельной и изготавливается из блока такого материала, как алюминий. Кроме того, в идеале антенные элементы и электронные модули электрически соединены с полостями без использования коаксиальных кабелей. Потенциально зонды на антенных элементах и ​​электронных модулях вставляются или втыкаются в полости надстройки для образования емкостных связей. Кроме того, накладка может быть соединена с надстройкой с помощью электропроводящего клея.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие особенности, цели и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего описания, заявленной формулы изобретения и сопроводительных листов чертежей, где:

РИС. 1 представляет собой вид сбоку интегрированной фазированной решетки, выполненной в соответствии с настоящим изобретением;

РИС. 2 представляет собой вид спереди в перспективе фазированной решетки, показанной на фиг. 1;

РИС. 3 представляет собой вид сзади в перспективе фазированной решетки, показанной на фиг. 1;

РИС. 4А, В и С представляют собой соответствующие виды сверху, сбоку и с торца испытательного фильтрующего устройства, имеющего одну полость;

РИС. 5A, B, C и D представляют собой соответствующие виды сверху, спереди, снизу и сбоку второго тестового фильтрующего устройства, имеющего четыре полости, выровненные в продольном направлении;

РИС. 6А и В представляют собой виды в перспективе сверху и снизу третьего тестового фильтрующего устройства, имеющего четыре полости, расположенные в виде матрицы 2×2;

РИС. 7 представляет собой сечение антенного элемента, электрически соединенного через накладку с полостью;

РИС. 8 представляет собой график характеристики полосы пропускания фильтра фильтрующего устройства по фиг. 5;

РИС. 9 представляет собой график подавления фильтром фильтрующего устройства, показанного на фиг. 5;

РИС. 10 представляет собой график возвратных потерь фильтра фильтрующего устройства по фиг. 5;

РИС. 11 представляет собой график полосы пропускания и обратных потерь фильтрующего устройства по фиг. 6;

РИС. 12 представляет собой график отклонения фильтра от температуры фильтрующего устройства по фиг. 6; и

РИС. 13 представляет собой схематическое изображение протекания тока через наполненный металлом полимер.

НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пример фазированной решетки 20, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, показан на фиг. 1. Решетка 20 включает, как правило, плоскую надстройку 22, имеющую переднюю сторону 24 и заднюю сторону 26. Накладка 28 предпочтительно приклеивается к передней стороне надстройки 22. На накладке 28 установлено множество излучающих или приемных антенн. элементы 30. Электронные модули 32 прикреплены к задней стороне 26 надстройки 22 и могут включать в себя схемы управления и другие устройства. Твердотельные усилители мощности (SSPA) и/или малошумящие усилители (LNA) 33 также установлены сзади надстройки 22. Множество тепловых труб 34 может проходить через массив 20 для поддержания в массиве 20 желаемой температуры.

Надстройка 22 состоит из многих перегородочных частей 36 и базовых частей 38, образующих в основном прямоугольные полости 40. Колонкообразные стойки 41 также частично образуют полости 40. Полости 40 и перекрывающая пластина 28 взаимодействуют, образуя множество полосовых полосовых фильтров. Электропроводящий клей 42 используется для крепления накладки 28 к надстройке 22. 4A-C, был сконструирован для определения подходящего размера и формы полосового фильтра желаемого резонаторного типа. Устройство 44 тестового фильтра включает в себя единственную полость 46, образованную внутри надстройки 50. Накладка 52 прикреплена к надстройке 50 с помощью многочисленных резьбовых крепежных деталей. В этом примере перемычки 54 и 56 соответственно имеют длину приблизительно 4 и 3,5 дюйма, высоту 1 дюйм и толщину 0,250 дюйма. Базовая часть 58 образует пол надстройки 50. Крышка 52 имеет центральное отверстие 60. Накладка 52 имеет толщину приблизительно 0,250 дюйма, а центральное отверстие 60 имеет диаметр 0,166 дюйма. Расположенная в центре полая стойка 62 высотой 0,850 дюйма и диаметром 0,875 дюйма сформирована в базовой части 58. Проходящее в поперечном направлении отверстие 64 размещено в перемычке 54, как показано. Соответствующие входная и выходная емкостные муфты 66 и 68 установлены в отверстиях 60 и 64 для проведения электрических испытаний. Муфты 66 и 68 электрически соединяются с соответствующей накладкой 52 и перемычкой 54. В целях тестирования к муфтам 66 и 68 были присоединены испытательные кабели для ввода и приема сигналов.

Проведенные испытания показали, что тестовое устройство 44 хорошо работает в качестве резонатора, конфигурация которого позже использовалась в многорезонаторном полосовом фильтре. Однако без штыря 62 резонатор 46 был настроен намного выше желаемой центральной частоты полосового фильтра. Следовательно, стойка 62 использовалась в центре надстройки 50 для снижения резонансной частоты тестового фильтрующего устройства 44 до желаемой рабочей частоты. Индивидуальное испытательное устройство 44 на фиг. 4A-C использовали для определения размеров типичной стойки 41, которая используется в массиве 20 на фиг. 1-3.

Как будет понятно специалистам в данной области техники, эти вышеупомянутые размеры используются в качестве примера, а не ограничения, и могут варьироваться для достижения желаемых результатов фильтрации. Кроме того, форма поперечного сечения полости не должна быть ограничена прямоугольной формой — например, шестиугольная или треугольная формы поперечного сечения также будут хорошо работать.

РИС. 5A-D показано тестовое фильтрующее устройство 70, имеющее надстройку 72 с находящейся над ней крышкой 74. Надстройка 72 имеет четыре прямоугольные полости 76, выровненные в продольном ряду. Крайняя левая полость 76′ служит входной полостью, тогда как крайняя правая полость 76″ используется как выходная полость. Электропроводящий клей 78, который будет описан более подробно ниже, используется для механического и электрического соединения крышки 74 с надстройкой. 72.

Каждая полость 76 образована перемычками 80 и 82, центральной полой стойкой 84 и основанием 86. Во внутренних перемычках 80 расположены диафрагмы 90 для сообщения между соседними полостями 76. Над и под входом и выходом полости 76′ и 76» представляют собой отверстия 92 и 94 в соответствующей накладке 74 и базовой части 86. Входные и выходные емкостные муфты 96 и 98 обеспечивают электрический ввод и вывод в полости 76′ и 76». Предпочтительно муфты 96 и 98 — гнездовые муфты для прямого подключения штекерных проводов или щупов от испытательного оборудования.

Надстройка 72 спроектирована путем определения расстояния между элементами и деления доступной площади поровну между желаемыми фильтрующими полостями 76. Максимально возможное количество материала разработано из надстройки 72, оставляя прямоугольные отсеки, образованные между частями основания 86 и крышкой. 74 в качестве резонаторов.

Емкостной датчик (не показан) вставляется непосредственно в выходную муфту 98 для приема отфильтрованного сигнала. Эта функция облегчает интеграцию электронных модулей с фазированной решеткой и усилителей в заднюю часть тестового фильтрующего устройства 70. Это устраняет необходимость в дополнительных кабелях.

Устройство для тестового фильтра 70 было изготовлено без использования серебряного покрытия полостей 76, которые могут использоваться в полосовых фильтрах резонаторного типа для уменьшения потерь. ИНЖИР. 8 показана характеристика полосы пропускания фильтра, обеспечиваемая тестовым фильтрующим устройством 70. Вносимые потери этого прототипа фильтра составляли 0,25 дБ. ИНЖИР. 9иллюстрирует отбраковку фильтра, а фиг. 10 показаны соответствующие обратные потери фильтра. Соответственно, при воспроизведении конструкции этого прототипа фильтра, содержащего четыре полости 76 в надстройке 22, можно получить гораздо большую фазированную решетку 20, такую ​​как показанная на фиг. 1-3, могут быть образованы за счет использования полостей 40 надстройки 22 в качестве составных частей полосовых фильтров. На фиг. 6А и 6В. Устройство 110 тестового фильтра включает в себя надстройку 112, которая имеет покрывающую пластину 114 с промежуточным слоем электропроводящего клея 116. Полости 118 расположены в виде матрицы 2×2. Надстройка 112 включает в себя перемычки 120 и 122, базовые части 124 и стойки 126. Опять же, соседние полости 118 соединены соединительными диафрагмами 130, образованными в перемычках 120 и 122. Отверстия 132 и 134 образованы в соответствующей накладке 114 и в полой стойке. 126 базовой части 124. Входные и выходные емкостные муфты 136 и 140 расположены в соответствующих отверстиях 132 и 134. Снова испытательные кабели (не показаны) соединены с муфтами 136 и 140 для целей тестирования. Как можно отметить на фиг. 6А, накладка 114 имеет ребра 142 вдоль нее для повышения жесткости конструкции.

Из-за матричного расположения 2×2 с ирисами 130, образованными во внутренних перемычках 120 и 122, замкнутый контур формируется полостями с достижением топологии фильтра с перекрестной связью. Вышеописанное тестовое фильтрующее устройство 70 и 110 по фиг. 5 или 6 может быть любым резонаторным или волноводным полосовым фильтром или режекторным фильтром, изготовленным из подходящего материала, такого как алюминий.

РИС. 11 показано, что вносимые потери тестового фильтрующего устройства 110 в средней полосе частот составляют всего 0,15 дБ. Кроме того, этот фильтр хорошо ведет себя при перепадах температуры. График отклонения фильтра от температуры показан на фиг. 12. Обратите внимание, что изменение АЧХ едва заметно. Таким образом, данные испытаний показывают, что токопроводящий клей 116 обеспечивает электрическое радиочастотное соединение, сравнимое с другими широко используемыми технологиями изготовления.

РИС. 7 показан пример соединения между антенным элементом 30 и накладкой 52, которую можно использовать с решеткой 20. Антенный элемент 30 имеет основной изолированный столб 150, вокруг которого намотан провод 152. Монтажный фланец 154 удерживает антенный элемент 30 с креплениями 156, крепящими монтажный фланец 154 к крышке 52. Кольцевая колонна 160 из изоляционного материала, такого как тефлон, отделяет провод 152 от монтажного фланца 154. Провод 152 заканчивается увеличенным цилиндрическим концом 162, который расположен внутри полости 40 (не показана на фиг. 7) под накладкой 52. Между цилиндрическим концом 162 и поверхностью полости 40 и внутренней поверхностью накладки 52 образована емкостная связь. Соответственно, антенный элемент 30 просто вставляется в отверстие в крышке 52 для образования электрического соединения с монтажным фланцем 154, крепящимся к крышке 52 с помощью крепежных деталей 156 для механического крепления антенного элемента 30.

В конструкции массива 20 на фиг. 1-3, в идеале надстройка 22 изначально представляет собой большой плоский блок из материала, такого как алюминий 6061T6, который подвергается механической обработке для придания полостям 40 и полым стойкам 41 таких же общих размеров, как испытательная полость 46 и стойка 62 на фиг. 4А-С. В качестве альтернативы надстройка 22 может быть изготовлена ​​из сварных пластин, хотя это не является предпочтительным. Сотни или тысячи полостей 40 могут быть обработаны в виде единого блока, образующего объединенную надстройку 22. Кроме того, в решетке 20 полости 40 могут быть покрыты серебром для повышения их эффективности в качестве полосовых фильтров, если это необходимо для соответствия критериям эффективности. В идеальном случае над надстройкой 22 должна быть установлена ​​единственная накладка 28 с отверстиями в ней. Эти отверстия предпочтительно принимают выводы, выполненные за одно целое с антенными элементами 30, для образования емкостных соединений. Аналогичным образом в задней части 26 надстройки 22 выполнены отверстия, удерживающие соответствующие выводы от усилителей 33. Коммуникационные диафрагмы, аналогичные диафрагмам 9.0 или 130, могут быть сформированы в перемычках 36 для размещения полостей 40 в сообщении друг с другом, так что полосовой фильтр формируется для каждого антенного элемента 30. В примерной решетке 20 имеется один антенный элемент 30 для каждых четырех полостей 40 с соответствующие диафрагмы между ними для формирования фильтра, аналогичного испытательному устройству 110.

Антенные элементы 30, такие как приемные или передающие элементы, желательно, чтобы все они устанавливались с одной стороны, например, на закрывающую пластину 28 решетки 20. Предпочтительно, чтобы антенные элементы 30 имели штыревые выводы, которые могут быть непосредственно вставлены в полости 40 без необходимости дополнительных электрических соединений, таких как коаксиальные кабели. Аналогичным образом, LNA или SSPA идеально монтируются на противоположной поверхности или задней стороне 26 надстройки 22. Использование емкостных соединений (не показаны) снова позволяет интегрировать усилители 33 с фазированной решеткой непосредственно в фильтры или полости 40. Вышеописанные особенности не только еще больше снизить вес, но и улучшить электрические характеристики системы, поскольку потери в цепи из-за соединительных кабелей исключены.

Как описано выше, накладную пластину 28 массива 20 предпочтительно соединяют с надстройкой 22 с помощью электропроводящего клея 42. Клей 42 представляет собой металлополимерный электропроводящий клей с низкими потерями. Использование клея 42 позволяет отказаться от использования гальванопластики, пайки погружением и использования металлических винтов. Соответственно клей 42 снижает вес матрицы 20 и конечную стоимость сборки. Кроме того, использование этого электропроводящего полимера приводит к более надежному соединению.

Металлосодержащий электропроводящий полимерный клей 42 по данному изобретению предпочтительно является анизотропным и обладает способностью проводить электрический ток в направлении Z или перпендикулярно соединяемым плоским поверхностям. Такая характеристика полезна при склеивании/герметизации накладной пластины 28 с надстройкой 22, образующей РЧ-фильтр.

Среди коммерческих полимерных систем есть семейство коммерческих дисфункциональных систем жидкой эпоксидной смолы на основе бисфенола/эпихлоргидрина, которые имеют очень низкие диэлектрические потери и незначительные характеристики газовыделения. Полимеры можно эффективно смешивать с металлическими чешуйками или порошками с высокой проводимостью, такими как серебро и золото, с образованием тонких слоев металлополимерных электропроводящих клеев. В присутствии соответствующего отвердителя такие клеи при прокаливании при температуре около 350°С. F., затвердевают, образуя непроницаемое для воздуха уплотнение между соединяемыми компонентами.

При тщательном контроле исходного полимера и частиц проводящего металла, а также методов обработки можно добиться электропроводности в направлении Z. Смола-основа или полимер, используемый для изготовления иллюстративного клея 42, представляет собой полимер из семейства эпонов, идентифицируемый промышленным обозначением эпонов 828. Также можно использовать эпоны 826 или 816. В полимерную систему клея 42 также включен коммерческий отвердитель, такой как Epon 3140 или Epon W. И отвердители, и полимеры доступны от Shell Chemical, Хьюстон, Техас. Количество отвердителя находится в диапазоне количества смолы. :отвердитель=100:70 массовых частей.

Проводимость металла является функцией степени подвижности свободной электроники, связанной с физическим объектом. Лучшими электрическими проводниками являются металлы и элементы группы 1В таблицы Менделеева. Серебро, золото и медь широко используются в микроэлектронной промышленности из-за легкости, с которой они высвобождают один электрон из своих внешних оболочек. Большинство металлов имеют положительный температурный коэффициент удельного сопротивления — повышение температуры приводит к уменьшению электропроводности. В случае драгоценных металлов, особенно серебра (Ag), золота (Au) и палладия (Pd), эффект не столь значителен в широком диапазоне температур. Это одна из основных причин того, почему драгоценные металлы играют важную роль в качестве проводников в микроэлектронной промышленности. По этим причинам серебро и золото были выбраны в качестве токопроводящих материалов для разработки металлополимерных токопроводящих паст. В следующей таблице сравниваются физические свойства серебра и золота:

 __________________________________________
     1 2 3 4 5 6
     ______________________________________
     Серебро 107,87 10,50 961 1,58 4,77 19,5
     Золото 1096,97 19,31 1063 2,40 3,15 14,3
     ______________________________________
      куда,
      1 = атомный вес
      2 = Плотность, грамм/см
      3 = температура плавления, градусы С.
      4 = Удельное сопротивление, мкОм/см при 20°С.
      5 = теплопроводность, кал(гм)ч/см/°С.
      6 = Коэффициент теплового расширения, (10 - 6)/(C.)
 

РИС. 12 показан предполагаемый механизм протекания тока через наполненный металлом полимер. Если добавить достаточно металлических частиц 170 для образования сети внутри полимерной матрицы, электроны могут течь через точки контакта частиц, делая смесь электропроводной. ИНЖИР. 12 также показано сопротивление, которое вводится в точках контакта частиц поверхностными оксидными слоями 172 и абсорбированными органическими молекулами или другими поверхностно-активными веществами 174.

Именно поверхностный оксидный слой 172 исключает использование большинства металлов в электропроводящих полимерах. По этой причине алюминиевый порошок нельзя использовать для изготовления электропроводящих полимеров из-за оксидной пленки, которая изолирует места контакта частиц. Следовательно, в нашем изобретении использовались серебряные и золотые чешуйки и порошки для обеспечения стабильных значений удельного сопротивления менее примерно 0,001 Ом/см. И серебряные, и золотые хлопья и порошки были приобретены в подразделении электронных материалов корпорации Degussa, Нью-Джерси. Размер соответствующих серебряных и золотых чешуек соответственно составлял 0,6 и 1,1 мкм.

Разработка металлического/полимерного адгезивного материала для нашего изобретения включала смешивание серебряных или золотых хлопьев/порошка со смоляной системой в весовом соотношении от 1:0,5 до 1:2,0. Первоначально партия была тщательно перемешана вручную с последующим ультразвуковым перемешиванием в течение 3-5 минут в зависимости от размера партии. Смешанную партию помещали в камеру вакуумной дегазации под давлением 30 дюймов ртутного столба примерно на 15-20 минут. Цель дегазации заключалась в том, чтобы полностью исключить из шихты воздушные ловушки (пузырьки воздуха).

Смешанная партия была испытана на механические и диэлектрические свойства. Что касается механических свойств, то на алюминиевых образцах были проведены испытания на сдвиг внахлестку в соответствии со стандартом ASTM D 1002 с использованием клея 42 для скрепления компонентов. Для серебряных чешуек значения сдвига внахлест находились в диапазоне от 1600 до 1900 фунтов на квадратный дюйм. Для золотых чешуек значения сдвига внахлест находились в диапазоне от 2380 до 2750 фунтов на квадратный дюйм.

Электропроводность металлополимерной системы определяли путем измерения удельного сопротивления склеенного образца в соответствии со стандартом ASTM D 150. Серебросодержащий клей имел удельное сопротивление в диапазоне от 0,000145 до 0,000510 Ом·см.

Адгезивная паста с заданными свойствами и консистенцией была изготовлена ​​в соответствии с описанной выше процедурой. Пасту осторожно наносили на верхнюю часть тонких стенок перемычек 120 и 122 испытательного устройства 110 с использованием нескольких способов. Эти методы включали шелкографию, нанесение тонкой иглой шприцем и нанесение кистью. Затем накладку 114 устанавливали на место и плотно прижимали к надстройке 112 с помощью С-образных зажимов. Эту сборку затем обжигали при 350°С. Ф. в течение часа с последующим естественным охлаждением. ФИГ. 6A и 6B показаны виды спереди и сзади этого четырехполостного тестового фильтрующего устройства 110.

Опять же, матрица 20 сконструирована аналогично тому, что используется для создания тестового фильтрующего устройства 110. Надстройка 22 имеет накладку 28, прикрепленную к ней с помощью электропроводящего клея 42. Однако связи, которые предпочтительно являются емкостными и аналогичны к муфте с выводом 152, показанной на фиг.