Буслов О. Ю., Кейс В. Н., Козирєв А. Б., Котельников І. В., Кулик П. В. Санкт-Петербурзький Державний Електротехнічний Університет вул. Пр. Попова, д. 5, Санкт-Петербург – 197376, Росія Тел / факс: 812-234-4809, e-mail: mlp@eltech.ru Alford N. McN., Petrov P. К.

Centre for Physical Electronics and Materials, London South Bank University 103 Borough Road, London SE1 OAA, UK

Анотація – Розглянуто смугово-пропускає перебудовується фільтр з еліптичної характеристикою на основі двухмодового діелектричного резонатора. Перебудова фільтра забезпечувалася за допомогою п’єзоелектричного актюатора. Основні параметри фільтру: центральна частота в середині діапазону перебудови – 2.35 ГГц, ширина смуги пропускання на рівні 1 дБ ~ 0.5%, що вносяться втрати в смузі пропускання у всьому діапазоні перебудови менш 1.0 дБ, перебудова центральної частоти ~ 10%.

I. Вступ

Рис. 2. Діаметральний розріз макета двухмодового фільтра.

Створення вузькосмугових (з шириною смуги менше 1%) фільтрів з електричною перебудовою частоти є однією з найважливіших проблем сучасної електроніки НВЧ. Базовим елементом фільтра на високих частотах є резонатор, добротність якого визначає смугу пропускання фільтра і втрати в ній. Для перебудови фільтра традиційно використовують напівпровідникові і ферроелектріческіе варактори, мікроелек- тромеханіческіе системи, ферити, фотопровідністю-ковие елементи [1,2]. Вельми перспективним напрямком реалізації вузькосмугових фільтрів є використання в них діелектричних резонаторів (ДР), так як добротність цих елементів може досягати десятків тисяч. Недавно запропоновано новий спосіб ефективної перебудови резонансної частоти ДР, пов’язаний із внесенням в поле ДР неоднорідності, що реалізує стрибкоподібне зміна діелектричної проникності і призводить до розриву лінії електричного поля [3]. Нижче розглянуто один з варіантів двухмодового ДР фільтра, що реалізує цю ідею.

II. Основна частина

Fig. 2. The side view of the schematic diagram of the filter body

Основним елементом фільтра є діелектричний резонатор, поміщений на полікоровую підкладку, металізовану з нижнього боку (рис. 1). Діелектричний резонатор був виконаний з кераміки з діелектричної проникністю в = 80, тангенсом кута діелектричних втрат tg5 = 2.2-10 ‘4 на частоті 3 ГГц і температурної нестабільністю резонансної частоти if = +3.0 х 10 ‘6 К ‘1. Діаметр діелектричного резонатора дорівнює 16 мм, висота – 6,65 мм. Резонатор містився в посріблену камеру діаметром 35 мм і висотою 20 мм. Зверху над резонатором з невеликим зазором розташовувався металевий диск, діаметр якого був менше ніж діаметр діелектричного резонатора. Для описаного розміщення резонатора, основний резонансної модою була гібридна вироджена мода нец. Розподіл електричного поля нец моди наведено на рис. 1. Перша паразитна частота резонатора вище частоти основної моди на ~ 1.0 ГГц.

Для переміщення металевого диска вздовж осі діелектричного резонатора використовувався дисковий PZT п’єзоелектричний біморфний ак-тюатор діаметром 25 мм і товщиною 0.7 мм. При подачі на п’єзоелектричний актюатор постійної напруги ~ 300 В зсув його центральній частині становило ~ 140 мкм.

Діаметральний розріз макета двухмодового фільтра представлений на рис. 2. Для порушення коливань гібридної моди були використані мік-рополосковие лінії передачі, напилені на металізовану підкладку. Ступінь зв’язку між резонатором і лінією передачі регулювалася глибиною занурення мікрополоска під резонатор. Зв’язок між виродженими модами резонатора здійснювалася за допомогою двох підлаштування гвинтів, розташованих під кутами 45 ° і 135 ° по відношенню мікрополоскових лініях збудження. Ступінь зв’язку між модами визначалася відстанями між бічною стінкою резонатора і торцем підлаштування гвинта. Фотографія внутрішнього розміщення елементів і кришки фільтра наведені на рис. 3. На рис. 4 показані експериментальні залежності коефіцієнта передачі фільтру при зміні зазору між верхньою поверхнею резонатора і металевим диском від 50 мкм до 180 мкм. Видно, що діапазон перебудови фільтра склав ~ 10%, смуга пропускання на рівні 1 дБ ~ 0.5%, втрати в смузі пропускання у всьому діапазоні перебудови менше 1 дБ.

III. Висновок

В результаті проведених робіт було виготовлено двухзвенний перебудовується смугово-пропускаю-щий фільтр з еліптичної характеристикою, створений на одному діелектричному резонаторі, ра-

Рис. 3. Фотографія фільтра.

Fig. 3. The photograph of the filter бота в двухмодовом режимі і перебудовується за допомогою п’єзоелектричного актюатора. Діапазон перебудови може бути збільшений до 20% подачею біполярного напруги на актюатор.

Рис. 4. АЧХ фільтра при зміні величини повітряного зазору між ДР і металевим диском.

Fig. 4. The frequency response of the filter on the air gap d between DR surface and metal disk

IV. Список літератури

[1]    KaijfezD., Guillon P. Dielectric Resonators, Dedham, MA: Artech House, 1986.

[2]    BuerK. V., El-Sharawy E. B. A Novel Technique foe Tuning Dielectric Resonators. IEEE Trans, on MTT. 1995; 43(1), pp. 36-41.

[3] Poplavko Yu. М., Prokopenko Yu. V., Molchanov V. /., Dogan A. Frequence-Tunable Microwave Dielectric Resonator. – IEEE Trans, on MTT, 2001, 49, N6, pp.

1020 – 1026.

TUNEABLE PIEZOELECTRIC FILTER BASED ON A DUAL-MODE DIELECTRIC RESONATOR

Buslov O. Yu., Keys V. N., Kozyrev A. B., Kotelnikov I. V., Kulik P. V.

St. Petersburg National Electrotechnical University

5,        Prof. Popov St., St. Petersburg – 197376, Russia Tel/fax: 812-2344809, e-mail: mlp@eltech.ru Alford N. McN., Petrov P. K.

Centre for Physical Electronics and Materials London South Bank University 103, Borough Road, London SE1 0AA, UK

Abstract – A frequency tuneable microwave filter based on a dual mode dielectric resonator is presented. Tuning of the filter was realised by using piezoelectric bimorph. The main parameters of the filter were: central frequency in the middle of the range of tuning – 2.35 GHz, bandwidth for 1 dB level – ~0.5%, range of tuning – ~10%. The insertion losses in the whole tuning range were below ~ 1 dB.

I.  Introduction

The development of narrow-band (bandwidth ~ 1 %) electronically tuneable filters is a challenging problem for microwave electronics. The base element of the filter is the resonator. Its quality factor defines the bandwidth and insertion losses of the filter. The use of dielectric resonators for the development of narrow-band filters is a technology that allows one to obtain compact filters with high Q-factor. A new variant of a piezoelectric tuning dual mode dielectric resonator filter is presented below.

II.  Main part

The dielectric resonator made of a Ba-La-Ti-0 ceramic (dielectric constant s = 80, unloaded Q-factor ~ 4500 for H0i mode at 3 GHz and temperature coefficient of the resonance frequency if = +3.0 ppm/K) was placed on the one-side-metal- plated alumina substrate. A metal disk with a diameter smaller than diameter of the dielectric resonator was located over the resonator with a small air gap. The resonator fundamental resonance mode for this construction was the dual degenerate mode нец. The distribution of the electric field нец is shown in Figure 1. The resonator was placed in a silver-plated cavity.

A circular piezoelectric bimorph with diameter 25 mm and thickness 0.7 mm was used for driving the metal disk along axis of the dielectric resonator. The displacement at the centre of the bimorph was ~ 140 |jm under 300 V bias voltage.

The side view is presented in the Figure 2. Coupling between the input and output ports and the dielectric resonator was maintained by microstrip lines patterned on the other side of the metallized substrate. The penetration length of the microstrip line under the dielectric resonator define the coupling of the resonator with input and output ports. The internal coupling between the pair of resonator modes was due to two adjustable screws positioned at angles 45° and 135° of input and output excited lines (see Fig. 3).

Figure 4 shows the experimentally measured frequency response of the filter for different bias voltages applied to the bimorph. The bandwidth for 1 dB level was ~ 0.5%. The insertion losses in the whole tuning range were below ~ 1 dB. A central frequency tuning of ~ 10% was achieved applying bias voltage 300 V.

III.  Conclusion

A new type of tunable 2-pole filter with elliptic characteristics based on a dual mode dielectric resonator with piezoelectric bimorph was designed and tested. The tunable range might be increasing up to 20% by applying the bipolar control bias.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»