ВОЛНОВОДНЫЙ ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
WAVEGUIDE BAND FILTER AND METHOD OF MANUFACTURING IT

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано в радиолокации, радионавигации и системах связи, в волноводных приемо-передающих трактах радиотехнических систем для подавления внеполосных и побочных колебаний.
Необходимость подавления внеполосных и побочных колебаний в приемо-передающих трактах радиотехнических систем обусловлена требованиями электромагнитной совместимости различных радиотехнических систем, так как нежелательные излучения на частотах внеполосных и побочных колебаний нарушают устойчивость работы приемных устройств. Кроме того, побочные колебания в приемо-передающем тракте, резонируя между отдельными элементами тракта, способствуют возникновению перенапряжений, что в свою очередь может привести к электрическим пробоям и выходу радиотехнической системы из строя.
Возникновение внеполосных и побочных колебаний в приемо-передающих трактах радиотехнических систем обусловлено использованием в составе передающих устройств таких электровакуумных приборов, как магнетрон или амплитрон.
Для подавления внеполосных и побочных колебаний в приемо-передающих трактах радиотехнических систем обычно применяют волноводные полосовые фильтры в сочетании с ферритовыми вентилями или циркуляторами, которые осуществляют поглощение отраженных от фильтров внеполосных и побочных колебаний. Однако такие методы борьбы с внеполосными и побочными колебаниями не всегда оказываются приемлемыми, так как предполагают применение довольно громоздких и дорогих ферритовых приборов, которые к тому же вносят дополнительные потери для основного колебания.
Конструктивно волноводно-полосовые фильтры, применяемые для работы в приемо-передающих трактах, представляют собой систему разнесенных по длине волновода индуктивных диафрагм, образованных одним или несколькими металлическими штырями («Справочник по элементам волноводной техники». / Под ред. А.П.Фольдштейна и др. Изд. «Советское радио», М., 1967 г. и «Фильтры СВЧ в радиорелейных системах». / Под ред. A.M.Моделя. Изд. «Связь», М., 1967 г.). Штыри вводятся в волновод через отверстия в широких стенках волновода и завариваются с его внешней стороны. При этом неизбежно возникают деформации волноводного канала, что отрицательно влияет на электрические параметры фильтров.
Кроме того, существенным недостатком известных конструкций волноводных полосовых фильтров является то, что непроходящие через них внеполосные и побочные колебания отражаются в обратном направлении, вызывая нежелательные резонансы.
10
В патенте № RU 2030821 описана конструкция неотражающего волноводного полосового фильтра в виде Т-образного сочленения двух прямоугольных волноводов в Н- или Е-плоскости, связанных через щель в общей стенке. При этом один из прямоугольных волноводов разделен металлической пластиной на два волновода, запредельных для основной волны Н, каждый из которых заканчивается поглощающей нагрузкой, которая предназначена для поглощения колебания на четных гармониках. Однако подавление побочных колебаний, примыкающих к рабочей полосе частот, оказывается неэффективным ввиду недостаточной частотной избирательности волноводной системы фильтра.
Прототипом заявленного изобретения является волноводный отражающий фильтр по патенту № US 4706051, содержащий прямоугольный волновод и размещенные внутри него взаимосвязанные индуктивные диафрагмы, образованные поперечными перегородками. При этом волновод состоит из двух одинаковых половин, соединенных по средней линии, проходящей по широким стенкам волновода. Каждая половина волновода выполнена методом прессового выдавливания с использованием пресс-формы и перфоратора, что обеспечивает высокую точность выполнения внутренних размеров фильтра и возможность серийности его изготовления.
10
Фильтр работает следующим образом. Волна Н, проходящая по прямоугольному волноводу, возбуждает в индуктивных диафрагмах СВЧ-токи, которые в свою очередь возбуждают в волноводе вторичные волны. При изменении рабочей частоты также изменяются амплитуды вторичных волн и фазовые соотношения между ними. В результате интерференции первичной и вторичных волн коэффициент передачи фильтра приобретает частотную зависимость, особенно резко выраженную в области резонансных частот. Реализация фильтра с заданным видом частотной характеристики осуществляется за счет выбора соответствующего числа индуктивных диафрагм, их геометрических размеров и расстояния между ними. Указанные величины определяются расчетным методом и экспериментально уточняются.
Недостатками прототипа являются низкий уровень диссипативных потерь и электропрочности, особенно при мощном внеполосном излучении на частотах, допускающих распространение кросс-поляризационных волн. Кроме того, данный фильтр является отражающим, и для поглощения нежелательных внеполосных и побочных колебаний вблизи рабочей полосы частот требуется применение ферритовых устройств (циркуляторов, вентилей), что значительно усложняет элементный состав, технологию изготовления, а также увеличивает массогабаритные характеристики приемо-передающего тракта в целом.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание волноводного полосового неотражающего фильтра, способного подавлять внеполосные и побочные колебания вблизи рабочей полосы частот.
Техническим результатом, достигаемым при реализации предлагаемого изобретения, в частности, является подавление побочных и внеполосных колебаний вблизи рабочей полосы частот; повышение надежности при работе на высоких уровнях мощности; улучшение согласования и устранение дополнительных потерь для основного колебания; технологичность изготовления и сборки фильтра; уменьшение массогабаритных характеристик и стоимости изготовления приемо-передающего тракта радиотехнической системы.
Влияние на достижение указанных технических результатов при реализации заявленного изобретения оказывают ниже перечисленные существенные признаки.
Волноводный полосовой фильтр содержит прямоугольный волновод, разделенный на два волновода половинной высоты разделительной перегородкой, плоскость которой параллельна широким стенкам прямоугольного волновода, и систему индуктивных диафрагм, образованных поперечными перегородками. В каждом из волноводов половинной высоты размещены индуктивные диафрагмы. Причем индуктивные диафрагмы одного волновода половинной высоты смещены относительно индуктивных диафрагм другого волновода половинной высоты на величину, примерно равную одной четверти длины волны в прямоугольном волноводе. На концах разделительной перегородки выполнены Г-образные вырезы, образующие полосковые переходы, соединенные с полосковой поглощающей нагрузкой, размещенной с внешней стороны одной из узких стенок прямоугольного волновода. Причем размеры полосковых переходов определяются из условия согласования двух волноводов половинной высоты с полосковой поглощающей нагрузкой.
Волноводный полосовой фильтр изготавливают из двух частей, которые соединяют по средней линии, проходящей вдоль широких стенок прямоугольного волновода фильтра, образующегося при соединении. Для чего сначала методом фрезерования из металлической заготовки выполняют первую часть фильтра. Высоту боковых стенок первой части фильтра выполняют равной размеру узкой стенки прямоугольного волновода фильтра, а ширину ее нижней и верхней боковых стенок выполняют равной половине размера широкой стенки прямоугольного волновода фильтра. Затем внутри первой части фильтра выполняют разделительную перегородку таким образом, чтобы ее плоскость была параллельна широкой стенке прямоугольного волновода фильтра и располагалась по средней линии, проходящей вдоль узкой стенки прямоугольного волновода фильтра, а ширину разделительной перегородки выполняют равной половине размера широкой стенки прямоугольного волновода фильтра. Одновременно с разделительной перегородкой по обе ее стороны выполняют поперечные перегородки, число, ширину и расстояние между которыми определяют, исходя из диапазона частот и полосы пропускания. При этом поперечные перегородки, расположенные по одну сторону разделительной перегородки, выполняют смещенными относительно поперечных перегородок, расположенных по другую сторону разделительной перегородки, на величину, примерно равную одной четверти длины волны в прямоугольном волноводе фильтра. Затем на концах разделительной перегородки и в узкой стенке прямоугольного волновода фильтра выполняют сквозные отверстия. Вторую часть фильтра выполняют из металлической заготовки методом фрезерования. Сначала с одной стороны выполняют вторую половину прямоугольного волновода фильтра, идентичную первой части фильтра. При этом на каждом конце разделительной перегородки со стороны узкой стенки прямоугольного волновода фильтра выполняют Г-образный вырез глубиной, примерно равной половине широкой стенки прямоугольного волновода фильтра. Ширину Г-образного выреза и образующегося при этом выступа рассчитывают из условия согласования двух волноводов половинной высоты фильтра, получаемых в результате соединения двух частей фильтра, с полосковой линией поглощающей нагрузки. Затем с другой стороны второй части фильтра выполняют боковые стенки поглощающей нагрузки и перегородку, разделяющую пополам полосковую линию поглощающей нагрузки. Плоскость этой перегородки выполняют перпендикулярно общей узкой стенке прямоугольного волновода фильтра и поглощающей нагрузки. Затем в узкой стенке, общей для прямоугольного волновода фильтра и поглощающей нагрузки, и в выступах выполняют сквозные отверстия, совпадающие со сквозными отверстиями, выполненными в разделительной перегородке и боковой стенке первой части фильтра. Затем на верхней и нижней боковых стенках поглощающей нагрузки размещают пластины из объемного СВЧ-поглотителя, после чего соединяют первую и вторую части фильтра. Затем для каждой половины полосковой линии, поглощающей нагрузки, выполняют Г-образный центральный проводник круглого сечения. Один конец каждого проводника через сквозные отверстия вводят в прямоугольный волновод фильтра и закрепляют на его противоположной узкой стенке, а другой конец закрепляют на перегородке, разделяющей полосковую линию поглощающей нагрузки. Затем выполняют крышку, являющуюся боковой стенкой поглощающей нагрузки, и закрывают ею поглощающую нагрузку.
Конструкция волноводного полосового фильтра представлена в трех проекциях: на Фиг.1 - вид спереди (продольный разрез), на Фиг.2 - вид сверху, на Фиг.3 - поперечный разрез.
1
2
3
1
2
3
Волноводный полосовой фильтр содержит прямоугольный волновод 1 сечением а×b, разделенный пополам металлической перегородкой 2, плоскость которой параллельна его широким стенкам а. Таким образом, образуются два прямоугольных волновода 3 и 4 половинной высоты, расположенных один над другим. Внутри каждого прямоугольного волновода 3 и 4 половинной высоты размещены элементы полосового фильтра: индуктивные диафрагмы 5 шириной а, a и а, которые образованы поперечными перегородками 6, разнесенными относительно друг друга на расстояния L-L-L, примерно равные четверти длины волны в волноводе. Число диафрагм 5 и расстояния L между диафрагмами 5 предварительно определяются расчетным путем (см. А.Л.Фельдштейн и др. «Справочник по элементам волноводной техники». Изд. «Советское радио», г.Москва, 1967 год, стр.410), исходя из диапазона частот и требуемой полосы пропускания фильтра. При этом поперечные перегородки 6 верхнего волновода 3, выполняющего функции верхнего волновода-фильтра, смещены относительно поперечных перегородок 6 нижнего волновода 4, выполняющего функции нижнего волновода-фильтра, на расстояние ΔL, примерно равное одной четверти длины волны в волноводе 1. На обоих концах перегородки 2 выполнены Г-образные вырезы 7 глубиной с, примерно равной половине размера широкой стенки а волновода 1. Г-образные вырезы 7 и выступы 8 образуют полосковые переходы, соединяющие перегородку 2 с центральным проводником 11 полосковой линии 9, размещенной с внешней стороны стенки b волновода 1 (более протяженный полосковый переход, в отличие от описанного А.М.Моделем в книге «Фильтры СВЧ в радиорелейных системах», М.: изд. «Связь», 1967 г., на стр.186). Ширина d Г-образных вырезов 7 и ширина f выступов 8, выполняющих функции четвертьволнового трансформатора сопротивлений, определяются из условия согласования двух параллельно работающих прямоугольных волноводов 3 и 4 половинной высоты с волновым сопротивлением полосковой линии 9 (расчет волнового сопротивления полосковой линии с различной формой центрального проводника приведен в «Справочнике по элементам полосковой технике». / Под редакцией А.Л.Фельдштейна, изд. «Связь», М., 1979 год в главе «Условия согласования»). Полосковая линия 9 разделена перегородкой 10 на две половины, каждая из которых заполнена поглощающим материалом, например, кремний-керамитом в форме пластин 16.
Учитывая сложность конструкции предлагаемого устройства и возможности современных компьютерных технологий, предлагается изготовить волноводный полосовой фильтр в виде двух механически соединенных половин 17 и 18 в плоскости, проходящей по осям широких стенок волноводного канала, как изображено на Фиг.1,2,3. Волноводные каналы волновода 1 двух прямоугольных волноводов 3 и 4 половинной высоты и поперечные перегородки 6 в обеих половинах 17 и 18 выполняются из плиты фрезерованием.
В одной из половин 18 выфрезеровываются стенки 14 полосковой линии 9, на которые при сборке устройства наклеиваются пластины 16 из СВЧ-поглотителя. Центральный проводник 11 полосковой линии из прутка круглого сечения, один конец которого закрепляется в перегородке 10 посредством пайки, а другой - изогнутый под углом 90 градусов, пропускается через отверстие в выступе 8 (согласующий трансформатор полосковой линии) и в отверстие в толще перегородки 2 и крепится с помощью гайки 13. Полосковая нагрузка, как и волноводная, предназначенная для поглощения мощности СВЧ, является линией передачи с большим затуханием, обусловленным наличием поглощающего материала. Подобно волноводным нагрузкам, работающим на повышенных уровнях мощности, поглотитель СВЧ-энергии выполняется в виде набора пластин из материала кремний-керамит. Для предотвращения нежелательного излучения полосковая линия с поглотителем закрывается крышкой 15.
Две половины фильтра, подобно выбранному прототипу, механически соединяются с помощью винтов.
Принцип действия волноводного полоскового фильтра заключается в следующем. СВЧ-сигналы рабочей полосы частот, поступающие на вход фильтра на волне
10
10
типа Н, делятся входным концом перегородки 2 на два равных сигнала с таким же типом волны, которые независимо друг от друга проходят по верхнему и нижнему волноводам 3 и 4, испытывая при этом одинаковые затухания и сдвиг «n» фаз. На выходном конце перегородки 2 эти два сигнала суммируются и возбуждают волноводный выход фильтра на волне типа Н.
10
10
Внеполосные и побочные колебания, примыкающие к рабочей полосе частот, на том же типе волны Н также делятся входным концом перегородки 2 пополам, подходят к входным концам волноводов 3 и 4 со сдвигом фаз, близким к 90°, и после отражения от диафрагм 5 волноводов 3 и 4 возвращаются к входному концу перегородки 2 со сдвигом фаз, близким к 180°. При этом противофазные составляющие внеполосных и побочных колебаний формируют поперечную электромагнитную волну ТЕМ-типа, которая проходит в полосковую линию 9, где и поглощается в полосковой нагрузке. Синфазная составляющая на частотах побочных колебаний обусловленна отражением от полосковой нагрузки после повторного отражения от волноводов 3 и 4. Происходит формирование волны типа Н, которая распространяется в направлении передатчика, но уже ослабленная в десятки раз.
Эффективность подавления внеполосных и побочных колебаний, примыкающих к рабочей полосе частот, зависит от смещения ΔL диафрагм 5 верхнего волновода 3 относительно диафрагм 5 нижнего волновода 4 и отклонения частоты внеполосных и побочных колебаний от рабочей полосы частот.
Прохождение колебаний через волноводный полосовой фильтр в обратном направлении не отличается от прохождения этих колебаний в прямом направлении. При этом подавление внеполосных и побочных колебаний происходит в полосковой нагрузке, связанной с выходным концом перегородки 2.
Способ изготовления неотражающего волноводного полосового фильтра, состоящий из соединения двух частей по средней линии широких стенок прямоугольного волновода - фильтра и полосковой нагрузки, отличается тем, что обе половины фильтра и корпус полосковой нагрузки изготавливаются методом фрезерования из металлической заготовки, причем корпус полосковой нагрузки изготавливается заодно с одной из половин фильтра, полосовая нагрузка формируется приклеиванием на стенки полосковой линии пластин из материала кремний-керамит, а центральный проводник полосковой линии выполняют из прутка круглого сечения, который вместе с поглощающим трансформатором устанавливается при сборке двух половин фильтра.
Конструктивно волноводный полосовой фильтр выполняется из двух неодинаковых частей 17 и 18 методом фрезерования с использованием станка с числовым программным управлением из металлических заготовок, что обеспечивает высокую точность изготовления основных размеров, влияющих на электрические параметры фильтра. При этом части 17 и 18 фильтра выполняются идентичными в волноводной части. Соединение частей 17 и 18 фильтра осуществляется по средней линии, проходящей вдоль широких стенок а волновода 1 фильтра.
Сначала выполняют первую часть 17 фильтра. Высоту боковых стенок выполняют равной размеру узкой стенки b волновода 1, а ширину нижней и верхней боковых стенок - равной половине размера широкой стенки а волновода 1. Затем внутри части 17 фильтра выполняют разделительную перегородку 2 таким образом, чтобы ее плоскость была параллельна широкой стенке а волновода 1 и располагалась по средней линии, проходящей вдоль узкой стенки b волновода 1. Ширину перегородки 2 выполняют равной половине размера широкой стенки а волновода 1. Одновременно с перегородкой 2 внутри части 17 фильтра выполняют поперечные перегородки 6, являющиеся половинами индуктивных диафрагм 5 фильтра, число, ширину и расстояние между которыми определяют исходя из диапазона частот и полосы пропускания. Причем перегородки 6 выполняют по обе стороны перегородки 2 таким образом, чтобы их плоскости были перпендикулярны плоскостям перегородки 2 и ближайших к ним боковым стенкам части 17 фильтра и примыкали к ним. При этом перегородки 6, расположенные с одной стороны перегородки 2, выполняют со смещением относительно перегородок 6, расположенных с другой стороны перегородки 2, на величину ΔL, примерно равную одной четверти длины волны в прямоугольном волноводе 1. Затем на концах перегородки 2 и в узкой стенке b волновода 1 фильтра выполняют два сквозных отверстия 12.
Вторую часть 18 фильтра также выполняют из металлической заготовки методом фрезерования с двух сторон. Сначала с одной стороны выполняют вторую половину волновода 1 фильтра, идентичную части 17 фильтра. На концах перегородки 2 со стороны узкой стенки b волновода 1 выполняют Г-образные вырезы 7 глубиной с. Ширину d вырезов 7 и ширину образующихся выступов 8 рассчитывают из условия согласования двух волноводов половинной высоты 3 и 4 фильтра с полосковой линией 9 поглощающей нагрузки. Затем с другой стороны части 18 фильтра выполняют боковые стенки 14 поглощающей нагрузки и перегородку 10, разделяющую пополам полосковую линию 9. Плоскость перегородки 10 выполняют перпендикулярно общей узкой стенке b волновода 1 и поглощающей нагрузки. Затем в этой стенке b и в выступах 8 выполняют сквозные отверстия 12, совпадающие со сквозными отверстиями 12, выполненными в перегородке 2 и боковой стенке b части 17 фильтра. Затем на боковых стенках 14 размещают пластины 16.
После этого части 17 и 18 фильтра соединяют. Затем для каждой из полосковых линий 9 выполняют Г-образный центральный проводник 11 круглого сечения. При этом один конец каждого проводника 11 через сквозные отверстия 12 вводят в волновод 1 и закрепляют снаружи на его противоположной стенке b, а другой конец проводника 11 закрепляют на перегородке 10. Затем выполняют крышку 15 и закрывают ею поглощающую нагрузку фильтра.
При необходимости стык двух частей фильтра 17 и 18 может быть герметизирован.