СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФЕРРИТОВЫЙ ФИЛЬТР

Изобретение относится к радиоэлектронике и сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, а именно: к электрически перестраиваемым по частоте волноводным фильтрам, содержащим в качестве резонаторов намагниченные электромагнитом миниатюрные сферические образцы, выполненные из монокристаллических ферритов.
В известных конструкциях волноводных фильтров (см. В.В. Рогозин, В.И. Чуркин. - Ферритовые фильтры и ограничители мощности. - М., Радио и связь, 1985 г, с. 166-170) два прямоугольных волновода, соосно или перпендикулярно ориентированных друг другу, разделены тонкой перегородкой с отверстием связи, в котором помещен миниатюрный сферический ферритовый резонатор (ФР), намагниченный магнитным полем электромагнита. Рассмотренные волноводные фильтры являются однорезонаторными, поэтому их недостатками являются низкая частотная избирательность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), равная 6 дБ/окт, и низкое заграждение вне резонансной кривой 25 дБ, а также высокий уровень паразитных резонансов.
Волноводные конструкции фильтров перспективны на коротких длинах волн СВЧ диапазона, где габариты и масса фильтров небольшие, а использование коаксиальных линий передачи вызывает затруднение. При этом в этих фильтрах наряду с ФР из железо-иттриевого граната и литиевой шпинели применяют монокристаллы гексоферрита, имеющие большие поля кристаллографической анизотропии, что уменьшает габариты электромагнита.
2
Указанные недостатки устраняются при увеличении количества ФР. В известном фильтре миллиметрового диапазона длин волн (Лебедь Б.М., Лаврович И.О., Хохлышев В.А. - Ферритовые фильтры и их применение. Обзоры по электронной технике. - Сер. 1, Электроника СВЧ, вып. 10, М., 1982) два прямоугольных волновода сопряжены по широким стенкам под прямым углом, разделены тонкой перегородкой с отверстием связи и короткозамкнуты вблизи отверстия связи. По обе стороны перегородки напротив отверстия связи, выполненного в точке пересечения продольных осей волноводов, размещены по одному в каждом волноводе ФР. В таком фильтре, содержащем два ферритовых резонатора, непосредственно взаимосвязанных друг с другом через отверстие в перегородке, а также взаимно ортогональные волноводы, существенно повышается внеполосное заграждение (до 50 дБ в полосе частот 26-37,5 ГГц волновода сечением 7,2×3,4 мм), частотная избирательность (до 12 дБ/окт), снижается уровень паразитных резонансов (до -25 дБ).
Недостатком известного фильтра является невозможность передачи двух и более сигналов, а также отсутствие невзаимности при изменении направления передачи сигнала, что вызывает зависимость параметров фильтра от коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) нагрузки. В этом случае необходимо предъявлять повышенные требования к КСВН нагрузки с целью обеспечения стабильной работы фильтра.
Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент US 4888569, МПК Р01Р 01/218, Н01Р 07/00, опубликован 19.12.1989) в котором количество сферических ФР увеличено до 4, что обеспечивает достаточно высокое заграждение данного фильтра по сравнению с предыдущим даже на более высоких частотах ММ-диапазона длин волн (40-60 ГГц). Четырехзвенный фильтр включает два короткозамкнутых с одного конца прямоугольных параллельных волновода, пересеченных по широким стенкам под прямым углом третьим волноводом, короткозамкнутым с обоих концов. Широкая стенка третьего волновода, разделяющая его от первых двух волноводов, выполнена в виде тонкой перегородки с двумя отверстиями связи на концах. Против отверстий связи установлены ФР, связанные через эти отверстия с ФР первых двух волноводов, размещенных вблизи короткозамыкателей по осевым линиям волноводов.
Основным недостатком известного фильтра является невозможность передачи одновременно двух и более сигналов, а также отсутствие невзаимности при изменении направления передачи сигнала. Кроме того, фильтр имеет паразитное просачивание сигнала по частоте, являющейся резонансной для короткозамкнутого с обеих сторон третьего волновода.
Известен СВЧ ферритовый фильтр, который обеспечивает одновременную передачу двух сигналов по разным каналам (см. патент RU 169506, МПК Н01Р 1/218, опубликован 21.03.2017). Известный фильтр содержит два прямоугольных, пересекающихся под прямым углом волновода, разделенных по широким стенкам разделяющей перегородкой с отверстиями связи, напротив которых установлены сферические ферритовые резонаторы вблизи короткозамыкателей, и электромагнит с двумя полюсными наконечниками. По продольным осям симметрии волноводов в центре пересечения каждого волновода выполнены короткозамыкающие стенки, которые образуют четыре короткозамкнутых волновода, в каждом из которых находится один из четырех ФР. Данный фильтр является двухканальным, содержащим в каждом канале два ферритовых резонатора. При этом оба канала фильтра настроены на одну или разнесенные резонансные частоты.
Недостатком известного СВЧ фильтра является взаимность, то есть параметры фильтра зависят от КСВН нагрузки СВЧ-тракта. С целью обеспечения стабильной работы фильтра КСВН нагрузки тракта должен быть не хуже 1,1-1,3, что может ограничивать область применения фильтра, либо требовать использования невзаимного развязывающего устройства (например, вентиль, циркулятор) на выходе фильтра. Кроме этого он обеспечивает работу только двух каналов передачи сигнала.
Известен СВЧ ферритовый фильтр, обеспечивающий работу в качестве невзаимного трехплечного электрически перестраиваемого фильтра-циркулятора, совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и выбранный в качестве прототипа (см. Ферритовые фильтры и ограничители мощности. - М, Радио и связь, 1985 г, с. 167, рис. 6.6.в). Известный СВЧ фильтр-прототип содержит два прямоугольных, пересекающихся под прямым углом волновода, один из которых проходного типа, а второй короткозамкнут с одного конца. Волноводы разделены по широким стенкам разделяющей перегородкой с отверстием связи, выполненным по осевой линии вблизи короткозамыкателя второго волновода и удаленным на расстояние а/4 от узкой стенки первого волновода (а - ширина широкой стенки прямоугольного волновода, мм). Напротив отверстия связи установлены в каждом волноводе по одному сферическому ФР. СВЧ ферритовый фильтр включает также электромагнит с полюсными наконечниками. В проходном волноводе ФР находится в СВЧ поле круговой поляризации, и взаимодействие с этим полем ФР происходит тогда, когда направление и частота прецессии вектора намагниченности в ФР совпадают с направлением и частотой СВЧ поля в волноводе. В короткозамкнутом волноводе на ФР действует СВЧ поле линейной поляризации. Условием взаимодействия ФР с этим СВЧ полем является необходимость совпадения резонансной частоты ФР и частоты сигнала.
Основным недостатком данного фильтра является невозможность передачи одновременно двух сигналов по разным каналам.
Задачей настоящего технического решения является разработка СВЧ ферритового фильтра, который бы обеспечивал одновременную передачу по разным каналам двух сигналов, являлся невзаимным устройством и при этом работал в качестве трехплечного циркулятора и двухканального фильтра.
Поставленная задача достигается тем, что СВЧ ферритовый фильтр содержит электромагнит с полюсными наконечниками, между которыми расположены прямоугольные, пересекающихся под прямым углом первый и второй волноводы. Первый волновод выполнен проходным, а второй волновод снабжен на проксимальном конце короткозамыкающей стенкой. Первый и второй волноводы разделены по широким стенкам разделяющей перегородкой с первым отверстием связи, выполненным по осевой линии у короткозамыкающей стенки второго волновода на расстоянии а/4 от узкой первой стенки первого волновода, где а - размер широкой стенки первого волновода, мм. Напротив первого отверстия связи установлены в каждом из волноводов по одному первому ферритовому резонатору (ФР), ориентированному в изотропном направлении на керамическом стержне. Новым в СВЧ ферритовом фильтре является то, напротив второго волновода по его осевой линии на первом волноводе установлен третий волновод, снабженный на проксимальном конце короткозамыкающей стенкой. Первый и третий волноводы разделены по широким стенкам разделяющей перегородкой со вторым отверстием связи, удаленным на расстояние а/4 от узкой второй стенки первого волновода. Напротив второго отверстия связи установлены в каждом из волноводов по одному второму ФР, ориентированному в изотропном направлении на керамическом стержне. Первое и второе отверстия связи выполнены на расстоянии d от соответствующей короткозамыкающей стенки, удовлетворяющем соотношению:
D≤d≤2D,
где D - диаметр ФР, мм;
а участки по меньшей мере одного торца полюсных наконечников над первыми и вторыми ФР удалены от них на разные расстояния.
Выбор границ интервала расстояния d от соответствующей короткозамыкающей стенки обусловлен тем, что при расстоянии d меньше D ФР будет касаться короткозамыкающей стенки, а при расстоянии d больше 2D уменьшается связь резонатора с переменной магнитной составляющей электромагнитного поля в волноводе, что приводит к увеличению потерь на резонансной частоте.
Участки по меньшей мере одного торца полюсных наконечников над первыми и вторыми ФР могут быть выполнены в виде ступенек высотой h, удовлетворяющей соотношению:
-3
H⋅10≤h≤0,1⋅H,
где Н - общая высота первого и второго волноводов, мм;
Участки по меньшей мере одного торца полюсных наконечников над первыми и вторыми ФР могут быть выполнены скошенными относительно оси полюсных наконечников на угол 0,5-30 градусов.
-3
Выбор высоты h ступенек и угла скоса торца полюсного наконечника обусловлен тем, что при высоте h меньше H⋅10 получается незначительное (менее полосы пропускания фильтров) разнесение частот в каналах, а при высоте h больше 0,1⋅H резонансные частоты разнесены на значительный интервал, который близок к рабочему диапазону частот волноводов. При электрической перестройке резонансные частоты могут выйти за рабочий диапазон волноводов, что приведет к существенному подавлению сигналов и значительному увеличению потерь. Аналогично, при угле скоса торца полюсного наконечника меньше 0,5 градусов разница резонансных частот не превышает величину полосы пропускания, а при угле скоса торца полюсного наконечника больше 30 градусов резонансные частоты могут выйти за пределы рабочего диапазона волноводов.
В первый, второй и третий волноводы могут быть введены по осевым линиям прямоугольные в поперечном сечении диэлектрические вкладыши, при этом диэлектрический вкладыш в первом волноводе расположен между ФР и выполнен со скосами на концах, а диэлектрические вкладыши во втором и третьем волноводах расположены за ФР и выполнены с прямоугольными проксимальными торцами у ФР и со скосами на дистальных концах.
Полюсные наконечники могут быть размещены в углублениях, выполненных в широких стенках волноводов.
В каждом волноводе по их продольным осям симметрии на широкой стенке могут быть установлены прямоугольные диэлектрические вкладыши с согласующими скосами, обращенными к фланцам волноводов. При этом в короткозамкнутых волноводах ФР размещены вблизи прямоугольных торцов этих диэлектрических вкладышей, а в проходном волноводе - вблизи боковых стенок вкладышей.
Расположение первых ФР в первом и втором волноводах и вторых ФР в первом и третьем волноводах на разных расстояниях от полюсного наконечника обеспечивает намагничивание первых ФР в первом и втором волноводах и вторых ФР в первом и третьем волноводах на разные резонансные частоты.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 схематически представлен вид сверху на настоящий СВЧ ферритовый фильтр без верхней части электромагнита с вырезами в области пересечения прямоугольных волноводов, работающий в режиме одновременной передачи сигналов по двум каналам, разнесенным по частоте (1-II и III-IV - каналы передачи сигнала);
на фиг. 2 показан вид сбоку на вариант ступеньки на торце полюсного наконечника;
на фиг. 3 схематически представлен вид сверху на настоящий СВЧ ферритовый фильтр без верней части магнитопровода, с вырезами в области пересечения прямоугольных волноводов, работающий в режиме двухканального невзаимного трехплечного циркулятора-фильтра с электрической перестройкой разнесенных по частоте сигналов;
на фиг. 4 изображен вид сбоку на вариант скошенного торца полюсного наконечника;
1
2
на фиг. 5 показан разрез СВЧ ферритового фильтра по осевым линиям короткозамкнутых волноводов (торцы полюсных наконечников выполнены со ступеньками для получения разных полей намагничивания H и Н в каналах передачи сигнала I-II и III-IV);
на фиг. 6 показан разрез СВЧ ферритового фильтра по осевым линиям короткозамкнутых волноводов, при помещении в пересекаемые волноводы диэлектрических прямоугольных вкладышей;
на фиг. 7 схематически представлен вид сверху на настоящий СВЧ ферритовый фильтр без верхней части электромагнита с вырезом в области пересечения волноводов, по осям симметрии которых размещены диэлектрические прямоугольные вкладыши;
на фиг. 8 изображен вид снизу на верхние второй и третий прямоугольные короткозамкнутые волноводы с ориентированной под прямым углом широкой стенкой пересекаемого нижнего первого проходного волновода;
на фиг. 9 показана разделяющая пересекаемые под прямым углом прямоугольные волноводы перегородка с отверстиями связи;
на фиг. 10 приведен вид сверху на нижний первый волновод с ориентированными под прямым углом широкими стенками пересекаемых верхних второго и третьего короткозамкнутых волноводов.
1
2
1
2
Изображенный на фиг. 1, фиг. 3, фиг. 5) настоящий СВЧ ферритовый фильтр содержит три прямоугольных волновода: первый волновод 1 проходного типа и короткозамкнутые второй волновод 2 и третий волновод 3, пересекающие проходной первый волновод 1 под прямым углом по одной осевой линии. Второй волновод 2 и третий волновод 3 разделены по широким стенкам разделяющей перегородкой 4 с первыми отверстиями связи 5 и вторыми отверстиями связи 6. Сферические ФР 7, расположены напротив первых отверстий связи 5 и вторых отверстий связи 6, выполненных по осевым линиям короткозамкнутых волноводов 2, 3 у короткозамыкающих стенок 8 по осевой линии на расстоянии не менее диаметра ФР 7 и не более двух диаметров ФР 7, и на расстоянии а/4 от узких стенок проходного первого волновода 1, где а -ширина широкой стенки прямоугольного первого волновода 1. Электромагнит 9, содержащий катушки управления 10 на каждом из двух полюсных наконечниках 11, намагничивает магнитным полем H, Н соответственно первые и вторые ФР 7 попарно на разные частоты, так как эти ФР 7 находятся на разных расстояниях от одной и той же пары полюсных наконечников 11. Полюсные наконечники 11, в целях уменьшения рабочего зазора, а, следовательно, уменьшение электропотребления и габаритов электромагнита 9, могут быть углублены в широкие стенки волноводов, а их торцы скошены или выполнены со ступеньками (см. фиг. 2, фиг. 4). Необходимость намагничивания ФР 7 в каналах 1-II и III-IV на разные резонансные частоты f и f обусловлена необходимостью устранения непосредственного возможного взаимодействия ФР 7 друг с другом, размещенных в проходном первом волноводе 1, из-за их близости друг к другу, для обеспечения высокой развязки между каналами. Это необходимо для волноводов миллиметрового и коротковолнового сантиметрового диапазонов длин волн вследствие их узкой широкой стенки (а - малая величина). С этой же целью уменьшения энергопотребления прямоугольные волноводы 1-3 в области пересечения могут быть выполнены уменьшенной высоты. Для создания необходимой расстройки резонансных частот ФР 7 в каналах двухканального фильтра можно применить металлические прокладки, помещаемые напротив одного из каналов передачи сигнала в стыке верхней и нижней частей электромагнита 9. При необходимости можно выполнить цилиндрические углубления в полюсных наконечниках 11 напротив ФР 7 одного из каналов передачи сигнала. С целью повышения концентрации СВЧ поля в ФР 7 для расширения диапазона частот перестройки двухканального фильтра, уменьшения потерь пропускания, расширения полосы пропускания по продольным осям симметрии каждого волновода 1, 2, 3 могут быть размещены прямоугольные диэлектрические вкладыши 12 с согласующими скосами на входах волноводов 1, 2, 3 и тупыми концами вблизи ФР 7 (фиг. 6, фиг. 7). Диэлектрические вкладыши 12 могут быть выполнены с размерами в поперечном сечении, обеспечивающем максимальное стягивание в них СВЧ поля прямоугольных волноводов 1, 2, 3, то есть могут выполнять роль диэлектрических волноводов, помещенных в металлические прямоугольные экраны. При этом у прямоугольных волноводов 1, 2, 3, может быть уменьшена не только высота, но и ширина. Это позволяет уменьшить габариты СВЧ фильтра. Разделяющая перегородка 4 может быть выполнена утолщенной и в отверстиях связи 5, 6 могут быть размещены по одному дополнительному ФР 7. Это позволяет двухрезонаторный двухканальный невзаимный СВЧ фильтр преобразить в трехрезонаторный двухканальный невзаимный СВЧ фильтр, имеющий более высокое заграждение вне полосы пропускания. Настоящий фильтр работает следующим образом.
1
1
1
1
2
2
2
2
1
2
СВЧ сигнал, с частотой f=γH, поступая в плечо I, взаимодействует с ФР 7 в этом волноводе 1, удаленном на расстояние а/4 от левой боковой узкой стенки, где находится область круговой поляризации СВЧ магнитного поля, направление которого совпадает с направлением однородной прецессии вектора намагниченности ФР 7, а частота сигнала совпадает или близка к частоте прецессии вектора намагниченности. ФР 7 в волноводе 1 через отверстие связи 5 взаимодействует с ФР 7, размещенном в короткозамкнутом волноводе 2 вблизи короткозамыкающей стенки 8 (где сосредоточен максимум СВЧ магнитного поля второго волновода 2) и переизлучает СВЧ сигнал из первого волновода 1 во второй волновод 2, который затем поступает на выход в плечо II второго волновода 2 в первом канале двухрезонаторного невзаимного СВЧ фильтра. Сигналы, имеющие частоты, не совпадающие с резонансной частотой СВЧ фильтра, поступают в плечо III первого волновода 1. При этом в этом СВЧ фильтре нет отражения сигналов обратно на вход в плечо I, а также отсутствует влияние КСВН нагрузки в плече III на параметры СВЧ фильтра в плече II, так как ФР 7 у левой стенки первого волновода 1 не взаимодействует с обратной СВЧ волной из канала III, поскольку направление прецессии намагниченности не совпадает по направлению с СВЧ полем. Аналогичным образом сигнал f'=γH, подаваемый в плечо II, поступает в плечо III. Изменяя ток в катушках 10 электромагнита 9, можно изменять резонансную частоту ФР 7, а, следовательно, изменять частоту пропускаемых сигналов в СВЧ фильтре из плеча I в плечо II. Аналогичным образом работает второй канал передачи сигнала III-IV. СВЧ сигнал с частотой f=γH, поступая в плечо III первого волновода 1, взаимодействует только с ФР 7 в этом волноводе, удаленном на расстояние а/4 от левой боковой (узкой) стенки и переизлучается через отверстие связи 6 в ФР 7 короткозамкнутого третьего волновода 3, размещенного у короткозамыкающей стенки 8 по продольной оси симметрии в максимуме СВЧ магнитного поля. ФР 7 возбуждает сигнал в третьем волноводе 3, который затем поступает на выход в плечо IV третьего волновода 3 во втором канале двухрезонаторного невзаимного СВЧ фильтра. Сигналы, имеющие частоту, не совпадающие с резонансной частотой второго канала СВЧ фильтра, поступают в плечо I волновода 1. При этом в СВЧ фильтре нет отражения сигналов обратно на вход в плечо III, а также отсутствует влияние КСВН нагрузки в плече I на параметры фильтра в плече IV по причине, указанной для канала I-II. Изменяя ток в катушках 10 электромагнита 9 можно изменять резонансную частоту fФР 7, входящих во второй канал СВЧ фильтра, а следовательно, изменять частоту f пропускаемых сигналов в СВЧ фильтре из плеча III в плечо IV. СВЧ ферритовый фильтр, представленный на фиг. 3, демонстрирует работу настоящего СВЧ фильтра в качестве двухканального трехплечного циркулятора-фильтра, с электрической перестройкой частот f и f пропускаемых сигналов. На фиг. 8, фиг. 9, фиг. 10 представлены основные три элементы корпуса двухканального невзаимного СВЧ фильтра, показывающие возможность его простой сборки с помощью винтов. В заключение можно отметить, что короткозамкнутые волноводы 2, 3 напротив друг друга на общем проходном волноводе 1 можно выполнять и со смещением от общей осевой линии этих волноводов, но тогда исчезает возможность использования для намагничивания в этих волноводах ФР 7 одной парой полюсных наконечников 11, что увеличивает габариты и энергопотребление фильтра.
Пример. Предлагаемый сверхвысокочастотный ферритовый фильтр был выполнен на трех прямоугольных волноводах с входным сечением 11×5,5 мм, предназначенных для диапазона частот 18÷26,5 ГГц. Основной волновод проходного типа пересекали по широкой стенке под прямым углом обращенные друг к другу короткозамыкающими торцами два волновода, совмещенных по осевым линиям. В тонкой перегородке толщиной 100 мкм, разделяющей волноводы, было выполнено два отверстия диаметром 0,8 мм которые были отдалены в проходном волноводе от узких стенок на расстояние а/4=2,7 мм, а в короткозамкнутых волноводах от короткозамыкателей на расстояние 0,6 мм. Против каждого отверстия в каждом волноводе были установлены сферические ферритовые резонаторы диаметром 0,4 мм на керамических стержнях, ориентированные по "тепловой оси" (в изотропном направлении) ферритовые резонаторы были выполнены из монокристалла железо-иттриевого граната, имели высокую собственную добротность (ширина линии ферромагнитного резонанса 2ΔН≈0,4 Э, намагниченность насыщения 4пMS=1750 Гс)
Для простоты изготовления и внедрения полюсных наконечников электромагнита для уменьшения воздушного зазора в широких стенках волноводов были выполнены на едином волноводе, содержащем в центре металлизированную вставку-заглушку, торцы которой обеспечивали короткозамыкающие стенки в этих волноводах на указанном расстоянии 0,6 мм от отверстий связи. На одном из торцов полюсных наконечников была выполнена ступенька высотой 25 мкм обеспечивающая расхождение резонансных частот в каналах I II и IV на ~300 МГц. Измерения проводились на средней частоте 22 ГГц. Минимальные потери в каналах фильтра были ≤2,0 дБ при ширине полосы пропуская 30 МГЦ, заграждение 45 дБ и диапазон перестройки 10%. Каналы прямоугольных волноводов были плавно уменьшены по высоте в области ферритовых резонаторов до 0,8 мм с целью повышения концентрации СВЧ поля в ферритовых резонаторах и уменьшения тока управления в катушках электромагнита.