ВОЛНОВОДНЫЙ ФИЛЬТР ВЕРХНИХ ЧАСТОТ
HIGHER FREQUENCIES WAVEGUIDE FILTER

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано в волноводных трактах высокой мощности для грубого измерения частоты мощного микроволнового излучения, а также для подавления внеполосных и паразитных колебаний. При разработке фильтров для грубого измерения частоты мощного микроволнового излучения особое внимание уделяется обеспечению высокой электропрочности, минимальным потерям в полосе пропускания, значительному подавлению паразитного СВЧ сигнала вне полосы пропускания (более 50 дБ), большой крутизне характеристики фильтра из режима подавления в режим пропускания. С помощью такого типа фильтра можно измерять частоту мощных СВЧ-приборов гигаваттного уровня мощности - релятивистских ЛОВ и ЛБВ, магнетронов, виркаторов и др. Чаще всего для этих целей используют фильтры на основе прямоугольного волновода с конусными согласующими переходами.
Известна конструкция волноводного фильтра верхних частот (ФВЧ), на основе прямоугольного волновода с конусными согласующими переходами (см. Линии передачи сантиметровых волн. Перевод с английского. Под редакцией Ремеза. Издательство Советское Радио. М.: 1951. с.249-251). В волноводе ниже определенной критической частоты волна экспоненциально затухает вдоль направления распространения, предельная частота называется критической частотой волновода и зависит от геометрии волновода и от типа волны. Фильтр, в котором имеет место аналогичное явление, называют волноводным фильтром на критической частоте, и для данного типа фильтров критическая частота и частота среза фильтра совпадают. Фильтр обладает рядом недостатков, таких как: сложность изготовления, отсутствие перестройки частоты среза.
В качестве ближайшего аналога выбран волноводный фильтр верхних частот на критической частоте, описанный в заявке JP 8204404 (A), 1996-08-09, WAVEGUIDE HIGH-PASS FILTER. В этом фильтре согласование закритического волновода с входным и выходным волноводами осуществляется с помощью диафрагм, встроенных во всю ширину узких стенок волновода, со ступенчатым изменением высоты диафрагмы. К недостаткам данного фильтра следует отнести следующее: он сложен и дорог в изготовлении; в нем отсутствует перестройка частоты среза, как и у описанного выше аналога.
Задачей, на которую направлено данное изобретение, является разработка волноводного фильтра верхних частот, имеющего перестройку частоты среза, простого и относительно дешевого в изготовлении.
Технический результат достигается тем, что предлагаемый волноводный фильтр верхних частот, как и фильтр прототип, представляет из себя отрезок прямоугольного волновода с фланцами и со встроенными в узкие стенки волновода на всю ширину стенки волновода диафрагмами и обеспечивает согласование с входным и выходным волноводами.
Новым в предлагаемом перестраиваемом волноводном фильтре высоких частот является то, что диафрагмы в узких стенках волновода имеют постоянную заданную высоту, со стороны одной из широких стенок волновода также встроена диафрагма заданной высоты, со стороны противоположной ей широкой стенки волновода в прорезанную неизлучающую щель встроена механически перестраиваемая по глубине погружения диафрагма, а для улучшения согласования в полосе пропускания фильтра торцевые концы диафрагм скошены под углом.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На Фиг.1-3 представлен перестраиваемый волноводный фильтр верхних частот: на Фиг.1 - трехмерное изображение; Фиг.2 - сечение в вертикальной плоскости; Фиг.3 - сечение в горизонтальной плоскости.
Волноводный фильтр верхних частот состоит из отрезка прямоугольного волновода 1 с фланцами, двух диафрагм 2 и одной диафрагмы 3. Диафрагмы 2 и 3 впаяны в волновод 1 и имеют постоянную высоту. Кроме этого, в противоположной от диафрагмы 3 стенке волновода 1 в прорезанную неизлучающую щель встроена механически перестраиваемая по глубине погружения диафрагма 4, изменяющая частоту среза волноводного фильтра верхних частот. Щель, через которую вводится диафрагма 4, прорезана вдоль широкой стенки волновода 1 и является неизлучающей. Для улучшения согласования торцевые концы диафрагм 2, 3 и 4 скошены под углом.
2
2
2
Принцип работы предлагаемого волноводного фильтра верхних частот можно пояснить с помощью теории волноводов. Диафрагмы 2, 3 и 4 изменяют поперечное сечение прямоугольного волновода так, что он становится П или Н-образным (см. Л.А.Вайнштейн. Электромагнитные волны. 2-е изд., перераб. и доп. - М: Радио и связь, 1988. 440 с. - с.154-155). Критическая частота такого волновода определяется не только поперечным размером волновода А, (зазор между диафрагмами 2), но и зазором Δ между диафрагмой 3 и противоположной стенкой волновода. При наличии диафрагмы 4 Δ есть величина зазора между диафрагмами 3 и 4. Изменяя зазор Δ путем механического перемещения диафрагмы 4 можно перестраивать критическую частоту Н-образного волновода, которая в нашем случае является частотой среза волноводного фильтра верхних частот. Тогда коэффициент прохождения сигнала T (f) через волноводный фильтр верхних частот в зависимости от частоты сигнала f [Гц] можно представить в следующем виде
-к(f)L
T(f)[дБ]=20 lgе,
<mrow><mi>к</mi><mrow><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>Im</mi><mrow><mo>⌊</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>/</mo><mi>c</mi><msqrt><mrow><msup><mi>f</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow><mo>⌋</mo></mrow></mrow>
кр
где
- мнимая часть продольного волнового числа П- или Н-образного волновода с критической частотой f [Гц], c [м/с] - скорость света в вакууме,
L [m] - длина волновода.
1
2
Изменение частоты среза волноводного фильтра верхних частот можно также пояснить следующим образом. Диафрагмы 2 со стороны боковых узких стенок являются аналогом индуктивностей, диафрагмы 3 и 4 со стороны широких стенок волновода являются аналогом последовательной емкости. Чем больше зазор Δ между диафрагмами 2, тем больше индуктивность и ниже частота среза волноводного фильтра верхних частот. С другой стороны, чем больше емкостной зазор Δ между диафрагмами 3 и 4, тем меньше емкость и больше частота среза волноводного фильтра верхних частот.
Подбором длин боковых диафрагм 2, 3 и 4, а также величин скоса их торцевых концов можно минимизировать потери (<2 дБ) в рабочей полосе частот волноводного фильтра верхних частот выше частоты среза, а также достичь относительно большого подавления (>50 дБ) вне его полосы пропускания.
Основное согласование волноводного фильтра верхних частот с входным и выходным волноводами осуществляется непосредственно за счет его конфигурации. За счет того, что торцевые концы диафрагм 2, 3 и 4 скошены под углом, происходит дополнительное согласование в полосе частот пропускания фильтра.
Опытный образец волноводного фильтра верхних частот был реализован в 3-сантиметровом диапазоне длин волн. Вариация глубины погружения диафрагмы 4 в пределах 0-3,5 мм позволила перестраивать частоту среза фильтра верхних частот в пределах от 0 до 20% от ее значения, не ухудшая существенно потери в его рабочей полосе (<2 дБ). При использовании в механизме перемещения диафрагмы 4 стандартного микрометрического винта обеспечивается точность установки частоты среза не хуже 10 МГц.
2
2
Электрическая прочность фильтра определяется в основном емкостным зазором Δ. Волноводный фильтр верхних частот был испытан на электропрочность в 3-сантиметровом диапазоне длин волн. При величине емкостного зазора Δ=6 мм между диафрагмой 3 и противоположной стенкой волновода 1 уровень импульсной мощности, при котором волноводный фильтр верхних частот показал работу без пробоев, составил ~150 кВт при длительности импульсов излучения 1,5 мкс.
Таким образом, предлагаемый волноводный фильтр верхних частот обеспечивает перестройку по частоте среза, не является сложным в изготовлении, обладает хорошей электрической прочностью, удовлетворяет условиям минимальных потерь в полосе пропускания и значительного подавления паразитного СВЧ сигнала вне полосы пропускания.
Набор таких перестраиваемых волноводных фильтров верхних частот с различными значениями частоты среза позволяет грубо измерять частоту микроволнового излучения. Наличие перестройки частоты среза фильтра позволяет минимизировать количество фильтров, необходимых для перекрытия требуемого диапазона частот. Например, для перекрытия диапазона частот 8-12 ГГц достаточно использовать два предлагаемых перестраиваемых волноводных фильтра верхних частот, каждый из которых обеспечивает плавную перестройку частоты среза с точность не хуже 10 МГц. Для сравнения, для перекрытия того же диапазона частот необходимо использовать девять неперестраиваемых фильтров-прототипов с частотами среза, отличающимися на 500 МГц.
Волноводный фильтр верхних частот предназначен для использования в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн. Использование специальной технологии изготовления диафрагм и посадочных мест для них в волноводе (например, методом электроэрозионной обработки) позволяет изготавливать фильтры предлагаемой конструкции для использования в миллиметровом диапазоне длин волн.