РЕЗОНАТОРНЫЙ ПОЛОСОВОЙ СВЧ-ФИЛЬТР

Полезная модель относится к СВЧ-технике и предназначена для частотной селекции радиосигналов высокого уровня мощности.
Известен аналог фильтра на цилиндрическом резонаторе S-диапазона (2…4 ГГц) с металлической вставкой в форме цилиндра, выполненной на нижней стенке базового резонатора с коаксиальными элементами связи, расположенными под прямым углом друг к другу [Wong S.-W., Feng S.-F., Zhu L. Multi-mode wideband bandpass filters using waveguide cavities // Asia-Pacific Microwave Conference. Nanjing. China. 2015. P. 1424-1426]. Его недостатками являются цилиндрическая форма резонатора и ассиметричное расположение цилиндрической вставки, что усложняет его изготовление, а также затухание сигнала до 0,5 дБ в полосе пропускания.
Известна модификация фильтра на прямоугольном резонаторе со скругленными углами и металлической вставкой сложной формы на нижней стенке резонатора, коаксиальные элементы связи которого располагаются под углом 90° [Shi Q., Yu Μ. Coaxial filter with elongated resonator // US patent N 9509031 B2. 2016]. Ее недостатками является наличие в конструкции сразу нескольких емкостных зазоров между различными элементами фильтра (вставкой и верхней стенкой резонатора, внутренними проводниками коаксиальных линий и вставкой), что снижает электрическую прочность фильтра, а также использование элемента подстройки в виде металлического штыря.
Известна конструкция полосового трехмодового фильтра на прямоугольном резонаторе с коаксиальными элементами связи в виде зондов Г-образной формы [Lin J.-Υ., Li M.Z., Wong S.-W., Yang Y., Zhu X. A cavity triple-mode filter with excitation of L-shape model // Proceedings of the Australian Microwave Symposium, Brisbane. 2018. P. 17-18]. Такой фильтр рассчитан на центральную частоту 2,53 ГГц и является достаточно простым. Его недостатками являются: большие размеры, узкая полоса пропускания (3,6%) и высокое затухание сигнала на уровне 0,8 дБ в полосе пропускания.
Известна конструкция прямоугольного резонаторного полосового фильтра с меандровой структурой и коаксиальными элементами связи [Podvin D., Courtois С.Cavity type band-pass filter with comb-line structure // US patent N 5705965 A. 1998]. Основные недостатки такой структуры: необходимость подстройки с помощью специальных элементов и низкая электрическая прочность из-за наличия зазоров между элементами подстройки в виде штырей и внутренними элементами конструкции фильтра, а также сложность его изготовления.
Известна конструкция высокодобротного четырехмодового СВЧ-фильтра на прямоугольном резонаторе с центральной частотой 3,7 ГГц и коаксиальными элементами связи [Basavarajappa G., Mansour R.R. A high-Q quadruple-mode rectangular waveguide resonator // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2019. V. 29. N 5. Р. 324-326]. Хотя, такой фильтр, выполненный на простом прямоугольном резонаторе, обеспечивает достаточно низкое затухание сигнала на уровне 0,3 дБ, но для получения необходимой амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) требуется восемь элементов подстройки, затухание в длинноволновой части АЧХ вне полосы пропускания является недостаточным, а размеры остаются большими (порядка 90 мм).
Прототипом полезной модели является фильтр на прямоугольном резонаторе (х×у×z=50×50×51 мм) с цилиндрическими вставками высотой 15,8 мм и диаметром 14 мм, размещенными на диагонали нижней стенки резонатора, имеющего коаксиальные элементы связи, расположенные под углом 90° другу [Wu Y.-M., Zhou S.-Y., Lin J.-Y., Zhou L.W., Wong S.-W., Zhu L., Chu Q.-X. Design of wideband bandpass filter using quadruple-mode rectangular cavity resonator // Proceedings of the IEEE Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation. Xian. China. 2017. P. 1-3]. Как показали экспериментальные исследования такого фильтра S-диапазона (2…4 ГГц), он обеспечивает коэффициент отражения не хуже, чем 13 дБ и затухание сигнала на уровне 0,5 дБ в полосе пропускания, а также не имеет элементов подстройки.
Проблема, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в разработке полосового фильтра высокого уровня мощности с полосой пропускания не более 20%, коэффициентом отражения более 20 дБ, затуханием на центральной частоте не более 0,25 дБ и иметь более простую конструкцию, чем прототип.
Проблема решается следующим способом: фильтр представляет собой прямоугольный резонатор 1 с элементами связи в виде стандартных коаксиальных линий 5 с размерами D/d=7/3,04 мм (Фиг. 1, б), расположенными в середине боковых стенок резонатора под углом 90°,  как показано на Фиг. 1. В центре резонатора 1 помещается металлическая сфера 2 диаметром b, которая соединяется с внутренними проводниками коаксиальных линий 5 металлическими штырями 3. В качестве элементов крепления в конструкции используются безотражательные диэлектрические шайбы 4.
Отличительные признаки являются существенными, так как позволяют решить поставленную задачу и получить технический эффект.
Техническим результатом полезной модели является улучшение электродинамических характеристик фильтра.
Полезная модель поясняется чертежом: фиг. 1, а - трехмерная конфигурация полосового фильтра на прямоугольном концентрическим резонаторе; фиг. 1, б - двумерная структура фильтра в плоскости симметрии xz.
На чертеже приняты следующие обозначения: 1 - прямоугольный резонатор, 2 - внутренний сферический элемент, 3 - металлический штырь, 4 -диэлектрическая шайба, 5 - коаксиальная линия.
Резонаторный полосовой СВЧ-фильтр работает следующим образом. На вход фильтра подается радиосигнал СВЧ-диапазона. С помощью входного элемента связи в виде стандартной коаксиальной линии 5 в концентрическом резонаторе, образованном прямоугольным резонатором 1 и сферой 2 возбуждаются два типа колебаний, формирующие амплитудно-частотную характеристику полосно-пропускающего фильтра в диапазоне 12…16 ГГц, которая снимается с выхода фильтра, реализованного в виде коаксиальной линии. Данный СВЧ-четырехполюсник является взаимным, то есть его электродинамические характеристики не зависят от направления передачи ЭМ энергии.
Примером успешной реализации фильтра может служить его численная модель, созданная с помощью метода конечных элементов, показавшая более совершенные электродинамические характеристики по сравнению с прототипом (Таблица).
Таким образом, удалось снизить уровень отраженной от входа СВЧ-мощности более, чем в два раза, снизить затухание сигнала примерно в пять раз и обеспечить более высокую электрическую прочность устройства за счет отсутствия в конструкции заявленной полезной модели пространственных областей с высокой напряженностью электрического поля. К таким областям, к примеру, относятся емкостные зазоры, образованные в прототипе цилиндрическими вставками и верхней стенкой резонатора.