СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФЕРРИТОВЫЙ ФИЛЬТР

Изобретение относится к радиоэлектронике и сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, а более конкретно, к электрически перестраиваемым по частоте волноводным фильтрам, содержащим в качестве резонаторов намагниченные электромагнитом миниатюрные сферические образцы, выполненные из монокристаллических ферритов.
Волноводные конструкции фильтров перспективны на коротких длинах волн СВЧ диапазона, где габариты и масса волноводов небольшие, а использование коаксиальных линий передачи вызывает затруднения. При этом в этих фильтрах, наряду с ферритовыми резонаторами (ФР) из железоиттриевого граната и литиевой шпинели, применяют монокристаллы гексаферрита, имеющие большие поля кристаллографической анизотропии, что уменьшает габариты электромагнита и ток потребления.
2
Известен СВЧ ферритовый фильтр миллиметрового диапазона длин волн (см. Б.М. Лебедь, В.А. Лаврович, И.О. Хохлышев. - Ферритовые фильтры и их применение, М, обзоры по электронной технике, Сер. 1, Электроника СВЧ, вып. 10, 1982), включающий два прямоугольных волновода, которые 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 ФР, по одному в каждом волноводе. В известном фильтре, содержащем два ФР, непосредственно взаимосвязанных друг с другом через отверстие в перегородке, а также расположенные взаимно ортогонально 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).
В известном СВЧ ферритовом фильтре при увеличении частоты и, следовательно, уменьшении сечения прямоугольного волновода потери пропускания увеличиваются от 4 до 8 дБ, а заграждение вне полосы уменьшается от 50 до 35 дБ. При необходимости, с целью повышения заграждения, особенно на высоких частотах, количество ФР может быть увеличено в известном фильтре до трех. Для этого необходимо вместо тонкой (0,1 мм) перегородки использовать более толстую (≈0,5 мм) перегородку, в отверстии связи которой при этом размещают третий сферический ФР. Однако при этом увеличивается зазор между полюсными наконечниками электромагнита, что увеличивает массу, габариты и ток электромагнита.
Известней фильтр на прямоугольных волноводах (см. заявка W02008068025, МПК Н01Р-001/203 Н01Р-001/218, опубликована 12.06.2008), содержащий корпус, в котором размещены два перестраиваемых сферических ФР, которые расположены в двух плечах фильтра. По меньшей мере одно из плеч фильтра содержит подложку, на которой нанесена щелевая линия, проходящая в направлении электрического подключения фильтра. Два плеча фильтра соединены отверстием связи, а сферические ферритовые резонаторы расположены внутри каждого из двух плеч фильтра с двух сторон от отверстия связи.
Недостатками известного фильтра является сложность и трудоемкость в изготовлении, более низкое заграждение из-за отсутствия в области размещения ФР ортогональности СВЧ магнитных полей, невозможность передачи одновременно двух и более сигналов.
Известен волноводный магнитно перестраиваемый фильтр (см. заявка W0200803483, МПК Н01Р-001/203 Н01Р-001/218, опубликована 10.01.2008), включающий корпус, в котором размещены два перестраиваемых сферических ФР, которые расположены в двух плечах фильтра. Два плеча фильтра соединены отверстием связи, а сферические ферритовые резонаторы расположены внутри каждого из двух плеч фильтра с двух сторон от отверстия связи. Одно из плеч фильтра содержит слой, на котором нанесена копланарная линия проходящая в направлении электрического подключения фильтра.
Недостатками известного фильтра является трудоемкость в изготовлении, невозможность передачи одновременно двух сигналов. Использование двух отдельных фильтров для решения такой задачи увеличивает габариты и энергопотребление радиоэлектронной системы.
Известен сверхвысокочастотный ферритовый фильтр (см. патент US 4888569, МПК Р0131.128, опубликован 19.12.1989), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Фильтр-прототип включает два короткозамкнутых 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 которых установлены ФР.
Достоинствами фильтра-прототипа являются высокое заграждение вне полосы пропускания (≈70-75 дБ) при не очень высоких резонансных потерях пропускания (12-14 дБ). Основным недостатком известного фильтра является невозможность передачи одновременно двух сигналов. Кроме того, имеет место паразитное просачивание сигнала на частоте, являющейся резонансной для короткозамкнутого с обеих сторон третьего волновода.
Задачей настоящего технического решения является разработка СВЧ ферритового фильтра, управляемого одним электромагнитом, который бы обеспечивал одновременную передачу двух сигналов.
Поставленная задача достигается тем, что сверхвысокочастотный ферритовый фильтр содержит два прямоугольных, пересекающихся под прямым углом волновода, разделенных по широким стенкам разделяющей перегородкой с отверстиями связи, сферические ФР напротив отверстий связи и электромагнит. Новым в СВЧ ферритовом фильтре является выполнение короткозамыкающих стенок по продольным осям симметрии волноводов в центре пересечения каждого волновода, образующих четыре короткозамкнутых волновода.
Полюсные наконечники могут быть размещены в углублениях, выполненных в широких стенках волноводов.
В каждом короткозамкнутом волноводе по их продольным осям симметрии на широкой стенке могут быть установлены прямоугольные диэлектрические вкладыши со скошенной к дистальному торцу верхней гранью и обращенные противоположным торцом к соответствующему ферритовому резонатору.
Разделяющая перегородка может быть выполнена как тонкой (t≈0,1 мм), так и толстой (t≈0,5 мм). Во втором случае в отверстие связи утолщенной перегородки может быть установлен ФР, а двухканальный фильтр из двухрезонаторного превращается в трехрезонаторный.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 упрощенно представлен настоящий СВЧ ферритовый фильтр без верхней части электромагнита (вид сверху) с вырезом в области пересечения прямоугольных волноводов;
на фиг. 2 приведен вид сбоку настоящего СВЧ ферритового фильтра с продольным разрезом по входам каналов передачи сигналов;
на фиг. 3 изображено в увеличенном масштабе в разрезе выполнение цилиндрической выборки в одном из полюсных наконечников напротив ФР одного из каналов передачи сигнала;
на фиг. 4 показано в увеличенном масштабе в разрезе выполнение цилиндрических выборок в двух полюсных наконечниках напротив ФР одного из каналов передачи сигнала;
на фиг. 5 изображено упрощенно в продольном разрезе размещение диэлектрических скошенных прямоугольных вкладышей в настоящем фильтре по продольным осям симметрии каждого волновода;
на фиг. 6 показан вид сбоку на настоящий фильтр с толстой разделяющей перегородкой, в отверстиях связи которой размещены по одному два дополнительных ФР;
на фиг. 7 показан вид сверху нижнего прямоугольного волновода с короткозамыкающей стенкой, двумя ФР и с ориентированной под прямым углом широкой стенкой пересекаемого верхнего волновода;
на фиг. 8 показана разделяющая пересекающиеся под прямым углом прямоугольные волноводы перегородка с двумя отверстиями связи.
Изображенный на фиг. 1, фиг. 2 настоящий СВЧ ферритовый фильтр содержит два прямоугольных пересекающихся под прямым углом волновода 1, 2, разделенных по широким стенкам 3 разделительной перегородкой 4 с отверстиями 5 связи, сферические резонаторы 6, расположенные вблизи короткозамыкающих стенок 7 напротив отверстий 5 связи, электромагнит 8 с полюсными наконечниками 9. Короткозамыкающие стенки 7 выполнены по продольным осям симметрии волноводов 1, 2 в центре пересечения каждого волновода, образуя четыре короткозамкнутых волновода 10, 11, 12, 13. Полюсные наконечники 9 в целях уменьшения рабочего зазора, а, следовательно, уменьшения энергопотребления и габаритов электромагнита 8, могут быть размещены в углублениях 14 в широких стенках волноводов фильтра в области размещения обеих пар ФР 6 (см. фиг. 3). При необходимости создания необходимой расстройки резонансных частот ФР 6 в каналах короткозамкнутых волноводов 10, 12 и 11, 13 можно воспользоваться использованием металлических прокладок, помещенных напротив одного из каналов передачи сигнала в стыке верхней и нижней частей полюсных наконечников 9. В случае небольшой эффективности действия этого способа регулировки резонансных частот каналов передачи сигнала возможно выполнение цилиндрического углубления 15 в одном или обоих внедренных в широкие стенки волноводов полюсных наконечников 9 напротив ФР 6 одного из каналов передачи сигнала (фиг. 3, фиг. 4). С целью повышения концентрации СВЧ поля в ФР 6, которые незначительно смещены от продольных осей симметрии в каждом короткозамкнутом волноводе 10, 11, 12, 13 возможно размещение по продольным осям симметрии каждого волновода прямоугольных диэлектрических вкладышей 16 со скошенной к дистальному торцу 17 верхней гранью, и обращенные противоположным торцом 18 к соответствующему ФР 6 (то есть имеющие в продольном сечении форму треугольника) (см. фиг. 5). Диэлектрические вкладыши 16 могут быть выполнены с размерами в поперечном сечении, обеспечивающими максимальное стягивание в них СВЧ поля прямоугольных короткозамкнутых волноводов 10, 11, 12, 13, то есть они могут выполнять роль диэлектрических волноводов, помещенных в металлический экран. При этом у прямоугольных короткозамкнутых волноводов 10, 11, 12, 13 может быть уменьшена не только высота (как в случае волноводов без диэлектрических скошенных прямоугольных вкладышей), но и ширина. Это позволяет при необходимости уменьшить габариты настоящего фильтра СВЧ.
Разделительная перегородка 4 может быть выполнена утолщенной, и в отверстиях 5 связи этой перегородки 4 могут быть размещены по одному два дополнительных ФР 19 (см. фиг. 6). Это позволяет двухрезонаторный двухканальный фильтр преобразить в трехрезонаторный двухканальный фильтр, имеющий более высокой заграждение вне полосы пропускания.
Настоящий фильтр работает следующим образом. СВЧ сигнал, поступая на вход волновода 1, возбуждает ФР 6, расположенный в короткозамкнутом волноводе 10 и переизлучается в полосе пропускания ФР 6 через отверстие связи 5 в разделительной перегородке 4 в ФР 6, размещенный в короткозамкнутом волноводе 12. ФР 6, расположенный в короткозамкнутом волноводе 10, имеет ту же резонансную частоту, что и ФР в короткозамкнутом волноводе 12, что обеспечивает их связь. ФР в короткозамкнутом волноводе 12 возбуждает электомагнитную волну, которая поступает на выход короткозамкнутого волновода 12. Резонансные частоты ФР 6 в обоих короткозамкнутых волноводах 10, 12 совмещены, так как находятся под одной парой полюсных наконечников 9 электромагнита 8, причем на одной осевой линии. Сигналы, частоты которых не лежат в полосе пропускания ФР 6, практически не проходят из входного короткозамкнутого волновода 10 в выходной короткозамкнутый волновод 12. Потери на передачу этих сигналов определяются заграждением фильтра вне полосы пропускания. Аналогичным образом работает второй канал передачи сигналов, образованный короткозамкнутыми волноводами 11, 13, где входным короткозамкнутым волноводом является волновод 11, а выходным - 13. ФР 6, размещенные в этих волноводах напротив отверстия 5 связи имеют резонансные частоты, совпадающие с резонансными частотами ФР 6 в короткозамкнутых волноводах 10, 12, так как находятся под воздействием магнитных полей, создаваемых одной и той же парой полюсных наконечников 9.
ФР 6, 19 в настоящем фильтре могут быть установлены как на металлокерамических держателях и ориентироваться по «тепловым осям», так и в диэлектрических кассетах, аналогично тому, как они установлены в фильтре-прототипе.