РЕЗОНАТОРНЫЙ ПОЛОСОВОЙ СВЧ-ФИЛЬТР
RESONATOR BAND-PASS MICROWAVE FILTER

Заявленное устройство относится к СВЧ-радиоэлектронике и может быть использовано для фильтрации радиосигналов.
Известна конструкция полосового фильтра, выполненного на основе короткозамкнутого отрезка цилиндрического волновода с двумя цилиндрическими керамическими резонаторами, закрепленными на центральной оси волновода с помощью специальных держателей из диэлектрика на некотором расстоянии друг от друга и коаксиальными элементами связи подстройка которого осуществляется с помощью винтов [US Patent N 4760361. Double-mode filter / Y. Kobayashi, 1988]. Недостатками этого двухмодового фильтра являются габаритные размеры, что обусловлено необходимостью использования сразу двух керамических резонаторов, сложность конструкции и необходимость использования элементов подстройки.
Известна конструкция другого двухмодового СВЧ-фильтра на цилиндрическом волноводе с волноводными элементами связи и крестообразной резонансной диафрагмой в центре волновода широко используемого в мультиплексорах бортовых радиоэлектронных комплексов систем космической связи [Cogollos S. et al. Efficient design of waveguide manifold multiplexers based on low-order EM distributed models // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2015, v. MTT-63, N 8, p. 2540-2549]. Достоинствами данного фильтра являются высокий уровень передаваемой мощности и высокая добротность резонаторов, сформированных диафрагмой и стенками волновода. Его недостаток - узкая полоса пропускания.
Известна еще одна конструкция узкополосного СВЧ-фильтра, выполненного на прямоугольных резонаторах с индуктивными штырями различной конфигурации и коаксиальными элементами связи [US Patent N 2011/0025433 Al. Inline cross-coupled coaxial cavity filter / M. Yu, Y. Wang, 2011]. Основной недостаток этого фильтра - габаритные размеры и сложность практической реализации.
Известна конструкция многофункционального микроволнового фильтра на Н-волноводе, выполненного с привлечением SIW-технологии [Гадзиева А.А., Земляков В.В., Крутиев С.В. Полосно-пропускающий СВЧ-фильтр на волноводах сложного сечения, интегрированный в многослойную микросхему с применением SIW-технологии // Инженерный вестник Дона, 2013, №1, с. 74-78. Выбор такой конфигурации устройства позволил реализовать одновременно узкополосный фильтр в диапазоне 11…13 ГГц и широкополосный заграждающий фильтр в диапазоне 13…25 ГГц. Недостатками данной структуры являются габаритные размеры, сложность технологической реализации и узкая полоса пропускания.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является малогабаритный (максимальный размер фильтра составляет 48 мм) СВЧ-фильтр на прямоугольных резонаторах с прямоугольными металлическими вставками, имеющими скос одного из углов и волноводными элементами связи, описанный в [Bastioli S., Marcaccioli L., Sorrentino R. Compact dual-mode waveguide filters using square ridge resonators // International Journal of Microwave and Wireless Technology, 2009, 1 (4), p. 241-247].
Проведенные авторами [Bastioli S., Marcaccioli L., Sorrentino R. Compact dual-mode waveguide filters using square ridge resonators // International Journal of Microwave and Wireless Technology, 2009, 1 (4), p. 241-247] измерения в частотном диапазоне 9…11 ГГц показали, что его полоса пропускания не превышает 3%, в затухание сигнала в полосе пропускания составляет величину примерно 0.3 дБ.
Проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение заключается в расширении полосы пропускания на порядок и снижении уровня затухания на центральной частоте до 0.1 дБ. Кроме того, конструкция фильтра должна быть простой и технологичной.
Указанная проблема решается тем, что заявляемый микроволновый фильтр содержит два сферических резонатора, связанных через отверстие, образованное их пересечением, в центре каждого из которых располагается элемент состоящий из металлической сферы меньшего диаметра и тонкой шайбы по периметру этой сферы, соединенный металлическим штырем с другим аналогичным элементом, а два других индуктивных штыря соединяют указанные внутренние элементы фильтра с внутренними проводниками коаксиальных линий передачи, являющихся элементами связи, причем диаметры всех трех металлических штырей, использованных в конструкции совпадают.
Отличительные признаки являются существенными, так как позволяют решить поставленную задачу и получить технический эффект. Благодаря использованию концентрических сферических резонаторов, обладающих более высокими значениями собственной добротности (до 15000) в фильтре удается возбудить 4 типа колебаний и сформировать амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), соответствующую требованиям широкополосных устройств фильтрации.
Техническим результатом заявляемого изобретения является простота конструкции, надежность, небольшие габариты (максимальный размер для частотного Ка-диапазона 26….40 ГГц не превышает 23 мм без учета элементов связи) и возможность передачи СВЧ-энергии высокого уровня мощности.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом. На фиг. 1 показано продольное сечение фильтра состоящего из внешних сфер 1, внутренних элементов 2, индуктивного штыря 3, цилиндрических соединительных штырей 4 и элементов связи в виде коаксиальных линий 5. На фиг. 2 изображена амплитудно-частотная характеристика исследуемого фильтра, где показана зависимость добротности от частоты.
Резонаторный полосовой СВЧ-фильтр, содержит два резонатора, металлические вставки и элементы связи. Отличительной особенностью является то, что резонаторы выполнены проходными и сферическими, в центре каждого из которых расположена металлическая вставка в виде металлического ядра, которая образована сферой с тонкой металлической шайбой по ее периметру. Оба ядра вдоль центральной оси соединены цилиндрическим соединительным штырем через отверстие сформированное пересечением внешних сфер; элементы связи выполнены в виде стандартных коаксиальных линий передачи, внутренние проводники которых состыкованы с металлическим ядром.
Устройство в работе. На исследуемый фильтр поступает сигнал на элементы связи в виде коаксиальных линий 5. Затем проходя через продольное сечение фильтра состоящего из внешних сфер 1, внутренних элементов 2, индуктивного штыря 3, соединительных штырей 4, на выходе получаем центральную полосу пропускания примерно 27ГГц, тем самым в нужных нам частотах фильтр пропускает сигнал, а в остальных заграждает сигнал. Благодаря этому в фильтре удается возбудить 4 типа колебаний и сформировать амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), соответствующую требованиям широкополосных устройств фильтрации.
1
Примером успешной реализации заявляемого фильтра может служить модель, представленная на фиг.1. Численный анализ данной модели с размерами: D=13 мм, d=4.8 мм, d=10 мм, t=0.5 мм, h=1.3 мм, 2R=3.5 мм, 2r=1.52 мм, проведенный методом конечных элементов показал, что в диапазоне 20…35 ГГц формируется полоса пропускания 30.65% относительно центральной частоты 28.22 ГГц (Фиг. 2), что более чем на порядок выше, чем у прототипа. Уровень затухания на этой частоте не превышает 0.1 дБ, что в три раза лучше, чем у прототипа. Надежность заявляемой конструкции обеспечивается использованием только металлических элементов. Отличительные признаки являются существенными, так как позволяют достичь поставленной задачи и получить технический эффект.