ВОЛНОВОДНЫЙ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ СВЧ-ФИЛЬТР

Полезная модель относится к области радиотехники, а именно к СВЧ волноводным частотно-селективным устройствам и может быть использована в узкополосных фильтрах, работающих в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн.
Узкополосные фильтры находят широкое применение в СВЧ генераторах, преселекторах СВЧ приемников, измерительной аппаратуре, в частности в радиолокации и радиопеленгации, а также при решении задач электромагнитной совместимости.
В волноводных СВЧ фильтрах часто используются плоско-поперечные неоднородности для формирования резонаторов и согласующих элементов. Наиболее популярными среди них являются тонкие металлические диафрагмы, которые размещаются перпендикулярно продольной оси волновода и частично перекрывают его поперечное сечение, и стыки двух волноводов различного поперечного сечения и/или диэлектрического заполнения, в которых плоскость стыка также перпендикулярна продольной оси волновода. Две последовательно расположенных плоско-поперечных неоднородности формируют объемный резонатор, требуемые характеристики которого обычно рассчитываются по фильтрам-прототипам с применением аппроксимаций Чебышева или Баттерворта (Д.Л. Маттей, Л. Янг, Е.М. Джонс «Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, т. 1» // М.: изд-во «Связь», - 1970, с. 77-99) [1]. Соединение резонаторов в фильтре осуществляется, как правило, через инверторы сопротивлений, которые создаются либо четвертьволновым участком волновода (для фильтров с диафрагмами), либо участком запредельного волновода (для фильтров со стыками волноводов). Запредельным называется волновод, для которого рабочая частота лежит ниже критической частоты, т.е. минимальной частоты, с которой начинается распространение волны в волноводе. В запредельном режиме волна в волноводе является затухающей.
В настоящее время известны волноводные фильтры на тонких металлических плоско-поперечных диафрагмах (Д.Л. Маттей, Л. Янг, Е.М. Джонс «Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, т. 1» // М.: изд-во «Связь», 1970, с. 382-389, 403-407) [1]. Применение диафрагм позволяет создавать резонаторы с достаточно высокой добротностью и формировать фильтры с узкой полосой пропускания порядка 1-2%.
Однако, этот тип полосно-пропускающих фильтров не позволяет обеспечивать широкую полосу заграждения и высокий уровень затухания в ней. Это обусловлено тем, что данная структура не осуществляет эффективную фильтрацию гармоник основной и высших типов волн и поэтому характерными значениями для полосы заграждения являются ширина порядка 20-40% и уровень затухания порядка 40-50 дБ. Более того, поскольку в структуре фильтра используется волновод того же поперечного сечения, что и на входе, и за счет применения четвертьволновых согласующих участков общая продольная длина фильтра оказывается более нескольких длин волн.
Некоторое уменьшение продольного размера фильтра на диафрагмах возможно при разделении прямоугольного волновода продольной металлической перегородкой на два волновода половинной высоты, в каждом из которых размещаются диафрагмы с некоторым относительным смещением (RU 2357334, МПК H01P 1/20, дата публикации 27.05.2009) [2]. При этом физические ограничения на ширину полосы заграждения и уровень затухания в ней сохраняются.
Фильтры, в которых в качестве резонаторов используются участки волноводов, частично или полностью заполненные диэлектриком, описаны в патентах (RU 2040080, МПК H01P 1/207, дата публикации 20.07.1995) [3], (RU 2397579, МПК H01P 1/20, H01P 7/10, дата публикации 20.08.2010) [4]. В качестве инверторов сопротивлений использованы запредельные прямоугольные волноводы. Основным недостатком использования диэлектрических резонаторов в структуре полосно-пропускающего фильтра является в первую очередь наличие потерь в полосе пропускания, обусловленных собственными потерями диэлектрика. Более того, конструктивная реализация таких фильтров значительно сложнее, чем фильтров с воздушным заполнением.
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого технического решения, является полосно-пропускающий волноводный фильтр (US 4675631, МПК H01P 1/219, H01P 1/208, H01P 7/06, дата публикации 23.07.1987) [5], включающий чередование секций на гребневом волноводе и запредельном волноводе. Каждая секция гребневого волновода формирует объемный резонатор и содержит прямоугольный волновод с одним прямоугольным гребнем, расположенным в центре его широкой стенки. Длина резонаторов составляет половину длины волны волновода на центральной рабочей частоте. Каждая резонансная секция содержит также настроечный винтовой элемент, обеспечивающий подстройку центральной частоты резонаторов. Секции запредельного прямоугольного волновода обеспечивают реактивное согласование и позволяют строить фильтр с малыми потерями, обладающий широкой полосой заграждения и обеспечивающий подавление сигнала, в том числе, и на гармониках частот полосы пропускания.
Однако, несмотря на существенное расширение полосы заграждения, уровень затухания L в ней остается достаточно малым:
Кроме того, в прототипе технически сложно реализовать узкополосные фильтры, поскольку добротность получаемых резонаторов оказывается невелика. Для достижения высоких добротностей необходимо существенно увеличивать длину отрезков запредельных волноводов, сводя тем самым на нет преимущество малого продольного размера такого фильтра.
Техническим результатом настоящей полезной модели является увеличение уровня затухания в полосе заграждения и повышение добротности без увеличения продольного размера фильтра.
Указанный технический результат достигается тем, что волноводный полосно-пропускающий СВЧ-фильтр содержит входной и выходной прямоугольные волноводы, имеющие торцевое соединение с запредельным волноводом меньшего сечения, внутри которого на его широкой стенке закреплены три гребня, образующие объемные резонаторы.
в
в
Согласно полезной модели гребни имеют L-образную форму, и каждая секция волновода имеет длину λ/4, где λ - рабочая длина волны в волноводе.
Конструкция устройства поясняется фигурами чертежей (все размеры даны в мм).
На фиг. 1 представлено трехмерное изображение полосно-пропускающего фильтра.
На фиг. 2 представлены продольные сечения полосно-пропускающего фильтра в двух плоскостях.
На фиг. 3 представлено поперечное сечение прямоугольного волновода с L-образным гребнем.
11
21
На фиг. 4 представлен график зависимости S-параметров в дБ полосно-пропускающего фильтра от частоты в ГГц S, дБ=f(f, ГГц), где S - коэффициент отражения (сплошная линия), S - коэффициент прохождения (пунктирная линия).
Волноводный полосно-пропускающий СВЧ-фильтр (фиг. 1, фиг. 2) содержит входной прямоугольный волновод 1 и выходной прямоугольный волновод 2, имеющие торцевое соединение с запредельным прямоугольным волноводом 3 меньшего поперечного сечения, внутри которого установлены три секции с L-образным гребнем каждая, образующие объемные резонаторы 4, 5, 6.
Радиосигнал, имеющий в своем частотном спектре как полезные, так и паразитные составляющие, поступает на вход полосно-пропускающего фильтра через входной прямоугольный волновод 1 и через согласующие участки запредельного волновода 3 последовательно проходит через три резонатора 4, 5, 6, образованные прямоугольным волноводом с L-образным гребнем, каждый из которых, путем подбора своей длины, настроен на соответствующие резонансные частоты, формирующие полосу пропускания фильтра. При этом из соображений симметрии резонаторы 4 и 6 имеют одинаковую длину, а резонатор 5 имеет длину почти в два раза больше. Длина объемных резонаторов рассчитана по формуле:
g
i-1,i
i,i+1
где λ - длина волны в прямоугольном волноводе с L-образным гребнем, φ и φ - Фазовые сдвиги, создаваемые участками запредельных волноводов между соответственно (i-1)-м и i-м резонаторами, и i-м и (i+1)-м резонаторами. Данные фазовые сдвиги, а также длины участков запредельного волновода рассчитываются из коэффициентов связи для инверторов сопротивлений, которые определяются по формулам (i - порядковый номер резонатора):
;
0
1
2 …
N+1
где g, g, gg - табличные значения коэффициентов Чебышевской аппроксимации (Д.Л. Маттей, Л. Янг, Е.М. Джонс «Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, т. 1» // М.: изд-во «Связь», 1970, с. 393-400) [1], δω - относительная ширина полосы пропускания.
Т.о. полезные спектральные компоненты сигнала, имеющие резонансные частоты, проходят через фильтр на выход 2, а остальные отражаются на вход устройства.
Поскольку критическая частота L-гребневого волновода существенно ниже, чем у прямоугольного, то непосредственно селективный участок структуры будет иметь почти в три раза меньшие поперечные размеры.
На основании расчетов, выполненных с помощью электродинамических программ с высокой точностью соответствия (А.А. Гадзиева, Г.Ф. Заргано, В.В. Земляков «Особенности электродинамического синтеза полосно-пропускающих фильтров на волноводах сложного сечения» // Известия ВУЗов, «Физика», 2012, т. 55, №9/2, с. 53-55) [6], на фиг. 4 представлена зависимость модулей S-параметров полосно-пропускающего фильтра от частоты (АЧХ фильтра). Характерной особенностью применения в структуре фильтра L-гребневого волновода является то, что, резонатор на его основе обладает не только классическим резонансом, но и антирезонансом, попадающим как раз в полосу запирания, благодаря чему удается получить в полосе запирания рекордно низкие для волноводных фильтров уровни затухания.
0
0
Как следует из фиг. 4, данный фильтр является узкополосным с полосой пропускания - 1.0%. Причем во всей рабочей полосе одномодового режима волновода паразитные полосы пропускания полностью отсутствуют. Уровень затухания в полосе заграждения составляет более 100 дБ. При этом относительная длина полученного фильтра составила всего L/λ=0.7, т.е. менее одной длины волны (λ - центральная длина волны полосы пропускания фильтра).
Источники информации
1. Д.Л. Маттей, Л. Янг, Е.М. Джонс «Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, т. 1» // М: изд-во «Связь», 1970, 440 с.
2. RU 2357334, МПК H01P 1/20, дата публикации 27.05.2009
3. RU 2040080, МПК H01P 1/207, дата публикации 20.07.1995
4. RU 2397579, МПК H01P 1/20, H01P 7/10, дата публикации 20.08.2010
5. US 4675631, МПК H01P 1/219, H01P 1/208, H01P 7/06, дата публикации 23. 07.1987 - прототип.
6. А.А. Гадзиева, Г.Ф. Заргано, В.В. Земляков «Особенности электродинамического синтеза полосно-пропускающих фильтров на волноводах сложного сечения» // Известия ВУЗов, «Физика», 2012, т. 55, №9/2, с. 53-55