СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФЕРРИТОВЫЙ ФИЛЬТР

Изобретение относится к радиоэлектронике и сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, а именно, к резонаторным электрически перестраиваемым по частоте фильтрам, содержащим в качестве резонаторов намагниченные электромагнитом ферритовые миниатюрные сферические образцы, окруженные витковыми элементами связи (ВЭС).
Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент US 7557678, МПК H01P 1/218, опубликован 07.07.2009), включающий корпус из немагнитного материала, расположенный в зазоре электромагнита, несколько сферических ферритовых резонаторов (ФР), размещенные в резонансных камерах немагнитного корпуса. Ферритовые резонаторы электромагнитно связаны витковыми элементами связи, расположенными в немагнитном корпусе, концы которых припаяны в заглублениях немагнитного корпуса на массу немагнитного корпуса.
В известном СВЧ ферритовом фильтре обеспечивается точность изготовления витков связи и размещения их в резонансных камерах. Однако в известном СВЧ фильтре не решена задача уменьшения потерь в широком диапазоне перестройки и работе в широком интервале температур.
Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент US 4334201, МПК H01P 1/218, опубликован 08.06.1982) содержащий немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, два или более сферических ферритовых резонатора, которые размещены в резонансных камерах немагнитного корпуса. В резонансные камеры через каналы в немагнитным корпусе проведены входной и выходной отрезки линий передачи, центральные проводники которых нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус витковые элементы связи, окружающие сферические ферритовые резонаторы. Сферические ферритовые резонаторы электромагнитно связаны друг с другом с помощью отрезков коаксиальных линий, также содержащих на концах короткозамкнутые ВЭС.
В известном СВЧ ферритовом фильтре возникающие неоднородности СВЧ поля на стыках между витковыми элементами связи и подводящими на входе и выходе линиями передачи компенсируют введением в фильтр дополнительных отрезков линии передачи с волновыми сопротивлениями 50 Ом. Однако этим конструктивным решением исключают не все причины роста потерь в полосе пропускания в широкодиапазонных полосно-пропускающих фильтрах.
Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент US 45008558, МПК H01P 1/218, опубликован 19.02.1985), содержащий немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, сферический ФР, закрепленный на керамическом стержне в резонансной камере немагнитного корпуса. В резонансную камеру через каналы в немагнитным корпусе проведены входной и выходной отрезки линий передачи, центральные проводники которых нагружены через трансформаторы сопротивления на короткозамкнутые на немагнитный корпус витковые элементы связи, ортогонально охватывающие сферический монокристаллический ФР. Известный СВЧ фильтр может содержать несколько сферических ферритовых резонаторов, связанных между собой отрезками линий с короткозамкнутыми ВЭС на концах.
Нагрузка центральных проводников входного и выходного отрезков линий передачи на короткозамкнутые на корпус ВЭС через трансформаторы сопротивления позволяет устранить искажение формы резонансных кривых на краях диапазона перестройки, обусловленное лишь различными частотными зависимостями нагруженных добротностей крайних и средних резонаторов. В известном СВЧ ферритовом фильтре имеются интервалы частот, определяемые используемой намагниченностью ФР, в которых полоса пропускания искажается появлением одного или нескольких узких паразитных резонансов. Это обусловлено возбуждением в ФР высших типов колебаний намагниченности (паразитных резонансов), вырожденных (совпадающих) по частоте с однородной прецессией в этих интервалах частот. Причина возбуждения паразитных резонансов заключается как в неоднородности СВЧ поля ВЭС, близко размещенных к ФР, так и в наличии внутренних неоднородностей (дефектов) в ФР. Отмеченное явление является существенным недостатком известного СВЧ ферритового фильтра, так как приводит к сильным искажениям амплитуды, фазы спектральных составляющих сигнала на выходе фильтра.
Известен сверхвысокочастотный ферритовый фильтр (см. патент RU 128785, МПК H01P 1/00, опубликован 27.05.2013), который содержит немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, по меньшей мере два сферических ферритовых резонатора, закрепленных на теплопроводящих керамических стержнях в резонансных камерах немагнитного корпуса. В две резонансные камеры через первые каналы в немагнитном корпусе проведены соответственно входной и выходной отрезки линий передачи. Центральные проводники входного и выходного отрезков линий передачи нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные витковые элементы связи, охватывающие крайние ферритовые резонаторы. Сферические ферритовые резонаторы электромагнитно связаны друг с другом с помощью двойных витковых элементов связи, короткозамкнутых на немагнитный корпус на свободных концах и соединенных пропущенными через вторые каналы немагнитного корпуса проводниками длиной L<λ/4, где λ - длина волны в рабочем дециметровом, сантиметровом, миллиметровом диапазонах перестройки СВЧ ферритового фильтра. Одинарные и двойные витковые элементы связи попарно ортогонально охватывают сферические ферритовые резонаторы. Перестройку частоты f фильтра осуществляют изменением тока в катушках электромагнита, создающего резонансное поле Н, намагничивающее ферритовые резонаторы, где H=f/γ, γ=2,8 Мгц/Э.
Недостатками этого и других известных фильтров являются потребление значительной электроэнергии на высоких рабочих частотах, (высокая крутизна перестройки частоты S=Δf/ΔI МГц/мА, где I - ток в катушках электромагнита, мА), а также повышенные габариты и масса, что практически не связано существенно с количеством используемых ФР.
Указанные недостатки устраняют включением в эти фильтры постоянных магнитов, создающих намагничивающее резонансное поле на требуемой частоте диапазона перестройки при нулевом токе в катушках управления.
Известен сверхвысокочастотный ферритовый фильтр (см. патент US 4651116,  МПК H01P 1/00, опубликован 17.03.1987), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Сверхвысокочастотный ферритовый фильтр - прототип включает немагнитный корпус, расположенный в зазоре между полюсными наконечниками верхней и нижней частей электромагнита, сферический ферритовый резонатор, закрепленный на теплопроводящем керамическом стержне в резонансной камере немагнитного корпуса, входной и выходной отрезки линии передачи, центральные проводники которых нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные витковые элементы связи. Один полюсной наконечник, содержащий постоянный магнит и торцовой диск из магнитомягкого материала, выполнен подвижным с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Постоянный магнит окружен втулкой из термомагнитного сплава для термокомпенсации. На другом полюсном наконечнике, выполненном из магнитомягкого материала, размещена катушка управления. Перемещение полюсного наконечника, содержащего постоянный магнит с торцовым диском из магнитомягкого материала, для перестройки резонансной частоты осуществляют его вращением в сквозном резьбовом отверстии магнитопровода.
В процессе механической перестройки частоты сверхвысокочастотного ферритового фильтра-прототипа, осуществляемой вращением в резьбовом отверстии магнитопровода полюсного наконечника, содержащего постоянный магнит, проявляется такие его недостатки, как изменение и ухудшение параметров фильтра: потерь пропускания α, ширины полосы пропускания 2Δf, неравномерности потерь в полосе пропускания Δα, определяемых амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Изменение и ухудшение параметров сверхвысокочастотного ферритового фильтра при механической перестройке частоты возрастает с увеличением числа ферритовых резонаторов. Это объясняется тем, что при вращении по резьбе даже с мелким шагом обязательно происходит перекос плоскости полюсного наконечника относительно плоскости размещения ферритовых резонаторов в резонансных камерах немагнитного корпуса сверхвысокочастотного ферритового фильтра. Появляющийся перекос нарушает настройку частот ФР относительно частоты сигнала и друг друга.
Задачей настоящей полезной модели является разработка такого сверхвысокочастотного ферритового фильтра, в котором бы обеспечивалась высокое качество электрических параметров при механической перестройке частоты в широких пределах.
Поставленная задача решается тем, что сверхвысокочастотный ферритовый фильтр, включающий немагнитный корпус, расположенный в зазоре между полюсными наконечниками верхней и нижней частей электромагнита, по меньшей мере один сферический ферритовый резонатор, закрепленный на теплопроводящем керамическом стержне в резонансной камере немагнитного корпуса, входной и выходной отрезки линии передачи, центральные проводники которых нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные витковые элементы связи. Один неподвижный полюсной наконечник содержит первый постоянный магнит и торцовой диск из магнитомягкого материала. По меньшей мере один полюсной наконечник снабжен катушкой управления. В неподвижном полюсном наконечнике с первым постоянным магнитом по оси наконечника выполнен сквозной канал в виде круглого цилиндрического отверстия с резьбовыми стенками, проходящий до первого постоянного магнита, в котором размещен с возможностью возвратно-поступательного перемещения второй постоянный магнит, закрепленный на снабженном резьбой цилиндре из магнитомягкого материала.
Сверхвысокочастотный ферритовый фильтр может включать по меньшей мере два сферических монокристаллических ферритовых резонатора, электромагнитно связанных между собой двойными витковыми элементами связи, короткозамкнутыми на немагнитный корпус на свободных концах и соединенных пропущенными через каналы немагнитного корпуса проводниками длиной L<λ/4, где λ - длина волны в рабочем диапазоне перестройки фильтра, см.
Первый и второй постоянные магниты в сверхвысокочастотном ферритовом фильтре могут быть намагничены в одинаковом направлении и выполнены из одного и того же магнитожесткого материала, например, из сплава на основе соединения самария с кобальтом, или неодима-железа-бора. В этом варианте намагничивания сближение первого и второго постоянных магнитов приводит к возрастанию магнитного поля в зазоре магнитной системы, а, следовательно, к увеличению резонансной частоты сверхвысокочастотного ферритового фильтра, так как магнитные поля первого и второго постоянных магнитов суммируются. Удаление первого и второго постоянных магнитов друг от друга путем вывинчивания подвижного второго постоянного магнита, прикрепленного к снабженному резьбой цилиндру из магнитомягкого материала, в резьбовом круглом цилиндрическом канале неподвижного полюсного наконечника уменьшает магнитное поле в зазоре магнитной системы, а, следовательно, уменьшает резонансную частоту фильтра. Для обеспечения термостабилизации параметров сверхвысокочастотного ферритового фильтра в интервале рабочих температур на неподвижном первом постоянном магните может быть установлена шунтирующая втулка из термомагнитного сплава.
Первый и второй постоянные магниты в сверхвысокочастотном ферритовом фильтре могут быть намагничены в противоположных направлениях, выполнены из разных магнитожестких материалов, при этом второй подвижный постоянный магнит имеет точку Кюри более низкую, чем первый постоянный магнит, выполняя функцию термошунта. Перемещение подвижного второго постоянного магнита относительно неподвижного первого постоянного магнита вызывает перестройку частоты сверхвысокочастотного ферритового фильтра в направлениях, противоположных первому варианту.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 представлен вид сверху на первый вариант настоящего СВЧ ферритового фильтра, показанного для большей наглядности без верхней части электромагнита;
на фиг. 2 показан вид сбоку на настоящий СВЧ ферритовый фильтр, изображенный на фиг. 1, с разрезом электромагнита по продольной оси и вырезом немагнитного корпуса в области ФР;
на фиг. 3 приведен вид сверху на второй вариант настоящего СВЧ ферритового фильтра, показанного для большей наглядности без верхней части электромагнита;
на фиг. 4 показан вид сбоку на настоящий СВЧ ферритовый фильтр, изображенный на фиг. 3, с разрезом электромагнита по продольной оси и вырезом немагнитного корпуса в области ФР;
на фиг. 5 в таблице приведены параметры опытных образцов настоящего СВЧ ферритового фильтра.
Первый вариант настоящего СВЧ ферритового фильтра (см. фиг. 1, фиг. 2) содержит немагнитный корпус 1, расположенный в зазоре электромагнита 2, сферический монокристаллический ферритовый резонатор 3, выполненный в виде миниатюрной полированной сферы, закрепленный на теплопроводящем керамическом стержне 4 в резонансной камере 5 немагнитного корпуса 1. В резонансную камеру 5 через первые каналы 6, 7 в немагнитном корпусе 1 проведены соответственно входной отрезок 8 и выходной отрезок 9 линий передачи. Центральный проводник 10 входного отрезка 8 линии передачи нагружен на одинарный витковый элемент 11 связи, а центральный проводник 12 выходного отрезка 9 линии передачи - на одинарный витковый элемент 13 связи. Одинарные витковые элементы 11, 13 связи ортогонально охватывают сферический монокристаллический ферритовый резонатор 3 и короткозамкнуты на немагнитный корпус 1. Сферический монокристаллический ферритовый резонатор 3 намагничивается полем Н, перпендикулярным плоскости фиг.1, создаваемым электромагнитом 2. Для повышения температурной стабильности параметров СВЧ ферритового фильтра теплопроводящий керамический стержень 4 пропущен через радиатор 15, на котором размещен терморезистор 16, подключаемый к источнику питания 24±3 В (на чертеже не показан). Одна часть 17 электромагнита 2 включает полюсной наконечник 18, а другая часть 19 электромагнита 2 включает полюсной наконечник 20 (см. фиг. 2). Полюсной наконечник 18 содержит первый постоянный магнит 21 и торцовый диск 22 из магнитомягкого материала. В полюсном наконечнике 18 по его оси выполнен сквозной канал 23 в виде круглого цилиндрического отверстия с резьбовыми стенками 24, проходящий до первого постоянного магнита 21. В сквозном канале 23 размещен с возможностью возвратно-поступательного перемещения второй постоянный магнит 25, закрепленный на снабженном резьбой цилиндре 26 из магнитомягкого материала, снабженном шлицом 27. Полюсные наконечники 18, 20 снабжены катушками управления 28.
Второй вариант настоящего СВЧ ферритового фильтра (см. фиг. 3) содержит немагнитный корпус 29, расположенный в зазоре электромагнита 30, три сферических монокристаллических ферритовых резонатора 3, в виде миниатюрных полированных сфер. Сферические ферритовые резонаторы 3 закреплены на теплопроводящих керамических стержнях 4 соответственно в резонансных камерах 31, 32, 33 немагнитного корпуса 29. В резонансную камеру 32 через первый канал 34 в немагнитном корпусе 29 проведен входной отрезок 8 линии передачи. В резонансную камеру 33 через первый канал 35 в немагнитном корпусе 29 проведен выходной отрезок 9 линии передачи. Центральный проводник 10 входного отрезка 8 линии передачи нагружен на короткозамкнутый на немагнитный корпус 29 одинарный витковый элемент 11 связи, а центральный проводник 12 выходного отрезка 9 линии передачи нагружен на короткозамкнутый на немагнитный корпус 29 одинарный витковый элемент 13 связи. Сферические монокристаллические ферритовые резонаторы 3 электромагнитно связаны последовательно друг с другом с помощью короткозамкнутых на свободных концах на немагнитный корпус 29 двойных витковых элементов связи 36, 37, 38, 39, соединенных проводниками 40, 41 малой длины L (L<λ/4, λ - длина волны в рабочем дециметром, сантиметровом, миллиметровом диапазонах перестройки фильтра), проходящих через вторые каналы 42, 43 соответственно между камерами 31, 32 и между камерами 31, 33. При этом двойные витковые элементы связи 36, 37, 38, 39 вместе с одинарными витковыми элементами связи 11, 13 охватывают ФР под углом 90°, что обеспечивает минимальное прохождение сигнала вне полосы пропускания. Сферические ферритовые резонаторы 3 намагничивают полем Η перпендикулярным плоскости фиг.3, создаваемым электромагнитом 30. Для повышения температурной стабильности параметров СВЧ ферритового фильтра теплопроводящие керамические стержни 4 пропущены через, радиаторы 15, на которых размещены терморезисторы 16, подключенные к источнику питания 24±3 В (на чертеже не показан). Одна часть 44 электромагнита 30 включает полюсной наконечник 45, а другая часть 46 электромагнита 30 включает полюсной наконечник 47 (см. фиг. 4). Полюсной наконечник 45 содержит первый постоянный магнит 48 и торцовый диск 49 из магнитомягкого материала. В полюсном наконечнике 45 по его оси выполнен сквозной канал 50 в виде круглого цилиндра с резьбовыми стенками 51, проходящий до первого постоянного магнита 48. В сквозном канале 50 размещен с возможностью возвратно-поступательного перемещения второй постоянный магнит 52, закрепленный на снабженном резьбой цилиндре 53 из магнитомягкого материала, снабженном шлицом 54. Полюсной наконечник 47 снабжен катушкой управления 55.
Сферические монокристаллические ферритовые резонаторы 3 с помощью вращения теплопроводящих керамических стержней 4 ориентированы в процессе настройки СВЧ ферритового фильтра в изотропных направлениях (по так называемой «тепловой оси»), при этом выбирают такие направления из четырех возможных, в которых уровень паразитных резонансов в полосе пропускания на частотах их появления был минимальным. Первый и второй постоянные магниты 21, 25 в первом варианте выполнения СВЧ ферритового фильтра и первый и второй постоянные магниты 48, 52 во втором варианте выполнения СВЧ ферритового фильтра могут быть намагничены в одинаковом направлении и выполнены из одного и того же магнитожесткого материала, например, из сплава на основе соединения самария с кобальтом, или неодима с железом и бором. Первый и второй постоянные магниты 21, 25 в первом варианте выполнения с СВЧ ферритового фильтра и первый и второй постоянные магниты 48, 52 во втором варианте выполнения СВЧ ферритового фильтра могут быть намагничены в противоположных направлениях, выполнены из разных магнитожестких материалов, при этом второй подвижный постоянный магнит 25, 52 имеет точку Кюри более низкую, чем первый постоянный магнит 21, 48, выполняя функцию термостабилизации. Настройку фильтров в первом и втором случаях осуществляют ориентацией ферритовых резонаторов в изотропном направлении и совмещением их резонансных частот друг с другом и частотой сигнала.
В настоящем СВЧ ферритовом фильтре механическая перестройка резонансной частоты обеспечивается в широких пределах, как показали проведенные испытания. При этом ухудшения параметров многорезонаторного СВЧ ферритового фильтра в диапазоне частот механической перестройки не происходит, так как плоскости полюсных наконечников электромагнита остаются неподвижными и параллельными плоскости размещения ФР в немагнитном корпусе.
Были изготовлены опытные образцы четырехрезонаторных (четырехзвенных) фильтров в сантиметровом диапазоне длин волн с постоянными магнитами. Параметры фильтров с постоянными магнитами, в сравнении с характеристиками фильтров с электромагнитом без постоянных магнитов, приведены в таблице на фиг. 5.