ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ СВЧ-ФИЛЬТР
BAND-PASS MICROWAVE FILTER

Изобретение относится к области СВЧ-техники и может быть использовано в передающих устройствах для фильтрации СВЧ-сигналов с повышенным уровнем проходящей средней мощности.
Известен полосно-пропускающий СВЧ-фильтр (ППФ) на встречных стержнях [Адрианов А.В., Зикий А.Н. Моделирование и экспериментальное исследование узкополосного фильтра на встречных стержнях // Инженерный вестник Дона, 2018. вып.3, - 44 с. ], выбранный за аналог.
Конструктивно ППФ на встречных стержнях (фиг. 1) представляет собой четвертьволновые металлические штыри круглого сечения (поз. 1 на фиг. 1), размещаемые в металлическом корпусе (поз. 2 на фиг. 1), закрепленные одним концом к боковым стенкам металлического корпуса. Связь с внешними устройствами обеспечивают штыри связи (поз. 3 на фиг. 1). Внутренняя поверхность корпуса и металлические штыри покрываются металлом с высокой проводимостью (например, серебром). Настройка фильтра проводится с помощью винтов (поз. 4 на фиг. 1). Конструкция ППФ обеспечивает высокие значения электрических характеристик ППФ: широкий диапазон полос пропускания, повышенный уровень импульсной и средней мощности.
Данный ППФ имеет следующие недостатки:
- низкие массо-габаритные характеристики;
- низкую стойкость к механическим воздействиям.
Первый недостаток обусловлен использованием четвертьволновых резонаторов на встречных стержнях, оси которых ориентированы параллельно друг другу и расположенных на расстояниях, необходимых для связи резонаторов.
Второй недостаток обусловлен креплением стержней внутри корпуса к боковым стенкам, что может приводить к изменению параметров при вибрациях или разрушению при ударах.
Известен ППФ на дисковых диэлектрических резонаторах, выполненных из керамического материала [Диэлектрические резонаторы / Под ред. М.Е. Ильченко. - М.: Радио и связь, 1989. - 224 с.], выбранный за аналог.
Конструктивно ППФ (фиг. 2) представляет собой установленные в экранированном корпусе (поз. 5 на фиг. 2) на диэлектрических подставках (поз. 6 на фиг. 2) дисковые диэлектрические резонаторы (поз. 7 на фиг. 2), связь между которыми обеспечивается по электромагнитному полю, а с внешними устройствами - штыревыми возбудителями (поз. 8 на фиг. 2). Настройка фильтра проводится с помощью винтов (поз. 4 на фиг. 2). Наличие элементов связи обеспечивает требуемые для электрической прочности расстояния и позволяет пропускать СВЧ-сигналы с импульсной мощностью не менее 100 Вт.
Устройство имеет следующие недостатки:
- низкая стойкость к механическим воздействиям;
- наличие паразитных полос пропускания вблизи основной частоты;
- низкие массогабаритные характеристики.
01δ
Приведенные выше недостатки обусловлены применением в качестве колебательных систем, работающих на низшем типе колебаний Н, дисковых диэлектрических резонаторов, диаметр которых сопоставим с  длины волны в диэлектрике, способом крепления дисковых диэлектрических резонаторов и необходимостью размещения всех элементов устройства в экранированном объеме с заданными расстояниями токопроводящих стенок корпуса до дисковых диэлектрических резонаторов и штыревых возбудителей.
Известен ППФ [Антенны и функциональные узлы СВЧ- и КВЧ-диапазонов. Методы расчета и технология изготовления / Под ред. А.Ю. Седакова. - М.: Радиотехника, 2011. - 101 с.] на четвертьволновых коаксиальных керамических резонаторах квадратного сечения выбранный за аналог.
Конструктивно ППФ (фиг. 3) представляет собой размещаемые на металлическом основании (поз. 9 на фиг. 3) четвертьволновые коаксиальные керамические резонаторы квадратного сечения (поз. 10 на фиг. 3) и согласующую плату (поз. 11 на фиг. 3), на которой конденсаторы связи между смежными коаксиальными керамическими резонаторами и связи крайних из них с внешними устройствами выполнены в виде зазоров между контактными площадками, к которым припаяны внутренние проводники коаксиальных керамических резонаторов.
Особенностью ППФ данной конструкции является возможность использования коаксиальных керамических резонаторов, изготовленных из различных керамических материалов для улучшения электрических характеристик. ППФ обладает стойкостью к механическим воздействиям, удобством регулировки, а также малыми габаритами и массой.
ППФ имеет следующие недостатки:
- наличие большого уровня радиационных потерь;
- большое количество комплектующих деталей;
- низкая технологичность изготовления и сборки;
- низкий уровень пропускаемой мощности (не более 1 Вт).
Первый недостаток обусловлен излучением СВЧ-мощности с открытого конца резонаторов и ленточными перемычками (поз. 12 на фиг. 3), соединяющими внутренние проводники резонаторов с контактными площадками на согласующей плате.
Второй недостаток обусловлен конструкцией, в которой, кроме резонаторов, используются основание, согласующая плата и ленточные перемычки.
Третий недостаток обусловлен необходимостью применения фотолитографии при изготовлении согласующей платы и пайки ленточных перемычек к внутренним проводникам резонаторов.
Четвертый недостаток обусловлен низким пробивным напряжением конденсаторов связи на согласующей плате, выполненных в виде зазоров между контактными площадками, к которым припаяны внутренние проводники резонаторов и внешние устройства.
Известен ППФ [Патент на изобретение 2619363 РФ МПК Н01Р 1/219 (2006.01).Полосно-пропускающий СВЧ-фильтр / Шишкин Д.Р., Кунилов А.Л., Балобанов Е.С., Ивойлова М.М. - №2016129322; Заявл. 18.07.16; Опубл. 15.05.17, Бюл. №14.] на четвертьволновых коаксиальных керамических резонаторах квадратного сечения, выбранный за прототип.
Конструктивно ППФ (фиг. 4) представляет собой установленные на металлическое основание (поз. 9 на фиг. 4) и гальванически соединенные между собой боковыми поверхностями (поз. 13 на фиг. 4) четвертьволновые резонаторы, изготовленные на основе коаксиальных керамических линий квадратного сечения (поз. 14 на фиг. 4). Каждый резонатор и емкости связи его с другим резонатором или внешним устройством изготовлены как один конструктивный элемент, при этом емкости связи отделены от резонатора зазором в металлизации внешней поверхности коаксиальной керамической линии (поз. 15 на фиг. 4) и выполнены в виде керамических конденсаторов. Обкладками конденсаторов являются внутренний проводник и боковые поверхности отрезка коаксиальной керамической линии от зазора до открытого торца коаксиальной керамической линии, причем на горизонтальных поверхностях этого отрезка коаксиальной керамической линии отсутствует металлизация.
ППФ обладает малыми габаритами и массой, высокой пропускаемой импульсной СВЧ-мощностью, низкими потерями в полосе пропускания, обусловленными отсутствием излучения открытого конца резонатора и ленточных перемычек.
ППФ имеет следующие недостатки:
- низкий уровень средней пропускаемой мощности;
- отсутствие визуального контроля места гальванического соединения керамических коаксиальных резонаторов;
- отсутствие возможности регулировки связи между резонаторами фильтра в месте их соединения;
- необходимость применения бормашины для регулировки частоты и связи резонаторов (поз. 16, 17, 18 на фиг. 4);
- недостаточная механическая прочность при ударах.
Первый недостаток обусловлен недостаточным отводом тепла, выделяемого в резонаторах, что приводит к тепловому пробою в последних.
Второй, третий и четвертый недостатки обусловлены квадратной формой сечения коаксиальных керамических линий, что приводит к сложности доступа к местам соединения резонаторов между собой и емкостей связи резонаторов.
Пятый недостаток обусловлен креплением коаксиальных керамических резонаторов квадратного сечения между собой только пайкой, качество которого затруднено по причине сложности доступа к местам соединения.
Техническим результатом предложенного изобретения является создание малогабаритного полосно-пропускающего фильтра с повышенным уровнем проходящей средней мощности, лучшими прочностными характеристиками, технологичного в сборке и регулировке.
Технический результат достигается тем, что в полосно-пропускающем СВЧ-фильтре, содержащем гальванически соединенные между собой боковыми поверхностями четвертьволновые резонаторы, изготовленные на основе коаксиальных керамических линий, каждый резонатор и емкости связи которого с другим резонатором или внешним устройством изготовлены как один конструктивный элемент, при этом емкости связи отделены от резонатора зазором в металлизации внешней поверхности коаксиальной керамической линии и выполнены в виде керамических конденсаторов, обкладками которых являются внутренние проводники и внешние поверхности отрезка коаксиальной керамической линии от зазора до открытого торца коаксиальной керамической линии, причем четвертьволновые резонаторы изготовлены на основе коаксиальных керамических линий круглого сечения, помещены в изготовленный из металла с высоким значением коэффициента теплопроводности корпус в форме параллелепипеда с глухими отверстиями круглой формы диаметром, равным диаметру внешнего проводника резонатора, с штырем круглого сечения в центре каждого из них диаметром, равным диаметру внутреннего проводника резонатора, длиной равной длине коаксиальных керамических линий. Боковые поверхности и внутренние проводники четвертьволновых резонаторов гальванически соединены с корпусом. В открытые концы коаксиальных керамических линий встык с металлическими штырями корпуса установлены диэлектрические стержни с металлизацией на горцах, изготовленные из материала с высоким коэффициентом теплопроводности диаметром, равным диаметру внутреннего проводника коаксиальной керамической линии. Корпус установлен на горизонтальную поверхность основания, выполненного в виде уголка, к вертикальной поверхности которого прикреплены торцевые части диэлектрических стержней.
Кроме того длина диэлектрических стержней определена из величины мощности, при которой происходит тепловой пробой диэлектрика.
Кроме того на боковые поверхности корпуса могут быть установлены радиаторы.
Кроме того для регулировки связи резонаторов на краях внешней металлизации конденсаторов связи выполнены дополнительные контактные площадки.
Кроме того для регулировки частоты выполнены контактные площадки у края внешней металлизации у открытого конца резонатора.
Аналоги ППФ поясняют фигуры 1-3.
На фиг. 1 приведена конструкция ППФ на встречных стержнях для первого аналога, где показаны: 1 - металлический стержень круглого сечения; 2 - корпус ППФ; 3 - элемент связи с внешним устройством; 4 - регулирующий винт.
На фиг. 2 приведена конструкция ППФ на основе дисковых диэлектрических резонаторов для второго аналога, где показаны: 5 - корпус ППФ; 6 - диэлектрическая подставка; 7 - дисковый диэлектрический резонатор; 8 - штыревой возбудитель.
На фиг. 3 приведена конструкция ППФ для третьего аналога, где показаны: 9 - металлическое основание; 10 - четвертьволновый коаксиальный керамический резонатор квадратного сечения; 11 - согласующая плата с емкостями связи; 12 - ленточная перемычка.
На фиг. 4 приведена конструкция ППФ для прототипа, где показаны: 9 - металлическое основание; 13 - место пайки; 14 - коаксиальный керамический резонатор квадратного сечения; 15 - зазор в металлизации внешнего проводника; 16 - места выборки металлизации при регулировке частоты; 17 - места выборки металлизации при регулировке связи с внешними устройствами; 18 - места выборки металлизации при регулировке связи между резонаторами.
Предлагаемый ППФ поясняют фиг. 5 и фиг. 6.
На фиг. 5 приведена предлагаемая конструкция ППФ.
На фиг. 5(a) приведена конструкция резонатора ППФ до установки в корпус и диэлектрических стержней, где показаны: 15 - зазор в металлизации внешнего проводника; 19 - коаксиальный керамический резонатор круглого сечения; 20 - дополнительные контактные площадки для регулировки частоты; 21 - дополнительные контактные площадки для регулировки емкости связи.
На фиг. 5(б) приведен вид предлагаемой конструкции ППФ с корпусом до установки диэлектрических стержней, где показаны: 13 - место пайки; 20 - дополнительные контактные площадки для регулировки частоты; 21 - дополнительные контактные площадки для регулировки емкости связи; 22 - корпус ППФ.
На фиг. 5(в) приведен вид центрального сечения предлагаемой конструкции ППФ с корпусом до установки диэлектрических стержней, где показаны: 22 - корпус ППФ; 23 - емкости связи резонаторов с внешними устройствами; 24 - емкости связи резонаторов между собой; 25 - диэлектрик; 26 - штыри корпуса круглого сечения.
На фиг. 5(г) приведен боковой вид предлагаемой конструкции ППФ с основанием, где показаны: 27 - диэлектрические стержни круглого сечения с металлизацией на торцах; 28 - металлическое основание.
На фиг. 6 приведена эквивалентная схема для предлагаемого ППФ. На фиг.  6 показаны: Z1, Z2 - резонаторы; С1, С3 - конденсаторы связи с внешними устройствами; С2 - конденсатор связи резонаторов между собой.
Процесс сборки ППФ осуществляются в следующей последовательности.
1. Изготовление коаксиальных керамических линий с формированием резонансной части длиной соответствующей 1Л длины волны в керамическом материале, емкостей связи резонаторов и дополнительных контактных площадок для регулировки емкостей связи и частоты (фиг. 3 (а)).
2. Пайкой соединяются боковые поверхности соседних резонаторов и конденсаторов связи между резонаторами.
3. Изготовление корпуса из металла с высоким значением коэффициента теплопроводности, который выполнен в форме параллелепипеда с глухими отверстиями круглой формы с штырями круглого сечения в центре каждого из отверстия. Диаметр отверстия равен диаметру внешнего проводника резонатора. Диаметр штырей равен диаметру внутреннего проводника резонатора, длина штырей равна длине коаксиальных керамических линий.
4. Происходит установка резонаторов в корпус (фиг. 5 (б)).
5. Встык к металлическим штырям корпуса устанавливаются диэлектрические стержни, изготовленные из материала с высоким коэффициентом теплопроводности.
6. Происходит установка на основание, выполненное в виде уголка, на горизонтальную поверхность которого устанавливается корпус, при этом к вертикальной поверхности основания прикрепляются торцевые части диэлектрических стержней (фиг. 5 (г)).
7. При необходимости дополнительного отвода тепла в окружающее пространство на боковые части корпуса устанавливаются радиаторы.
Устройство работает следующим образом.
При прохождении СВЧ-мощности через фильтр в коаксиальных резонаторах выделяется мощность, вызванная проводимостью металлического покрытия и тепловыми потерями в диэлектрике, обусловленными тангенсом угла диэлектрических потерь. Электротепловой пробой обусловлен нагревом диэлектрика, связан с условиями охлаждения материала, температурой окружающей среды и с нагревостойкостью материала [Привалов Е.Е. Основы электроматериаловедения: учебное пособие - Москва, Директ-Медиа, 2017. - 160 с.]. Максимальное значение температуры резонатора наблюдается вблизи его внутреннего проводника, и постепенно убывает при приближении к внешнему проводнику [Семенов Н.А. Техническая электродинамика. Учебное пособие для вузов. М., «Связь», 1973. - 242 с.]. Наличие теплового контакта внешней и внутренней поверхности коаксиальной керамической линии с корпусом значительно улучшает отведение тепла в окружающее пространство, обеспечивая повышенный уровень проходящей средней мощности, причем основная часть отведения тепла от внутреннего проводника обеспечивается использованием корпуса со штырями (поз. 26 на фиг. 5(в)).
Введение со стороны открытых концов коаксиальных керамических линий диэлектрических стержней (поз. 27 на фиг. 5(г)), изготовленных из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, также обеспечивает отведение тепла от внутренней поверхности, уменьшая при этом градиент температур по длине ППФ. Металлизация торцевых частей диэлектрического стержня обеспечивает гальванический и тепловой контакт с основанием и металлическим стержнем корпуса. Длина диэлектрического стержня определяется из величины напряжения теплового пробоя и исходя из требований к габаритам ППФ. Пробивное напряжение будет выше, если диэлектрик будет толще, условия теплоотвода лучше, частота ниже, а диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь меньше [Привалов Е.Е. Основы электроматериаловедения: учебное пособие - Москва, Директ-Медиа, 2017. - 160 с.]. Напряжение пробоя находится по формуле:
где
5
k - числовой коэффициент, равный 1,15*10;
S - коэффициент теплопередачи системы диэлектрик - металл электродов;
h - толщина диэлектрика;
ƒ - частота;
а - температурный коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь;
е - диэлектрическая проницаемость;
0
tgd - тангенс угла потерь диэлектрика при t - температуре окружающей среды.
Наличие корпуса (поз. 22 на фиг. 5(б)) обеспечивает жесткость конструкции, сохраняя места соединения резонаторов между собой при ударах и вибрациях.
Основание, выполненное в виде уголка, позволяет установить на горизонтальную поверхность корпус, прикрепляя при этом торцевые части диэлектрических стержней к вертикальной поверхности основания, обеспечивая жесткость конструкции.
Установка на боковые части корпуса радиаторов обеспечивает дополнительное отведение тепла от ППФ в окружающее пространство, позволяя повысить уровень проходящей средней мощности.
Использование четвертьволновых резонаторов, изготовленных на основе коаксиальных керамических линий круглого сечения (поз. 19 на фиг. 5(а)), позволяет контролировать гальванический контакт соединения емкостей связи резонаторов между собой (поз. 13 на фиг. 5(б)) и проводить регулировку связи подключением дополнительных контактных площадок на краях внешней металлизации конденсаторов связи (поз. 21 на фиг. 5(а)). Регулировку частоты обеспечивают подсоединением контактных площадок к краю внешней металлизации у открытого конца резонатора (поз. 20 на фиг. 5(а)).
По сравнению с прототипом предлагаемый ППФ имеет следующие преимущества:
- повышенный уровень проходящей средней мощности за счет улучшенного теплоотвода;
- высокая механическая прочность к ударам и вибрациям, обусловленная помещением резонаторов в корпус;
- высокая технологичность изготовления и сборки, обусловленная простотой конструкции и возможностью визуального контроля места гальванического соединения керамических коаксиальных резонаторов;
- удобство регулировки связи между резонаторами фильтра и связи с внешними устройствами без применения бормашины.
Таким образом, предлагаемое решение обладает рядом преимуществ перед аналогами и прототипом.