ВОЛНОВОДНЫЙ СВЧ-ФИЛЬТР

Полезная модель относится к СВЧ волноводным частотно-селективным устройствам и может быть использована в системах передачи информации, средствах радиоэлектронной борьбы, радарах и измерительном оборудовании, работающих в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн.
Фильтры волноводного исполнения характеризуются помехозащищенностью, малыми потерями, высокой добротностью резонаторов.
Известна конструкция СВЧ-фильтра на прямоугольном волноводе, которая содержит корпус, внутри которого на широких стенках расположены чередующиеся прямоугольные гребни, образующие объемные резонаторы (US 3949327, МПК 6 Н01Р 1/211, дата публикации 06.04.1976 г.) [1]. Несмотря на то, что максимальная длина объемных резонаторов намного меньше, чем половина длины волны, недостатком конструкции являются большие габариты.
СВЧ-фильтры, в которых в качестве резонаторов использованы участки волноводов, частично или полностью заполненные диэлектриком, описаны в патентах (RU 2040080, МПК Н01Р 1/207, дата публикации 20.07.1995) [2], (RU 2397579, МПК Н01Р 1/20, Н01Р 7/10, дата публикации 20.08.2010) [3], в которых в качестве инверторов сопротивлений использованы запредельные прямоугольные волноводы. Основными недостатками использования диэлектрических резонаторов в структуре полосно-пропускающего фильтра являются большие габариты и значительное затухание в полосе пропускания, обусловленное собственными потерями объемного диэлектрика.
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого технического решения, является полосно-пропускающий волноводный СВЧ-фильтр (ЕР 1184930 А1, МПК Н01Р 1/207, Н01Р 5/107, дата публикации 06. 03.2002) [4], включающий последовательно расположенные тонкие поперечные прямоугольные диэлектрические подложки, на поверхности которых нанесена двумерная металлизация с заданным рисунком, помещенные внутрь прямоугольного волновода. За счет сложного рисунка металлизации каждая диэлектрическая подложка представляет собой резонатор, продольный размер которого определяется только толщиной пластины. Для обеспечения реактивного согласования резонаторов диэлектрические подложки располагаются друг от друга вдоль волновода на расстоянии равном одной четверти рабочей длины волны (четвертьволновый отрезок волновода). Таким образом, продольный размер предложенного фильтра оказывается меньше в два и более раз, чем аналогичный размер любого волноводного фильтра на объемных резонаторах. Однако он по-прежнему может достигать нескольких длин волн при большом количестве резонаторов, что ограничивает его использование, в частности, в бортовых радиосистемах.
Недостатками прототипа являются большие габаритные размеры, обусловленные наличием четвертьволновых отрезков между резонаторами, при уменьшении которых происходит рассогласование волноводного СВЧ-фильтра, а также невозможность обеспечить достаточную для быстрого монтажа жесткость конструкции и строгую перпендикулярность одиночных диафрагм стенкам волновода.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является уменьшение габаритных размеров волноводного СВЧ-фильтра и обеспечение жесткости конструкции при сохранении его амплитудно-частотной характеристики.
Указанный технический результат достигается тем, что волноводный СВЧ-фильтр содержит прямоугольный волновод, внутри которого перпендикулярно его стенкам последовательно расположены диэлектрические подложки, на рабочей поверхности которых выполнена двумерная металлизация, рисунок которой формирует индуктивные и емкостные элементы.
Согласно полезной модели диэлектрические подложки объединены в пакет и образуют монолитную многослойную структуру из одиночных волноводных резонансных диафрагм и вспомогательных диафрагм, причем на рабочей поверхности каждой нечетной диэлектрической подложки сформированы резонансные диафрагмы из индуктивных и емкостных элементов, объединенных в резонансный контур, а на четных - вспомогательные диафрагмы, содержащие согласующий емкостной элемент.
В предпочтительном выполнении диэлектрические подложки соединены между собой клеевым соединением.
Это позволяет обеспечить реактивное согласование резонаторов без четвертьволновых отрезков волновода, что позволяет уменьшить габаритные размеры фильтра и повысить жесткость конструкции без изменения амплитудно-частотой характеристики.
Конструкция волноводного СВЧ-фильтра поясняется фигурами чертежей.
Фиг. 1 - трехмерное изображение резонансной диафрагмы в волноводе.
Фиг. 2 - трехмерное изображение вспомогательной диафрагмы в волноводе.
Фиг. 3 - фотоизображение волноводного СВЧ-фильтра и его составных элементов.
21
Фиг. 4. - график частотной зависимости модуля S - параметра в дБ волноводной резонансной диафрагмы и ее фото.
21
Фиг 5. - график частотной зависимости модуля S - параметра в дБ волноводного СВЧ-фильтра.
Каждая одиночная волноводная резонансная диафрагма (Фиг. 1) содержит плоскую диэлектрическую подложку 1, на одной поверхности которой нанесена металлизация 2. Часть металлизации удалена так, что в ней появляется окно 3 со сложным профилем, формирующим в совокупности индуктивный и емкостной элементы, объединенные в резонансный контур, обладающий частотно-селективными свойствами. Диэлектрическая подложка 1 расположена перпендикулярно стенкам прямоугольного волновода 4 и параллельно его входу 5 и выходу 6. Диэлектрическая подложка 1 полностью перекрывает поперечное сечение прямоугольного волновода.
Каждая одиночная волноводная вспомогательная диафрагма (Фиг. 2) содержит диэлектрическою подложку 1 тех же размеров и характеристик, что и подложка резонансной диафрагмы, но на одной поверхности которой нанесена металлизация в виде двух прямоугольных полос 7 и окна 8, формирующих в совокупности емкостной элемент, обладающий согласующими свойствами (Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники / М.: Сов. Радио. 1967. 651 с.) [6].
Резонансные диафрагмы (Фиг. 1) и вспомогательные диафрагмы (Фиг. 2), чередуясь, объединены в пакет и образуют монолитную многослойную структуру 9 (Фиг. 3).
Радиосигнал, имеющий в своем частотном спектре как полезные, так и паразитные составляющие, поступает на вход прямоугольного волновода 5 и проходит через резонансную диафрагму. Благодаря частотно-селективным свойствам окна 3 резонансной диафрагмы, только радиосигнал с частотой, совпадающей с ее собственной резонансной частотой, проходит на выход 6 без затухания.
21
На фиг. 4 представлена частотная зависимость модуля S - параметра волноводной резонансной диафрагмы, полученная на основании расчетов, выполненных с помощью электродинамических программ с высокой точностью соответствия (Земляков В.В., Заргано Г.Ф. Электродинамический анализ проводимости резонансной волноводной плоско-поперечной диафрагмы со сложной апертурой // Радиофизика. 2015. Т. 58. №7. С. 560-566) [5], а также на основании проведенных измерений экспериментального образца, изготовленного на диэлектрической подложке с проницаемостью 2.5 и толщиной 1.524 мм для прямоугольного волновода с поперечным сечением 23*10 мм.
Для формирования полосно-пропускающего фильтра с конечной полосой пропускания необходимо в корпусе волновода установить последовательно несколько резонаторов, образованных резонансными диафрагмами (Фиг. 1). Для обеспечения реактивного согласования резонаторов между ними устанавливается вспомогательная диафрагма (Фиг. 2), причем толщина подложки и свойства каждой диафрагмы подбираются так, чтобы обеспечить непосредственное соприкосновение поперечных сечений диафрагм друг с другом (Фиг. 3). Такая структура позволяет добиться высокой прочности волноводного полосно-пропускающего фильтра и сократить его продольный размер.
21
На фиг. 5 представлена зависимость модуля S - параметра волноводного полосно-пропускающего фильтра, полученная на основании расчетов, выполненных с помощью электродинамических программ с высокой точностью соответствия (Земляков В.В., Заргано Г.Ф., Крутиев С.В. Волноводный полосно-пропускающий фильтры на сложных резонансных диафрагмах // Радиотехника и электроника. 2015. Т. 60. №12. С. 1231-1236) [7], а также на основании проведенных измерений экспериментального образца, элементы которого изготовлены на диэлектрической подложке с проницаемостью 2.5 и толщиной 1.524 мм для прямоугольного волновода с поперечным сечением 23⋅10 мм. Как следует из фиг. 5, данный фильтр имеет полосу пропускания 10%, при этом его длина составила 8 мм или 0.3 рабочей длины волны в волноводе.
Источники информации
1. US 3949327, МПК 6 Н01Р 1/211 дата публикации 06.04.1976 г.
2. RU 2040080, МПК Н01Р 1/207, дата публикации 20.07.1995 г.
3. RU 2397579, МПК Н01Р 1/20, Н01Р 7/10, дата публикации 20.08.2010 г.
4. ЕР 1184930 А1, МПК Н01Р 1/207, Н01Р 5/107, дата публикации 06. 03.2002 -прототип.
5. Земляков В.В., Заргано Г.Ф. Электродинамический анализ проводимости резонансной волноводной плоскопоперечной диафрагмы со сложной апертурой // Радиофизика. 2015. Т. 58. №7. С. 560-566.
6. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники / М.: Сов. Радио. 1967. 651 с.
7. Земляков В.В., Заргано Г.Ф., Крутиев С.В. Волноводный полосно-пропускающий фильтры на сложных резонансных диафрагмах // Радиотехника и электроника. 2015. Т. 60. №12. С. 1231-1236.