СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФЕРРИТОВЫЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к радиоэлектронике и сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, а именно, к электрически перестраиваемым по частоте фильтрам, содержащим в качестве резонаторов намагниченные электромагнитом миниатюрные ферритовые монокристаллические сферические образцы, окруженные витковыми элементами связи (ВЭС).
3
min
В электрически перестраиваемых фильтрах на ферритовых резонаторах (ФР) обычно востребованная ширина Δf полосы пропускания по уровню минус 3 дБ лежит, в зависимости от заданного диапазона длин волн, в следующих пределах: 10-20 МГц в метровом диапазоне, 15-30 МГц в дециметровом диапазоне, 25-50 МГц в сантиметровом диапазоне, 50-400 МГц - в миллиметровом диапазоне. При этом минимальные потери α в полосе пропускания при октавной перестройке резонансной частоты фильтра, в зависимости от количества ФР, не превышают: 2,5 дБ для двухзвенных (двухрезонаторных) фильтров, 3-4 дБ для четырехзвенных фильтров, 5-6 дБ для шестизвенных фильтров. Также известны фильтры на ферритовых резонаторах с широкой полосой пропускания 250-500 МГц. Создание синтезаторов частот для передающих устройств потребовало разработку сверхвысокочастотных ферритовых фильтров с предельно узкими полосами пропускания. Ширина полосы пропускания однозвенного ферритового фильтра на ортогональных витковых элементах связи (ВЭС) определяется выражением:
γ=2,8 МГц/Э,
ΔH - ширина линии ферромагнитного резонанса, Э;
k - коэффициент связи ФР с ортогональными ВЭС;
При этом коэффициент связи определяется следующим образом:
s
4пM - намагниченность насыщения монокристалла ФР, Гс;
ω=2пf - частота сигнала, МГц;
r - радиус ФР, см;
R - радиус ВЭС, см;
φ - угол охвата ВЭС ферритового резонатора, радиан.
s
Выражения (1), (2) показывают, что для уменьшения ширины полосы пропускания фильтра необходимо уменьшить коэффициент связи ФР с ВЭС и собственную ширину линии ФМР (ΔH), а именно: уменьшать 4пM уменьшать радиус ФР, увеличивать радиус ВЭС. Однако уменьшение ширины полосы пропускания однозвенного фильтра приводит к увеличению резонансных (минимальных) потерь в полосе пропускания, что является нежелательным фактом. Аналогичные закономерности имеют место и в многозвенном фильтре, то есть, содержащем несколько взаимосвязанных между собой ФР.
Г
В
В
В
В
Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент RU 154064, МПК H01P 1/218, опубликован 10.08.2015), содержащий немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, по меньшей мере два сферических монокристаллических ферритовых резонатора, закрепленных на теплопроводящих керамических стержнях в резонансных камерах немагнитного корпуса, в две из которых через первые каналы в немагнитном корпусе проведены соответственно входной и выходной отрезки линии передачи, центральные проводники которых нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные витковые элементы связи, сферические монокристаллические 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, одинарные и двойные витковые элементы связи попарно ортогонально охватывают сферические монокристаллические ферритовые резонаторы, проводники во вторых каналах немагнитного корпуса заключены во введенные диэлектрические втулки, выполненные из кремнийорганического герметика с диэлектрической проницаемостью ε не более 2,5, и тангенсом диэлектрических потерь tgδ не более 0,01, при этом ширина b, мм, высота h, мм, длина L, мм, диэлектрической втулки и радиус R, мм, ее внутреннего канала выбраны из определенных соотношений.
Недостатком известного СВЧ ферритового фильтра является невозможность достижения предельно узкой полосы пропускания при минимальных (резонансных) потерях.
Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент RU 157816, МПК H01P 1/218, опубликован 10.12.2015), содержащий немагнитный корпус с резонансными камерами, расположенный вместе с экранирующими камеры немагнитными металлическими прокладками в зазоре между полюсными наконечниками электромагнита, сферические монокристаллические ферритовые резонаторы, ориентированные в изотропном направлении на теплопроводящих металлокерамических стержнях в резонансных камерах немагнитного корпуса, в крайние из которых через первые каналы в немагнитном корпусе проведены соответственно входной и выходной отрезки линии передачи, центральные проводники которых нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные витковые элементы связи, охватывающие крайние ферритовые резонаторы, сферические монокристаллические ферритовые резонаторы электромагнитно связанны 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 диапазоне перестройки фильтра, одинарные и двойные витковые элементы связи попарно ортогонально охватывают сферические монокристаллические ферритовые резонаторы, при этом напротив по меньшей мере одного сферического монокристаллического ферритового резонатора, имеющего пониженную резонансную частоту, по меньшей мере в одной немагнитной металлической экранирующей прокладке выполнено сквозное отверстие, в котором размещен заподлицо диск из магнитомягкого материала, примыкающий к одному из полюсных наконечников электромагнита.
Недостатком известного СВЧ ферритового фильтра является недостаточно узкая полоса пропускания при минимальных (резонансных) потерях.
min
max
Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент RU 148202, МПК H01P 1/20, опубликован 27.11.2014), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Известный СВЧ ферритовый фильтр-прототип содержит немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, по меньшей мере два сферических монокристаллических ФР, закрепленных на теплопроводящих металлокерамических стержнях в резонаторных камерах немагнитного корпуса. В крайние резонаторные камеры через первые каналы в немагнитном корпусе проведены соответственно входной и выходной отрезки линии передачи. Центральные проводники входного и выходного отрезков линии передачи нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные витковые элементы связи (ВЭС), охватывающие крайние ФР. Ферритовые резонаторы электромагнитно связаны друг с другом с помощью двойных ВЭС, 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 диапазоне перестройки частоты от f до f СВЧ ферритового фильтра. Одинарные и двойные ВЭС попарно ортогонально охватывают ФР.
В известном фильтре для уменьшения потерь в полосе пропускания при работе в широких диапазонах частот (октава и более) между противолежащими торцами верхней и нижней частями электромагнита установлена металлическая прокладка толщиной 10-150 мкм между крайним ФР, имеющим более высокую резонансную частоту, и соответствующим ему отрезком линии передачи. Это обеспечивает выравнивание резонансных частот крайних ФР при ориентации их в изотропном направлении для обеспечения термостабильности и широкодиапазонности.
Недостатком известного СВЧ ферритового фильтра является невозможность достижения предельно узкой полосы пропускания при допустимых минимальных (резонансных) потерях.
3
min
Задачей настоящей полезной модели является разработка такого СВЧ ферритового фильтра, который бы обеспечивал более узкие полосы Δf пропускания при допустимых (достаточно небольших) минимальных потерях в полосе пропускания (α≤54÷10 дБ).
min
max
Поставленная задача решается тем, что СВЧ ферритовый фильтр содержит немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, по меньшей мере два сферических монокристаллических ФР, закрепленных на теплопроводящих металлокерамических стержнях в резонаторных камерах немагнитного корпуса, в две из которых (крайние) через первые каналы в немагнитном корпусе проведены соответственно входной и выходной отрезки линии передачи, центральные проводники которых нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные ВЭС, ФР электромагнитно связаны друг с другом с помощью двойных ВЭС, 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 диапазоне перестройки частоты фильтра от f до f, одинарные и двойные ВЭС, попарно пересекаясь между собой, охватывают ФР, находясь вблизи от ФР. Новым является то, что точки пересечения одиночных и двойных ВЭС удалены от ФР на расстояние относительно продольных осей симметрии резонаторных камер, равное 0,25-1,0 диаметра d ФР, при этом диаметр d≤0,30-0,50 мм.
Выбор интервала удаления ВЭС от ФР обусловлен тем, что при расстоянии менее 0,25 диаметра ФР не наблюдается существенного сужения полосы пропускания, а при расстоянии более 1,0 диаметра ФР резко возрастают потери в полосе пропускания СВЧ ферритового фильтра.
При необходимости между противолежащими торцами верхней и нижней частей электромагнита установлена металлическая прокладка толщиной 10-150 мкм, размещенная между крайним сферическим монокристаллическим ферритовым резонатором, имеющим более высокую резонансную частоту, и соответствующим ему отрезком линий передачи.
Возможны два варианта исполнения предложенного СВЧ ферритового фильтра.
В одном из вариантов ФР удалены от продольных осей симметрии резонаторных камер путем укорочения или удлинения теплопроводящих металлокерамических держателей, а точки пересечения ВЭС совмещены с продольными осями симметрии резонаторных камер.
В другом варианте точки пересечения ВЭС смещены в одну или другую сторону относительно ФР путем небольшого наклона (угол наклона не более 5-30 градусов) плоскостей ВЭС к продольным осям симметрии резонаторных камер, а центры ФР расположены на продольных осях симметрии резонаторных камер.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 представлен настоящий СВЧ ферритовый фильтр, показанный для большей наглядности без верхней части электромагнита и без диска, экранирующего резонаторные камеры (ФР смещены от продольных осей симметрии резонаторных камер);
на фиг. 2 показан вид сбоку на настоящий СВЧ ферритовый фильтр с разрезом электромагнита по продольной оси (тонкими линиями показаны продольные оси резонаторных камер);
на фиг. 3 изображен крупным планом вид сверху на камеры настоящего СВЧ ферритового фильтра с первым вариантом расположения в них ФР и ВЭС;
на фиг. 4 дан крупным планом вид сверху на камеры настоящего СВЧ ферритового фильтра с вторым вариантом расположения в них ФР и ВЭС;
на фиг. 5 показан крупным планом вид сверху на камеры настоящего СВЧ ферритового фильтра с третьим вариантом расположения в них ФР и ВЭС;
на фиг. 6 дан крупным планом вид сверху на камеры настоящего СВЧ ферритового фильтра с четвертым вариантом расположения в них ФР и ВЭС;
на фиг. 7 в таблице приведены результаты испытаний СВЧ ферритового двухрезонаторного фильтра в диапазоне частот 13-15 ГГц.
i
Изображенный на фиг. 1, фиг. 2 настоящий СВЧ ферритовый фильтр содержит немагнитный корпус 1, расположенный в зазоре 2 между верхней частью 3 и нижней частью 4 электромагнита 5, по меньшей мере, два ФР 6 (на рисунке показано 3 ФР 6), закрепленных на теплопроводящих металлокерамических стержнях 7 в резонаторных камерах 8, 9, 10 немагнитного корпуса 1. В две крайние резонаторные камеры 8, 9 через первые каналы 11, 12 в немагнитном корпусе 1 проведены соответственно входной и выходной отрезки линии передачи, центральные проводники 13, 14 которых нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус 1 одинарные ВЭС 15, 16, окружающие крайние ФР 6. Ферритовые резонаторы 6 связаны друг с другом с помощью двойных ВЭС 17, 18, 19, короткозамкнутых на немагнитный корпус 1 на свободных концах и соединенных пропущенными через вторые каналы 20, 21 немагнитного корпуса 1 проводниками 22, 23 длиной L<λ/4, где λ - длина волны в рабочем диапазоне перестройки СВЧ ферритового фильтра. Одинарные ВЭС 15, 16 и двойные ВЭС 17, 18, 19 попарно пересекаются между собой и находятся вблизи от сферических монокристаллических ФР 6 в каждой из резонаторных камер 8, 9, 10. Крайние сферические монокристаллические ФР 6 с помощью теплопроводящих металлокерамических стержней 7 ориентируют в намагничивающем поле Н электромагнита 5 вдоль изотропного направления (по «тепловой оси») с целью обеспечения стабильности резонансной частоты и параметров СВЧ ферритового фильтра в широком интервале частот и температур. При этом металлокерамические стержни 7 пропущены через радиаторы 24, на которых установлены терморезисторы 25, подключаемые к источнику напряжения 26±3 В. Резонансные частоты f крайних сферических монокристаллических ФР 6 определяют по формуле:
γ - гиромагнитное отношение 2,8 МГц/Э;
a
H - поле анизотропии сферического монокристаллического ФР в изотропном направлении равно нулю, Э;
свi
Hi
f - частота связи, обратно пропорциональна нагруженной добротности Q резонатора, МГц;
i
H - магнитное поле в рабочем зазоре 2 электромагнита 5 в области размещения каждого i-го ФР 6 (i=l, 2, 3), Э.
Промежуточные ФР 6 в многозвенном СВЧ ферритовом фильтре, размещенные на таких же металлокерамических стержнях 7, служат для согласования их резонансных частот с частотами крайних ФР 6 для формирования качественной амплитудно-частотной характеристики СВЧ ферритового фильтра. Электромагнит 5, состоящий, как правило, из двух частей 3, 4 (см. фиг. 2), в которых на полюсных наконечниках 26 могут быть закреплены катушки 27 управления. Между полюсными наконечниками 3, 4 электромагнита 5 в зазоре 2, кроме немагнитного корпуса 1 с ФР 6, также размещены диски 28 из немагнитной фольги толщиной t=20-60 мкм для обеспечения электрогерметичности резонаторных камер 8, 9, 10, что обеспечивает высокое заграждение СВЧ ферритового фильтра вне полосы пропускания. Входной и выходной отрезки линий передачи выходят из электромагнита 5 в виде, например, СВЧ коаксиальных разъемов 29, 30 (или микрополосковых разъемов). Между торцами верхней 3 и нижней 4 частями электромагнита 5 могут быть установлены металлические прокладки 31 толщиной 10-150 мкм, выравнивающие резонансные частоты крайних ФР 6, ориентированных в изотропном направлении (по «тепловой оси») с целью обеспечения термостабильности. В настоящем СВЧ ферритовом фильтре точки пересечения ВЭС и центры ФР 6 разнесены друг от друга относительно продольных осей симметрии резонаторных камер 8, 9, 10. При этом крайние (одиночные) ВЭС 15, 16 удалены от крайних ФР 6 на расстояние 0,25-1,0 диаметра d ФР, диаметр d≤0,30-0,50 мм., обеспечивающее требуемую узкую полосу пропускания, средние (двойные) ВЭС 17, 18, 19 удалены от ФР 6 на расстояние 0,25-1,0 диаметра d ФР, диаметр d≤0,30-0,50 мм., при котором обеспечивается докритическая связь между ними (отсутствует раздвоение резонансной кривой) при достижении одновременно наименьших минимальных потерь на передачу сигнала между ними. При этом параметры сферических монокристаллических ФР выбирают из условий:
s
min
намагниченность насыщения 4пM≤f3/2γ, ед.; что обуславливает работу СВЧ ферритового фильтра при входных максимальных мощностях более 10 мВт;
ширина линии ферромагнитного резонанса ΔH≤0,2-0,57, Э.
Возможно несколько вариантов исполнения настоящего СВЧ ферритового фильтра, которые иллюстрируются на фиг. 3-фиг. 6.
В первом из вариантов исполнения (см. фиг. 3, фиг. 4) сферические ФР 6, закрепленные на теплопроводящих металлокерамических стержнях 7 в резонаторных камерах 8, 9, 10, удалены от продольных осей симметрии резонаторных камер путем укорочения (см. фиг. 3) либо удлинения (см. фиг. 4) теплопроводящих стержней 7. При этом точки пересечения одинарных ВЭС 15, 16 и двойных ВЭС 17, 18, 19 совмещены с продольными осями симметрии резонаторных камер 8, 9, 10.
Во втором из вариантов исполнения (см. фиг. 5, фиг. 6) точки пересечения ВЭС 15-19 смещены в одну или другую сторону относительно ферритовых резонаторов путем небольшого наклона (угол наклона 5-30 градусов) плоскостей ВЭС 15-19 относительно направления намагничивающего поля Н электромагнита 5, при этом центры ФР находятся на продольных осях симметрии резонаторных камер 8, 9, 10. Кстати, направление намагничивающего поля H электромагнита 5 всегда совпадает с направлением продольных осей симметрии резонаторных камер 8, 9, 10.
s
s
min
3
min
3
В процессе разработки настоящего СВЧ ферритового фильтра были проведены испытания ФР, размещенных в центре (по продольной оси) резонаторных камер, изготовленных из разных марок монокристаллов и с разным удалением ВЭС от ФР и разным наклоном ВЭС относительно поля Н электромагнита. На фиг. 7 в таблице приведены результаты испытаний СВЧ ферритового двухрезонаторного фильтра в диапазоне частот 13-15 ГГц. Из таблицы видно, что в случае выбора монокристалла марки 140 КГ, имеющего 4пM наиболее близкую к неравенству 4пM≤f3/2γ, а также минимальный диаметр и ΔH, СВЧ ферритовый фильтр имеет максимально узкую полосу пропускания Δf=8 МГц при минимальных потерях в полосе пропускания α=3,5 дБ. При этом угол наклона ВЭС к направлению поля H равен ≈25 градусов. Температурные испытания ферритового фильтра, содержащего ФР марки 140 КГ при настройке на минимальную ширину полосы пропускания Δf=8 МГц при минимальных потерях 3,5 дБ приведены ниже:
3
min
T=20°C, Δf=8 МГц, α=3,5 дБ, Δα=0 дБ;
3
min
T=70°C, Δf=8,5 МГц, α=5,l дБ, Δα=0 дБ;
3
min
Т=-60°C, Δf=11 МГц, α=4,5 дБ, Δα=0 дБ.
Уход резонансной частоты не превышал ±3 МГц - параметры фильтра практически не изменялись при перестройке частоты фильтра в пределах 13-15 ГГц.