ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к технике СВЧ и предназначена для использования в дециметровом и длинноволновой части сантиметрового диапазона длин волн.
Известные полосно-пропускающие фильтры с планарным размещением открытых диэлектрических резонаторов (см. Диэлектрические резонаторы /под ред. профессора М.Е.Ильченко. - М.: Радио и связь, 1989, 328 с., с.250, рис 10.12), содержащие отрезок запредельного в рабочей полосе частот фильтра волновода, в котором на подставках из диэлектрика размещены открытые дисковые диэлектрические резонаторы с низшим видом колебаний.
Планарные фильтры характеризуются широким спектром близких к рабочей полосе частот паразитных полос пропускания за счет высших видов колебаний открытых дисковых диэлектрических резонаторов, который возрастает по мере роста диэлектрической плотности подставок. Кроме того, такие фильтры отличаются более высокими потерями в полосе пропускания в сочетании с более узкими достижимыми полосами пропускания, чем полосно-пропускающие фильтры с соосным расположением открытых дисковых диэлектрических резонаторов.
Известны полосно-пропускающие фильтры с соосным размещением открытых дисковых диэлектрических резонаторов (см. Диэлектрические резонаторы /под ред. профессора М.Е.Ильченко. - М.: Радио и связь, 1989, 328 с., с.246-253, рис.10.10), содержащие отрезок цилиндрического волновода, выполняющего функцию экрана запредельного в рабочей полосе частот фильтра, состоящего из n полых цилиндрических секций по числу звеньев фильтра, которые выполнены с уступами по внешнему и внутреннему диаметрам на концах и которые частично входят одна в другую, и открытые дисковые диэлектрические резонаторы с низшим видом колебаний, число которых равно числу звеньев фильтра и каждый из которых установлен соосно в соответствующей полой цилиндрической секции и удерживается в ней с
помощью диэлектрической втулки, а на каждом из концов экрана с помощью резьбовых соединений установлены оконечные полые цилиндрические металлические секции, каждая из которых на одном конце закорочена металлической торцевой стенкой, перпендикулярной продольной оси экрана, на которых для связи с подводящими линиями установлены элементы связи, выполненные в виде проводников подключенных к центральным проводникам коаксиальных разъемов, установленных на боковой цилиндрической поверхности оконечных полых металлических секций.
Однако такие полосно-пропускающие фильтры характеризуются широким спектром паразитных полос пропускания за счет высших видов колебаний открытых дисковых диэлектрических резонаторов. Ординарное значение отстроек с применением специальных мер, в том числе применение диэлектрических втулок из диэлектриков с малой (единицы) относительной диэлектрической проницаемостью, составляет примерно 30%. Причем для фильтров, предназначенных для работы в трактах высокого уровня мощности, в которых для обеспечения хорошего теплоотвода от открытых дисковых диэлектрических резонаторов используются диэлектрические втулки из более плотных диэлектриков (например, борнилит, поликор, кварц и т.п.) паразитные полосы пропускания резко приближаются к рабочей полосе частот (до единиц процента) за счет приближения высших видов колебаний к частоте низшего (рабочего) вида.
Наиболее близкими к предлагаемому полосно-пропускающему фильтру является фильтр (см. публикацию "The Design of Band-Pass Filters made of Both Dielectric and coaxial Resonators" Hee-yong Hwang and etc. - RF&Microwave Products Head office, KMW Inc.), содержащий отрезок прямоугольного волновода, выполняющего функцию экрана запредельного в рабочей полосе частот фильтра и закороченного на обоих концах концевыми стенками, состоящего из n полых секций, которые образованы внутренними поперечными стенками с отверстиями связи, и (n-2) открытых дисковых диэлектрических резонаторов с низшим видом колебаний, установленных каждый
в соответствующей полой секции, начиная со второй секции от края отрезка прямоугольного волновода и заканчивая (n-1)-й секцией отрезка прямоугольного волновода, и удерживается в ней с помощью диэлектрической подставки, причем все торцевые стенки открытых дисковых диэлектрических резонаторов параллельны одной из стенок отрезка прямоугольного волновода, а в каждой из крайних секций экрана выполнен коаксиальный резонатор, образованный проводящим стержнем, укрепленным на одной из стенок отрезка прямоугольного волновода и параллельный другой из его стенок, элементы настройки резонансных частот открытых дисковых диэлектрических резонаторов, выполненные в виде винтов, установленных на стенках отрезка прямоугольного волновода, параллельных торцевым стенкам открытых дисковых диэлектрических резонаторов, элементы настройки резонансной частоты коаксиальных резонаторов, выполненные в виде проводящих винтов, установленных соосно проводящему стержню на стенке отрезка прямоугольного волновода, элементы настройки связи между открытыми дисковыми диэлектрическими резонаторами и между крайними открытыми дисковыми диэлектрическими резонаторами и коаксиальными резонаторами, выполненные в виде проводящих винтов, размещенных в отверстиях связи во внутренних поперечных стенках отрезка прямоугольного волновода, коаксиальные разъемы для связи с подводящими линиями, установленные на концевых стенках, к центральным проводникам которых подключены петлевые элементы связи с коаксиальным резонатором.
Такое техническое решение обеспечивает за счет применения коаксиальных резонаторов в крайних секциях дополнительное подавление паразитных полос пропускания фильтра.
Недостатками такого технического решения полосно-пропускающего фильтра являются свойственные фильтрам с планарно размещенными диэлектрическими резонаторами более высокие потери в полосе пропускания в сочетании с более узкими достижимыми полосами пропускания, чем у полосно-пропускающих фильтров с соосным расположением открытых дисковых
диэлектрических резонаторов, что определяется большей добротностью резонансных звеньев с соосным размещением диэлектрических резонаторов, чем с их планарным размещением, большая трудоемкость настройки, которая реализуется проводящими винтами, размещенными в отверстиях связи во внутренних поперечных стенках отрезка прямоугольного волновода, порождающими дополнительные паразитные каналы пропускания.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является уменьшение потерь в полосе пропускания фильтра, обеспечение более широких полос пропускания в сочетании с упрощением настройки.
Решение этой задачи достигается тем, что известный фильтр, содержащий отрезок волновода, с расположенными на обоих концах торцевыми стенками, включающий n полых секций, причем первая, вторая, (n-1)-я и n-я полые секции разделены проводящими стенками с отверстиями связи, и (n-2) открытых дисковых диэлектрических резонаторов с низшим видом колебаний, установленных каждый в соответствующей полой секции на держателях, начиная со второй секции от края отрезка волновода и заканчивая (n-1)-й секцией отрезка волновода, коаксиальные резонаторы, расположенные в каждой из крайних полых секций, каждый из которых образован проводящим стержнем, укрепленным на одной из стенок отрезка волновода, элементы настройки резонансных частот открытых дисковых диэлектрических резонаторов, установленных во второй и (n-2) полых секциях, которые выполнены в виде винтов, установленных на стенках отрезка волновода, параллельных торцевым стенкам открытых дисковых диэлектрических резонаторов, проводящие винты настройки резонансной частоты коаксиальных резонаторов, установленные каждый соосно проводящему стержню на стенке крайних полых секций отрезка волновода, расположенные в отверстиях связи в стенках разделяющих первую, вторую, (n-1)-ю и n-ю полые секции проводящие винты настройки связи открытых дисковых диэлектрических резонаторов, установленными во второй и (n-1)-й полых секциях и коаксиальными резонаторами, коаксиальные разъемы соединенные с подводящими линиями,
расположенные на торцевых стенках, элементы связи с коаксиальным резонатором, подключенные к центральным проводникам коаксиальных разъемов, полые секции выполнены в виде полых проводящих цилиндров, причем образующие цилиндров первой и второй и (n-1)-й и n-й полых секций расположены ортогонально, их цилиндрические поверхности пересекаются, образуя отверстия, в которых расположены проводящие стенки с отверстием связи, совпадающие с поверхностью, соответственно, полых проводящих цилиндров второй и (n-1)-й полых секций, а цилиндры со второй по (n-2)-ю полые секции расположены соосно, открытые дисковые диэлектрические резонаторы установлены коаксиально в полых проводящих цилиндрах, держатели резонаторов выполнены осесимметричными, например, в виде диэлектрических втулок, в центре которых установлены открытые дисковые диэлектрические резонаторы, полые секции со второй по (n-1)-ю соединены между собой резьбовыми соединениями, торцевые стенки образованы цилиндрическими поверхностями полых проводящих цилиндров первой и n-й полых секций, соответственно.
Кроме того, элементы связи с коаксиальным резонатором могут быть выполнены в виде плоских проводящих шайб, плоскости которых параллельны образующим проводящих стержней.
Держатель каждого открытого дискового диэлектрического резонатора может быть выполнен в виде металлических пластин, плоскости которых ориентированы по радиусу металлических цилиндров, при этом один из торцов каждой из металлической пластины упирается в цилиндрическую поверхность открытого дискового диэлектрического резонатора, а противоположный торец этой металлической пластины закреплен относительно внутренней поверхности полого проводящего цилиндра.
Сущность предлагаемого технического решения полосно-пропускающего фильтра поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен полосно-пропускающий фильтр, на фиг.2 представлены концевые полые секции полосно-пропускающего фильтра, на фиг.3 изображен держатель каждого открытого
дискового диэлектрического резонатора в виде тонких металлических пластин, на фиг.4 приведен пример амплитудно-частотной характеристики девятизвенного фильтра с полосой пропускания 120 МГц и потерями в полосе пропускания меньше 1 дБ.
Полосно-пропускающий фильтр содержит отрезок волновода 1, выполняющего функцию экрана запредельного в рабочей полосе частот фильтра и закороченного на обоих концах торцевыми стенками 2, состоящего из n полых секций 3, выполненных в виде полых проводящих цилиндров, проводящие стенки 4 с отверстиями связи 5, открытые дисковые диэлектрические резонаторы 6, установленных каждый в соответствующей полой секции 3, начиная со второй секции от края отрезка волновода и заканчивая (n-1)-й секцией отрезка волновода 1, и закрепленных в ней с помощью держателя 7, коаксиальные резонаторы 8, выполненные в каждой из крайних полых секций 3, каждый из которых образован проводящим стержнем 9, укрепленным на одной из стенок 10 отрезка волновода 1, элементы настройки 11 резонансных частот открытых дисковых диэлектрических резонаторов 6, установленных во второй и (n-2) полых секциях, проводящие винты 12 настройки резонансной частоты коаксиальных резонаторов 8, установленные каждый соосно проводящему стержню 9 на стенке 13 крайних полых секций 3 отрезка волновода 1, проводящие винты 14 настройки связи между открытыми дисковыми диэлектрическими резонаторами 6, установленными во второй и (n-1)-й полых секциях и коаксиальными резонаторами 8, коаксиальные разъемы 15 для связи с подводящими линиями, установленные на торцевых стенках, элементы связи 16 с коаксиальным резонатором 8, подключенные к центральным проводникам 17 коаксиальных разъемов 15.
Элементы связи 16 с коаксиальным резонатором 8 выполнены в виде плоских проводящих шайб, плоскости которых параллельны образующим проводящих стержней 9.
Кроме того, держатель каждого открытого дискового диэлектрического резонатора выполнен в виде металлических пластин 18, плоскости которых
Кроме того, держатель каждого открытого дискового диэлектрического резонатора выполнен в виде металлических пластин 18, плоскости которых ориентированы по радиусу полых проводящих цилиндров полых секций 3, при этом один из торцов 19 каждой из металлической пластины 18 упирается в цилиндрическую поверхность 20 открытого дискового диэлектрического резонатора 6, а противоположный торец 21 этой металлической пластины 18 закреплен относительно внутренней поверхности 22 полого проводящего цилиндра полой секции 3.
Полосно-пропускающий фильтр работает следующим образом.
После подключения коаксиальных разъемов 15 в цепь с распространяющейся СВЧ волной, элементы связи 16, установленные в оконечных полых секциях экрана 3, обеспечивают ввод и вывод энергии в системе фильтр - линия передачи. Отдельные полые секции 3 фильтра, выполненные в виде полых проводящих цилиндров, соединенные между собой образуют отрезок волновода 1, запредельный в рабочей полосе частот фильтра, что исключает внеполосную передачу энергии между входом и выходом и обеспечивает электромагнитную связь открытых дисковых диэлектрических резонаторов 6 между собой.
Число секций n определяет число резонансных звеньев полосно-пропускающего фильтра и выбрано из условия n≥3, где n целое число, которое в свою очередь связано с видом необходимой частотной характеристики фильтра. Например трехзвенный фильтр обычно реализует полосу пропускания порядка 1-1,5%, а семизвенный обеспечивает полосу 4-5%.
Резьбовые соединения полых проводящих цилиндров полых секций 3 за счет возможности изменения расстояний между открытыми дисковыми диэлектрическими резонаторами 6 позволяют в необходимых для корректировки частотной характеристики фильтра пределах регулировать коэффициенты связи между открытыми дисковыми диэлектрическими резонаторами 6. Коэффициенты связи между крайними из них и коаксиальными резонаторами 8 регулируются элементами связи, образованными проводящими стержзонаторов
с подводящими линиями передачи регулируется элементами связи 16. Элементы настройки 11 резонансных частот открытых дисковых диэлектрических резонаторов 6, установленных во второй и (n-2)-й полых секциях, позволяют корректировать изменение резонансных частот этих резонаторов 6, возникающую при регулировке их связи с коаксиальными резонаторами 8. Проводящие винты 12 настройки резонансной частоты коаксиальных резонаторов 8 обеспечивают корректировку их резонансных частот, возникающую при регулировке их связи с открытыми дисковых диэлектрическими резонаторами 6, установленными во второй и (n-2)-й полых секциях. Регулировка связи между диэлектрическими резонаторами 6, установленными во второй и (n-2)-й полых секциях с коаксиальными резонаторами 8 обеспечена проводящими винтами 14.
Реализация в конструкции фильтра принципа соосного размещения открытых дисковых диэлектрических резонаторов 6 в сочетании с выполнением крайних резонансных звеньев в виде коаксиальных резонаторов 8 позволило комплексно решить задачу создания простых в настройке фильтров с высокими параметрами, а именно, подавить паразитные полосы пропускания (за счет свойств коаксиальных резонаторов) и одновременно обеспечить устройству преимущества фильтров с соосным размещением диэлектрических резонаторов.
Экспериментально установлено, что выполнение держателей 7 каждого открытого дискового диэлектрического резонатора 6 в виде металлических пластин 18, плоскости которых ориентированы по радиусу полых проводящих цилиндров полых секций 3 позволяют исключить паразитные полосы пропускания в соосном фильтре на открытых дисковых диэлектрических резонаторах 6, связанные с их ближайшим (вторым) типом колебаний. Это подтверждают приведенные частотные характеристики.
Кроме того, когда один из торцов 19 каждой из тонкой металлической пластины 18 упирается в цилиндрическую поверхность 20 открытого дискового диэлектрического резонатора 6, а противоположный торец 21 этой металлической
пластины 18 закреплен относительно внутренней поверхности 22 полого проводящего цилиндра полой секции 3, такое выполнение держателей 7 позволяет резко улучшить теплоотвод от диэлектрических резонаторов 6, что позволяет применять такую конструкцию фильтра в трактах высокого уровня мощности.
Кроме того, экспериментально установлено, что при элементах связи 16 с коаксиальным резонатором 8 выполненных в виде плоских проводящих шайб, плоскости которых параллельны образующим проводящих стержней 9, достигается более плавная настройка требуемой связи коаксиальных резонаторов 8 с подводящими линиями, чем в случае применяемых в прототипе петлевых элементах связи.
Применение предложенных технических решений позволило создать в диапазоне частот 4-5 ГГц девятизвенные полосно-пропускающие фильтры с открытыми дисковыми диэлектрическими резонаторами (полоса пропускания ~3%, потери в полосе не хуже 1,1 дБ), обладающие отстройкой паразитных полос пропускания на 1 ГГц, а в пределах полосы запирания обеспечивающие уровень затухания >-80 дБ, предназначенные для работы в трактах с уровнем мощности 100 Вт.