ВОЛНОВОДНЫЙ ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ
LOW-FREQUENCY WAVEGUIDE FILTER

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано для подавления внеполосных и паразитных колебаний в трактах приемопередающих систем, в том числе высокой мощности, а также для грубого измерения частоты микроволнового излучения. При разработке фильтров для подавления внеполосных и паразитных колебаний в волноводных трактах особое внимание уделяется обеспечению максимально широкой полосы запирания, минимальным потерям в полосе пропускания, значительному подавлению паразитных сигналов вне полосы пропускания. Такие фильтры могут применяться для измерения частоты микроволнового излучения, в том числе частоты выходного излучения СВЧ приборов гигаваттного уровня мощности - релятивистских ЛОВ и ЛБВ, магнетронов, виркаторов и др. Для обозначенных выше целей обычно используют фильтры на рифленых волноводах или вафельные фильтры, проектирование которых основано на синтезе фильтров-прототипов с сосредоточенными параметрами. Рифленые и вафельные фильтры отличаются пониженной электропрочностью по сравнению со стандартным прямоугольным волноводом, сложностью конструкции и технологии изготовления, а также отсутствием перестройки частоты среза.
Известна конструкция вафельного фильтра (см. Астайкин, А.И. Теория и техника СВЧ: Учебное пособие // А.И. Астайкин, К.В. Троцюк, С.П. Ионова, В.Б. Профе. - Саров: ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", 2008. С. 323), который представляет собой волновод с фланцами, разделенный на две половины, внутри которого на широких стенках размещены прямоугольные металлические выступы, образующие вафельную структуру. Основным достоинством данного фильтра является большая ширина полосы запирания, так что верхняя граница полосы запирания может достигать частоты, в три раза превышающей частоту среза. К недостаткам данного фильтра следует отнести: сложность изготовления и, соответственно, высокую стоимость; низкую электропрочность; отсутствие перестройки частоты среза. Также в описанном устройстве отсутствуют согласующие элементы, что приводит к увеличению потерь в полосе пропускания.
В качестве ближайшего аналога выбран волноводный фильтр нижних частот, состоящий из секций с высоким и низким волновым сопротивлением. Он представляет собой прямоугольный волновод конечной длины с фланцами, в котором перепад волновых сопротивлений осуществляется периодическим изменением высоты волновода. Участки прямоугольного волновода с малой высотой по узкой стенке являются низкоомными секциями фильтра и носят емкостной характер, соответственно участки с большей высотой по узкой стенке носят индуктивный характер и являются высокоомными секциями. Такой фильтр носит название рифленого волноводного фильтра (см. Астайкин, А.И. Теория и техника СВЧ: Учебное пособие // А.И. Астайкин, К.В. Троцюк, С.П. Ионова, В.Б. Профе. - Саров: ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", 2008. С 321-323). Недостатками данного фильтра являются: сложность и высокая стоимость изготовления, отсутствие перестройки частоты среза. Также в описанном устройстве отсутствуют согласующие элементы, что приводит к увеличению потерь в полосе пропускания.
Задачей, на которую направлено данное изобретение, является разработка простого и относительного дешевого в изготовлении волноводного фильтра низких частот, имеющего перестройку частоты среза и обеспечивающего подавление паразитных сигналов на частотах, превышающих частоту среза не менее чем в два раза, обладающего минимальными потерями в полосе пропускания.
Технический результат достигается тем, что волноводный фильтр нижних частот представляет прямоугольный волновод конечной длины с фланцами с чередующимися низкоомными и высокоомными секциями, получаемыми в результате периодического изменения размера узкой стенки прямоугольного волновода.
Новым является то, что периодическое изменение размера узкой стенки прямоугольного волновода осуществляется с использованием встроенных в него со стороны его широких стенок напротив друг друга парами диафрагм с зазором между ними, часть из которых (одинаковых по высоте) является набором низкоомных секций фильтра, носящих емкостной характер, между которыми расположены высокоомные секции фильтра, образованные участками прямоугольного волновода между соседними вдоль широкой стенки прямоугольного волновода диафрагмами и носящие индуктивный характер, количество диафрагм одинаковой высоты вдоль каждой из стенок прямоугольного волновода является четным, в прямоугольный волновод ближе к краям со стороны его широких стенок встроены напротив друг друга несколько пар дополнительных диафрагм разной, уменьшающейся к краям прямоугольного волновода высоты, образующих согласующие секции фильтра, а также со стороны одной из широких стенок прямоугольного волновода в прорезанные щели в середине фильтра в центральной высокоомной секции фильтра симметрично относительно продольного сечения фильтра, проходящего через середину широких стенок прямоугольного волновода, встроены две механически перестраиваемые по глубине погружения диафрагмы, причем все не перестраиваемые по глубине погружения диафрагмы размещены внутри прямоугольного волновода и разделены на две одинаковые половины промежутком, расположенным вдоль продольного сечения фильтра, проходящего через середину широких стенок прямоугольного волновода.
В частном случае реализации по п. 2 прямоугольный волновод выполнен с возможностью разделения на две одинаковые половины, стыкующиеся по продольному сечению фильтра, проходящему через середину широких стенок прямоугольного волновода.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На Фиг. 1-4 представлен один из вариантов реализации перестраиваемого волноводного фильтра нижних частот: Фиг. 1 - трехмерное изображение; Фиг. 2 - продольное сечение в вертикальной плоскости; Фиг. 3 - продольное сечение в горизонтальной плоскости; Фиг. 4 - поперечное сечение в вертикальной плоскости.
Сущность изобретения определяется формулой и не ограничивается приведенным вариантом волноводного фильтра нижних частот (далее фильтр).
2
1
Предлагаемый фильтр состоит из прямоугольного волновода 1 конечной длины с фланцами, нескольких одинаковых низкоомных секций (в приведенном варианте их четыре), образованных четным количеством встроенных в прямоугольный волновод 1 со стороны его широких стенок напротив друг друга пар диафрагм 2 с зазором Δ между ними, и нескольких высокоомных секций (в приведенном варианте их три), образованных участками прямоугольного волновода 1, расположенными между соседними вдоль широкой стенки прямоугольного волновода 1 диафрагмами 2, разнесенными на расстояние Δ друг от друга. Низкоомные и высокоомные секции совместно обеспечивают подавление вне полосы пропускания. Количество низкоомных и высокоомных секций в общем случае определяется необходимой величиной подавления в полосе запирания, а также определяется максимальным значением динамического диапазона векторного анализатора цепей, применяемого в измерениях характеристик изготавливаемого фильтра.
В конструкцию фильтра входят также несколько согласующих секций, образованных встроенными в прямоугольный волновод 1 ближе к краям со стороны его широких стенок напротив друг друга несколькими парами дополнительных диафрагм 3 (в приведенном варианте две пары) разной, уменьшающейся к краям прямоугольного волновода высоты. Эти секции предназначены для согласования с входным и выходным волноводами, что обеспечивает минимизацию коэффициента отражения и, соответственно, увеличение коэффициента прохождения во всей рабочей полосе пропускания фильтра, т.е. в конечном итоге минимизацию потерь в полосе пропускания фильтра. Количество согласующих секций в общем случае определяется необходимой величиной потерь в полосе пропускания, а также определяется минимальным значением динамического диапазона векторного анализатора цепей, применяемого в измерениях характеристик изготавливаемого фильтра.
Кроме того, со стороны одной из широких стенок волновода 1 в прорезанные щели в середине фильтра в центральной высокоомной секции фильтра симметрично относительно продольного сечения фильтра, проходящего через середину широких стенок прямоугольного волновода 1, встроены две механически перестраиваемые по глубине погружения диафрагмы 4, изменяющие частоту среза фильтра нижних частот за счет изменения индуктивности центральной высокоомной секции фильтра, что отражается на частоте среза фильтра в целом. Перестройка по частоте необходима для компенсации ухода частоты среза, связанной с конструктивными и технологическими погрешностями при изготовлении фильтра.
3
Все не перестраиваемые по глубине погружения диафрагмы 2 и дополнительные диафрагмы 3 размещены внутри прямоугольного волновода 1 и разделены на две одинаковые части промежутком Δ, расположенным вдоль продольного сечения фильтра, проходящего через середину широких стенок прямоугольного волновода 1.
3
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
3
1
2
3
Работу предлагаемого фильтра можно пояснить на основе фильтра-прототипа с сосредоточенными элементами. Рассмотрим низкоомные и высокоомные секции, которые обеспечивают подавление вне полосы пропускания фильтра. Каждая из диафрагм 2, расположенных на широкой стенке прямоугольного волновода 1, разделена на две части с промежутком между частями Δ. Зазор Δ между расположенными напротив друг друга по широким стенкам прямоугольного волновода 1 парами диафрагм 2 носит емкостной характер. Зазор Δ между расположенными по одной широкой стенке прямоугольного волновода 1 соседними диафрагмами 2 носит индуктивный характер. Таким образом, реализуется классическая схема трехзвенного фильтра-прототипа. Изменение частоты среза фильтра достигается двумя способами: изменением емкостного зазора Δ между диафрагмами 2, либо изменением индуктивного зазора Δ. Уменьшение емкостного зазора Δ, так же как и увеличение индуктивного зазора Δ, приводит к уменьшению частоты среза фильтра, и наоборот, увеличение емкостного зазора Δ диафрагм 2 и уменьшение индуктивного зазора Δ этих же диафрагм 2 приводит к увеличению частоты среза фильтра. Ширина полосы подавления также зависит от величины зазоров Δ, Δ и промежутка Δ, величина подавления и крутизна характеристики определяется как величиной зазоров Δ, Δ и промежутка Δ, так и количеством секций фильтра. Регулировка частоты среза фильтра осуществляется введением в центральную часть фильтра двух механически перестраиваемых по глубине погружения диафрагм 4, изменяющих индуктивность центральной высокоомной секции фильтра, что приводит к смещению частоты среза фильтра.
Например, в 3-сантиметровом диапазоне длин волн возможна реализация фильтра, аналогичного приведенному в примере на Фиг. 1-4, со следующими характеристиками:
1
2
3
- частота среза фильтра в зависимости от величины зазоров Δ, Δ и промежутка Δ может быть наперед заданной в диапазоне от 8 до 12 ГГц;
- подавление паразитных сигналов осуществляется до частот, превышающих частоту среза более чем в два раза;
- потери в полосе пропускания составляют менее 0,2 дБ в положении, когда диафрагмы 4 не введены в центральную секцию фильтра;
- при длине фильтра порядка 80 мм обеспечивается подавление паразитных сигналов на уровне до 80 дБ;
- механическая перестройка частоты среза фильтра составляет 3% от частоты среза, при этом коэффициент прохождения в рабочей полосе фильтра составляет не менее -3 дБ во всем диапазоне изменении глубины погружения пластин.
2
Конструкция фильтра в варианте, представленном на Фиг. 1-4, реализована и проверена в 3-сантиметровом диапазоне длин волн. Количество низкоомных и высокоомных секций фильтра было выбрано исходя из возможностей измерения подавления на располагаемой авторами аппаратуре с динамическим диапазоном не превышающим 90 дБ (векторный анализатор цепей Agilent Е5071С). Полная длина фильтра составляет 77,5 мм. Емкостной зазор между парами диафрагмам 2 в реализованном фильтре составляет Δ=1,5 мм, что обеспечивает хорошую электрическую прочность фильтра. Для обеспечения электропрочности устройства кромки дополнительных диафрагм 3 и диафрагм 2 скруглены. Максимальный уровень импульсной СВЧ мощности в 3-сантиметровом диапазоне длин волн составляет ~50 кВт при длительности импульсов порядка одной микросекунды. Без введения двух механически перестраиваемых по глубине погружения диафрагм 4 потери в полосе пропускания фильтра не превышают 0,2 дБ. Введение в центральную секцию фильтра двух механически перестраиваемых по глубине погружения диафрагм 4 приводит к смещению частоты среза фильтра на величину от 0 до 3% от частоты среза в зависимости от глубины введения, а также к увеличению потерь в полосе пропускания фильтра, которые, однако, не превышают 3 дБ (несущественны).
Кроме того, техническая реализация прототипа возможна методом гальванического покрытия, описанного, например в книге Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот / А.Ф. Харвей - Москва: Советское Радио, 1965. С. 126-33. Гальваническое покрытие таких конструкций обладает рядом технических проблем:
1. В углах (прямых) значительно дольше происходит наращивание меди, чем на горизонтальных участках одноразовой оправки из сплава Д16Т.
2. В процессе изготовления возможно неполное вытравливание оправки из углов медной детали. Остатки оправки в зависимости от размера невытравленных фрагментов могут не только ухудшить технические характеристики изготовленного фильтра, но и даже привести к его полной неработоспособности.
Можно также добавить, что процесс гальванического покрытия достаточно энергозатратный и трудоемкий и, соответственно, дорогостоящий.
В отличие от прототипа разделение всех расположенных по широкой стенке волновода диафрагм на две части обеспечивает технологичность конструкции данного фильтра при способе его изготовления с использованием пайки, когда отдельные части диафрагм впаиваются в прорези прямоугольного волновода. При использовании данной конфигурации диафрагм прорези в прямоугольном волноводе 1 неполностью пересекают широкую и узкую стенки прямоугольного волновода 1, что обеспечивает механическую прочность отдельной детали - прямоугольного волновода 1 с прорезями для диафрагм - и, соответственно, точность изготовления фильтра в целом.
В частном случае реализации изобретения по п.2 прямоугольный волновод 1 может быть выполнен с возможностью разделения на две одинаковые половины, стыкующиеся по продольному сечению фильтра, проходящему через середину широких стенок прямоугольного волновода 1. При этом высокочастотные токи на стенках фильтра в данном сечении чисто продольные, что практически исключает влияние данного стыка на работу и характеристики фильтра. Две одинаковые половины фильтра могут быть изготовлены методом фрезеровки и электроэрозионной обработки, а фильтр в целом собран без применения пайки. Применение пайки при изготовлении фильтра имеет ряд недостатков. Одним из них является возможность попадания припоя внутрь объема фильтра в процессе пайки. Другим недостатком является возможность появления утечек СВЧ мощности, связанных с непропайкой поверхностей дополнительных диафрагм 3, и диафрагм 2, что приведет к дополнительным потерям и несоответствию заданным характеристикам фильтра. Данные недостатки полностью исключаются при изготовлении фильтра методом фрезеровки и эрозии.
Таким образом, предлагаемый волноводный фильтр нижний частот, так же как и прототип, обеспечивает подавление паразитных сигналов на частотах, превышающих частоту среза не менее чем в два раза, и, в отличие от прототипа, прост и относительного дешев в изготовлении, имеет перестройку частоты среза и обладает минимальными потерями в полосе пропускания.
В дополнение к основному назначению фильтра по подавлению внеполосных и паразитных колебаний в волноводных трактах отметим, что с помощью перестраиваемого волноводного фильтра нижних частот можно в узкой (~3%) полосе частот проводить измерения частоты микроволновых генераторов. Используя набор перестраиваемых ФНЧ с отличающимися более чем на 3% частотами отсечек можно грубо определять частоту микроволнового излучения и в широкой полосе частот. Используя метод измерения спектра, описанный в работе Гойхман, М.Б. Моделирование измерения спектров микроволновых импульсов с помощью фильтров верхних частот / М.Б. Гойхман, А.В. Громов, С.П. Марьев, А.В. Палицин, Ю.В. Родин, С.Е. Фильченков // Электромагнитные волны и электронные системы. 2014. Т. 19, №11. С. 10-16, можно также с помощью предлагаемого перестраиваемого фильтра получать амплитудные спектры микроволновых импульсов.