Частотные характеристики трехзвенных фильтров на волноводно-щелевых мембранах (вщм) с различными величинами межмебранного зазора

ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРЕХЗВЕННЫХ ФИЛЬТРОВ НА ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫХ МЕМБРАНАХ (ВЩМ) С РАЗЛИЧНЫМИ ВЕЛИЧИНАМИ МЕЖМЕБРАННОГО ЗАЗОРА

Копылов Алексей Филиппович

канд. техн. наук, доцент кафедры Радиотехники Института инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета, РФ,

г. Красноярск E-mail: kopaph@yandex. ru Копылова Наталья Алексеевна магистр кафедры Приборостроения и наноэлектроники Института инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального

университета, РФ, г. Красноярск Забродин Андрей Николаевич студент кафедры Радиотехника Института инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета, РФ, г. Красноярск

FREQUENCY CHARACTERISTICS OF THE THREE-STAGE FILTERS ON BASIS OF WAVEGUIDE-SLOT MEMBRANES (WSM) WITH DIFFERENT VALUES OF THE INTERMEMBRANE GAPS

Alexei Kopylov

candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Radio Engineering Department of Technical Physics and Radio Engineering Institute of Siberian

Federal University, Russia, Krasnoyarsk

Natalia Kopylova

student-Master of Department of Radio-Instrument of Technical Physics and Radio Engineering Institute of Siberian Federal University, Russia, Krasnoyarsk

Andrei Zabrodin

student of Radio-Engineering Department of Technical Physics and Radio Engineering Institute of Siberian Federal University, Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

В работе представлены результаты экспериментального исследования амплитудно-частотных характеристик и частотных характеристик КСВН входа трехзвенных волноводных фильтров на волноводно-щелевых мембранах (ВЩМ) в диапазоне частот от 4 до 8,8 ГГц. Фильтры представляют собой две ВЩМ с шириной щели 3 мм, разделенных межмембранным зазором 4 мм, 6 мм или 10 мм. Показано, как изменяются частотные характеристики фильтров при различных величинах межмембранных зазоров.

ABSTRACT

Created by DocuFreezer | www.DocuFreezer.com |

The paper presents the results of an experimental study of the amplitude-frequency characteristics and frequency characteristics of the input VSWR of the three-stage waveguide-slot membranes filters (WSM) for the microwaves from 4 to 8,8 GHz. Filters are represents two WSM with a slot width of 3 mm, separated intermembrane gap of 4 mm, 6 mm or 10 mm. Shows how to change the frequency response of filters for different values of the intermembrane distance.

Ключевые слова: СВЧ фильтры на волноводно-щелевых мембранах (ВЩМ); межмембранные зазоры в фильтрах на ВЩМ; iris-фильтры.

Keywords: microwaves waveguide-slot membranes (WSM) filters; intermembrane gaps in WSM-filters; iris-filters.

В ранее опубликованных работах авторов [1; 2] были проведены экспериментальные исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и частотных характеристик коэффициента стоячей волны со входа (КСВН) однозвенных и многозвенных фильтров на волноводно-щелевых мембранах

(ВЩМ), представляющих собой либо одиночные мембраны с выполненными в них щелями простой геометрической формы, либо сложные многозвенные конструкции с каскадным набором одиночных мембран с существенно различающимися между собой щелями. Эти исследования поводились для одиночных ВЩМ с ширинами щелей 1 мм, 3 мм, 7 мм и 22 мм и для многозвенных фильтров на основе чередующихся мембран с величинами щелей 7 мм и 22 мм.

В настоящей работе мы провели экспериментальное исследование влияния величины межмембранного зазора на АЧХ и частотные характеристики КСВН входа трехзвенных фильтров на ВЩМ с целью оценки такого влияния на результирующие частотные характеристики этих фильтров.

Конструкция исследованных фильтров показана схематически на рисунке 1 а, б. На рисунке 1 а показан топологический рисунок ВЩМ со щелью шириной 3 мм, вписанный в рабочее окно волновода 15х35 мм. Для удобства дальнейшего

изложения назовем ВЩМ с зазором 3 мм «узкими ВЩМ», а ВЩМ с рабочим окном 15х35 мм «широкими ВЩМ».

На рисунке 1 б показана конструкция исследованных фильтров в поперечном разрезе. Символом «И» обозначена величина зазора между мембранами с шириной щели 3 мм, она же и есть толщина широкой ВЩМ. Рабочее окно зазора равно рабочему окну волновода 15х35 мм. Толщина зазора «И» в макете фильтра обеспечивается соответствующим набором имевшихся в нашем распоряжении специально изготовленных для этого ВЩМ из алюминиевой фольги толщиной 0,25 мм с рабочим окном, равным рабочему окну волновода 15х35 мм. Толщина узких ВЩМ в наших экспериментах была равна 0,25 мм, что определялось только соображениями механической прочности этих ВЩМ. Толщины широких ВЩМ выбрали равными 1 мм из тех соображений, чтобы, варьируя числом каскадно соединенных между собой широких ВЩМ, можно было подбирать величины двух зазоров между двумя узкими ВЩМ с дискретностью, равной 1 мм. Для проведения измерений мы приняли три варианта величины зазоров между узкими ВЩМ: 4 мм, 6 мм, 10 мм. Такой выбор толщин зазоров между узкими ВЩМ в трехкаскадном фильтре был обусловлен следующими соображениями: величина 6 мм оказывается близкой к 1/8 длины волны на центральной частоте диапазона рабочих частот (около 6 ГГц) волновода с рабочим окном 15х35 мм и представляет собой трансформатор импедансов, а величины 4 мм и 10 мм имеют достаточно большие отклонения от величины 6 мм для того, чтобы отследить тенденции изменения параметров частотных характеристик трехзвенных фильтров на ВЩМ при изменении зазоров между узкими ВЩМ.

ВЩМ с шириной щели 3 мм толщиной 0,25 мм

15 мм

3 мм

ВЩМ с шириной щели 15 мм толщиной h мм

а

а б

Рисунок 1. Схематическая конструкция 3-звенного фильтра на ВЩМ: а — топологический рисунок ВЩМ со щелью шириной 3 мм; б — схема каскадного включения ВЩМ в фильтре

Для исследования характеристик трехзвенных фильтров на ВЩМ нами были выбраны амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и частотные характеристики КСВН входа фильтров. Нам представляется, что эти характеристики наиболее информативны для оценки влияния зазоров между тонкими ВЩМ в многозвенных фильтрах на этих мембранах на характеристики фильтров.

Исследования частотных характеристик фильтров на ВЩМ проводились в диапазоне 4...8,85 ГГц с использованием измерительной установки, собранной по схеме, показанной на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема измерительной установки для экспериментального исследования частотных характеристик фильтров на ВЩМ

Измерительная установка функционирует следующим образом. Генератор качающейся частоты (ГКЧ) вырабатывает синусоидальный СВЧ сигнал, который модулируется частотой 100 кГц. С ГКЧ сигнал поступает на первый направленный ответвитель НО1 (ответвитель падающей волны), включенный «на проход». Примерно 1/100 часть сигнала с НО1, или -20 дБ относительно мощности основного канала, ответвляется и через детектор Д1 поступает на коаксиальный тройник (Т-разветвитель), с которого идет на вход канала падающей волны индикатора 1 (индикатор канала затуханий) и на вход сигнала падающей волны индикатора 2 (индикатор канала КСВН, или отражений). Основной сигнал проходит через первый коаксиальный направленный ответвитель НО1 на второй коаксиальный направленный ответвитель НО2,

включенный «на отражение». Включенный «на отражение» НО2 ответвляет 1/100 (-20 дБ) часть сигнала, отраженного от первого волноводно-коаксиального перехода ВКП1, и подает его на детектор Д2. С детектора Д2 сигнал отраженной волны поступает на вход канала отраженной волны индикатора 2 через коаксиальный кабель, обозначенный как «Отраженная волна» на рисунке 2. Основной же сигнал проходит далее через второй коаксиальный направленный ответвитель НО2 на первый волноводно-коаксиальный переход ВКП1, далее на исследуемый фильтр на ВЩМ, затем на второй волноводно-коаксиальный переход ВКП2 и далее через ряд коаксиальных переходов на третий направленный ответвитель (ответвитель проходящей волны) НО3. Ответвитель проходящей волны НО3 ответвляет 1/100 часть проходящей через него мощности основного сигнала и через детектор Д3 этот ответвленный сигнал по коаксиальному кабелю (обозначен как «Проходящая волна» на рисунке 2) поступает на вход канала прошедшей волны индикатора 1 (канала затуханий). Прошедший через НО3 основной сигнал через ряд коаксиальных переходов поступает на согласованную нагрузку ЯН, которая имеет КСВН входа около 1,05. При такой схеме включения индикатор 1 канала затуханий показывает АЧХ измеряемого фильтра на ВЩМ (в совокупности со всеми влияющими на эту величину параметрами элементов СВЧ тракта), а индикатор 2 канала отраженной волны показывает частотную характеристику КСВН входа измеряемого фильтра на ВЩМ в заданном диапазоне частот ГКЧ.

Как видно из приведенного описания, такой состав измерительной установки и соответствующая ему схема включения позволяет одновременно наблюдать на экране индикатора 1 канала проходящего сигнала и на экране индикатора 2 отраженного сигнала АЧХ и частотные характеристики КСВН входа измеряемой системы ВЩМ, соответственно. При этом реализуется возможность калибровки канала проходящего сигнала и канала отраженного сигнала независимо друг от друга на индикаторах соответствующих каналов: на индикаторе 1 — канала проходящего сигнала; на индикаторе 2 — канала отраженного сигнала.

На Рис. 3 показана фотография измерительной установки, предназначенной для исследования частотных характеристик фильтров на ВЩМ.

3 2

Рисунок 3. Фотография измерительной установки для исследования

частотных характеристик ВЩМ

На этом рисунке обозначены: 1 — генератор качающейся частоты диапазона частот 4,0...8,85 ГГц; 2 — индикатор 1 канала проходящей волны; 3 — индикатор 2 канала отраженной волны; 4 — коаксиальный направленный ответвитель НО1 канала падающей волны; 5 — первая детекторная секция Д1 сигнала падающей волны; 6 — коаксиальный тройник (Т-разветвитель), с которого сигнал падающей волны идет на соответствующие входы индикатора 1 канала затуханий и индикатора 2 канала КСВН, или отражений; 7 — коаксиальный направленный ответвитель НО2 канала отраженной волны; 8 — вторая детекторная секция Д2 канала отраженной волны; 9 — коаксиальные переходы от НО2 к первому ВКП; 10 — первый (входной) ВКП; 11 — исследуемый фильтр на ВЩМ; 12 — второй (выходной) ВКП; 13 — коаксиальные переходы от второго ВКП к третьему направленному ответвителю

НО3; 14 — третий коаксиальный направленный ответвитель НО3 канала проходящей волны; 15 — третья детекторная секция Д3 сигнала проходящей волны; 16 — согласованная нагрузка с КСВН 1,05.

На рисунках 4—6 приведены экспериментальные частотные характеристики трехзвенных фильтров с каскадным включением ВЩМ с шириной щели 3 мм толщиной 1 мм и ВЩМ с шириной щели 15 мм толщиной 4 мм (рисунки 4 а, б), толщиной 6 мм (рисунки 5 а, б), толщиной 10 мм (рисунки 10 а, б). На всех этих рисунках с индексом «а» приведены АЧХ фильтров, с индексом «б» — частотные характеристики |КСВН| входа фильтров. На рисунках с индексом «а» по вертикальной оси прямоугольной системы координат отложены значения модуля коэффициента передачи |КР| соответствующего фильтра в децибелах (дБ), по горизонтальной оси — значения частот в ГГц. На рисунках с индексом «б» по вертикальной оси прямоугольной системы координат отложены значения модуля коэффициента стоячей волны напряжения |КСВН| входа соответствующего фильтра в относительных единицах (отн. ед.), по горизонтальной оси — значения частот в ГГц от 4 до 8,8 ГГц.

На рисунке 4 а, б, показаны экспериментальные частотные характеристики трехзвенного фильтра, представляющего собой каскадное включение ВЩМ с шириной щели 3 мм и толщиной 0,25 мм, ВЩМ с шириной щели 15 мм и толщиной 4 мм, ВЩМ с шириной щели 3 мм и толщиной 0,25 мм.

Далее в тексте этот фильтр со структурой «ВЩМ 3 мм (0,25 мм) + ВЩМ 15 мм (4 мм) + ВЩМ 3 мм (0,25 мм)» для краткости именуется как фильтр со структурой «3 мм + 15 мм (4 мм) + 3 мм». На рисунке 4 а приведена амплитудно-частотная характеристика, на рисунке 4 б — частотная характеристика |КСВН| входа такого фильтра.

Как видно из рисунка 4 а, исследуемый фильтр имеет АЧХ полосно-пропускающего типа в диапазоне частот от 4,4 ГГц до 7,0 ГГц с вносимыми потерями на уровне от 0,1 дБ до 3 дБ. На частоте около 7,75 ГГц фильтр становится полосно-заграждающим резонансного типа (типа фильтра-пробки) с подавлением до 38 дБ. Примерно такой же уровень подавления обеспечивается

фильтром и на нижних частотах выбранной нами для исследования полосы частот — в районе 4,0—4,1 ГГц. При увеличении частоты выше значения 7,75 ГГц фильтр остается полосно-заграждающим, но с существенно меньшим уровнем затухания сигнала, от 21 дБ до 26 дБ на частотах от 8,0 ГГц до 8,85 ГГц. Для этой полосы частот фильтр можно считать широкополосным ПЗФ.

Показанная на рисунке 4 б частотная характеристика КСВН входа этого фильтра соответствует АЧХ фильтра и показывает минимальные отражения в полосе прозрачности фильтра от 4,4 ГГц до 7,0 ГГц и максимальные отражения от входа фильтра на частотах выше 7,5 ГГц. При этом максимальные значения КСВН входа фильтра достигают очень больших величин, скачкообразно стремящихся к бесконечности в диапазоне частот от 7,3 ГГц до 8,85 ГГц.

На рисунке 5 а, б, показаны экспериментальные частотные характеристики трехзвенного фильтра, представляющего собой каскадное включение ВЩМ с шириной щели 3 мм и толщиной 0,25 мм, ВЩМ с шириной щели 15 мм и толщиной 6 мм, ВЩМ с шириной щели 3 мм и толщиной 0,25 мм. Далее в тексте этот фильтр со структурой «ВЩМ 3 мм (0,25 мм) + ВЩМ 15 мм (6 мм) + ВЩМ 3 мм (0,25 мм)» для краткости именуется как фильтр со структурой «3 мм + 15 мм (6 мм) + 3 мм», или как «фильтр с 4 мм зазором». На рисунке 5 а приведена амплитудно-частотная характеристика, на рисунке 5 б — частотная характеристика |КСВН| входа этого фильтра.

9

Частота, ГГц

а

л X

ч о

ю «

и

ЕГ «

О ё ев Н X <и X

а

х

т о и л

ч ^

ч о

ч и

к ё

РН т о К.

а ч о X и

о

о «

к

X

<и «

л с

ев X

20 16

14 12 10'

4 ...........-"--

8 9

Частота, ГГц

б

Рисунок 4. Частотные характеристики трехзвенного фильтра на ВЩМ со

структурой «3мм +15мм (4мм) + 3мм»: а — АЧХ, б — частотная

характеристика \КСВН\ входа

Как видно из рисунка 5 а, фильтр со структурой «3 мм + 15 мм (6 мм) + 3 мм» (фильтр с 6-мм зазором) так же, как и предыдущий фильтр со структурой «3 мм + 15 мм (4 мм) + 3 мм» (фильтр с 4-мм зазором), имеет АЧХ полосно-пропускающего типа в диапазоне частот от 4,5 ГГц до 7,0 ГГц с теми же примерно параметрами потерь сигнала в этой полосе, составляющими от 0,1 дБ до 3 дБ. Аналогично фильтру с 4-мм зазором (рисунок 4 а), фильтр с 6-мм зазором (рисунок 5 а) на более высоких частотах показывает свойства полоснозаграждающего резонансного типа, или фильтра-пробки. Однако, в отличие от фильтра с 4-мм зазором (рисунок 4 а), максимум потерь фильтра с 6мм зазором (рисунок 5 а) находится на существенно более высокой частоте — около 8 ГГц, и величина вносимых потерь на этой частоте также заметно выше — до 40 дБ. При дальнейшем увеличении частоты выше 8 ГГц, фильтр с 6-мм зазором так же, как и фильтр с 4-мм зазором демонстрирует АЧХ широкополосного ПЗФ, но также с существенно большими вносимыми потерями — от -26 дБ до -40 дБ в диапазоне 8,0 ГГц—8,85 ГГц. Кроме того, полоса задерживания по уровню коэффициента передачи |КР| = -3 дБ фильтра с 6-мм зазором начинается с частоты 7,0 ГГц, тогда, как у фильтра с 4-мм зазором

да

6

2

1

она начинается с частоты 7,1 ГГц по тому же уровню затухания сигнала в фильтре.

Частотная характеристика КСВН входа фильтра с 6-мм зазором (рисунок 5 б), соответствует АЧХ этого фильтра и показывает минимальные отражения в полосе прозрачности фильтра от 4,4 ГГц до 7,0 ГГц и максимальные отражения от входа фильтра на частотах выше 7,5 ГГц аналогично тому, как это было для фильтра с 4-мм зазором (рисунок 4 б). Однако, в среднем КСВН входа фильтра с 6-мм зазором существенно выше, чем в среднем КСВН входа фильтра с 4-мм зазором (см. рисунки 5 б и 4 б).

РЧ

ч

"л

к

£

ч «

а «

с й н X <и

х а х

т о и

Л £

ч о

0 -10 -20 -30 -40 -50 -60

4

8 9

Частота, ГГц

а

л X

ч о

и

«

и

сг «

о н о

ей

н X <и X

а

х

о и

Л

ч ^

ч о

ч и

к н о

т

о К.

а ч о X и

о

о «

к

X <и

СР

с

ей X

да 20' 16

14

12

10

6 ............\~~Р

8 9

Частота, ГГц

б

5

7

6

4

2

4

5

6

7

Рисунок 5. Частотные характеристики трехзвенного фильтра на ВЩМ со

структурой «3мм +15мм (6мм) + 3мм»: а — АЧХ, б — частотная

характеристика \КСВН\ входа

Кроме того, наблюдается существенное увеличение крутизны перехода кривой КСВН входа от полосы пропускания к полосе подавления на нижних частотах диапазона 4,0 ГГ—4,5 ГГц для фильтра с 6-мм зазором по сравнению с крутизной аналогичной кривой в том же диапазоне частот для фильтра с 4-мм зазором.

На рисунке 6 а, б, показаны экспериментальные частотные характеристики трехзвенного фильтра, представляющего собой каскадное включение ВЩМ с шириной щели 3 мм и толщиной 0,25 мм, ВЩМ с шириной щели 15 мм и толщиной 10 мм, ВЩМ с шириной щели 3 мм и толщиной 0,25 мм. Далее в тексте этот фильтр со структурой «ВЩМ 3 мм (0,25 мм) + ВЩМ 15 мм (10 мм) + ВЩМ 3 мм (0,25 мм)» для краткости именуется как фильтр со структурой «3 мм + 15 мм (10 мм) + 3 мм», или как «фильтр с 10-мм зазором». На рисунке 6 а приведена амплитудно-частотная характеристика, на рисунке 6 б — частотная характеристика |КСВН| входа этого фильтра.

Как видно из рисунка 6 а, фильтр с 10-мм зазором так же, как и фильтры со структурой с 4-мм зазором и фильтр с 6-мм зазором, имеет АЧХ полосно-пропускающего типа в диапазоне частот от 4,5 ГГц до 6,4 ГГц с теми же примерно параметрами потерь сигнала в этой полосе, составляющими от 0,1 дБ до 3 дБ. На более высоких частотах фильтр с 10-мм зазором также показывает свойства полоснозаграждающего резонансного типа, или фильтра-пробки. Однако, теперь частота максимального вносимого фильтром затухания становится еще выше и достигает значения 8,7 ГГц при величине вносимого затухания более 50 дБ (см. рисунок 6 а). Кроме того, полоса задерживания по уровню коэффициента передачи |Кр| = -3 дБ фильтра с 10-мм зазором начинается с частоты 6,4 ГГц, тогда, как у фильтра с 4-мм зазором она начинается с частоты 7,1 ГГц по тому же уровню затухания сигнала в фильтре (рисунок 4 а), а у фильтра с 6-мм зазором — с частоты 7,0 ГГц (рисунок 5 а).

Частотная характеристика КСВН входа фильтра с 10-мм зазором (рисунок 6 б), соответствует АЧХ этого фильтра и показывает минимальные отражения в полосе прозрачности фильтра от 4,4 ГГц до 6,4 ГГц и максимальные отражения от входа фильтра на частотах выше 6,4 ГГц аналогично тому, как это было как для фильтра с 4-мм зазором (рисунок 4 б), так и для фильтра с 6-мм зазором (рисунок 5 б). В среднем КСВН входа фильтра с 10-мм зазором существенно выше, чем в среднем КСВН входа фильтров с 4-мм и с 6-мм зазорами.

РЧ

ч

"л

к

£

ч «

а «

с й н X <и

х а х

т о и

Л Ч

0 -10 -20 -30 -40 -50 -60

4

л X

ч о

и

«

и

сг «

о н о

й н X <и X

а

х

о и

Л

ч ^

ч о

ч и

к н о

РН т о К.

й Ч О X и

о

о «

к

X <и

С й X

да 20' 16

14 12

10 6

4

8 9

Частота, ГГц

а

к..................../и...

\ я ч.................и.......

и Ч

я 1 и

и и 1

.....1и...........

>.................. .....Й.*7........... и

и

8 9

Частота, ГГц

б

Рисунок 6. Частотные характеристики трехзвенного фильтра на ВЩМ со структурой «3 мм +15 мм (10 мм) + 3 мм»: а — А ЧХ, б — частотная

характеристика \КСВН\ входа

5

7

6

2

1

¿

5

6

7

Таким образом, можно констатировать, что при увеличении межмембранного зазора от 4 мм до 10 мм в исследованном трехзвенном фильтре на ВЩМ, происходит уменьшение полосы частот пропускания и увеличение полосы частот задерживания; полоса частот задерживания увеличивается; увеличиваются потери, вносимые в полосе задерживания; крутизна падения высокочастотного фронта характеристики затухания при переходе от полосы задерживания к полосе пропускания существенно уменьшается; крутизна возрастания низкочастотного фронта характеристики затухания при переходе от полосы пропускания к полосе задерживания существенно увеличивается; частота максимума вносимых фильтром потерь существенно увеличивается; КСВН входа в полосе прозрачности в среднем уменьшается; КСВН входа в полосе задерживания в среднем увеличивается.

Список литературы:

1. Копылов А.Ф., Копылова Н.А., Патуров Д.Е. Исследование частотных характеристик щелевых структур в прямоугольном волноводе // Всероссийская научно-техническая конференция «Системы связи и радионавигации»: сб. тезисов / Научн. ред. акад. РАН В.Ф. Шабанов; отв. за вып. А.Н. Фролов. Красноярск: ОАО «НПП «Радиосвязь», 2014. — 156 с. — С. 14—16. ISBN 978-5-9905691-0-2.

2. Мосейчук Р.С., Копылова Н.А., Копылов А.Ф. Исследование резонансно-щелевых топологических структур для создания волноводных фильтров СВЧ // Материалы VII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, посвящённой 50-летию первого полёта человека в космос. г. Красноярск, 19—25 апреля 2011 г. [Электронный ресурс] / отв. ред. О.А. Краев Красноярск : Сиб. федер. ун-т., 2011.