СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФЕРРИТОВЫЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к радиоэлектронике и сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, а именно, к многорезонаторным электрически перестраиваемых по частоте фильтрам, содержащим в качестве резонаторов намагниченные электромагнитом ферритовые миниатюрные сферические образцы, окруженные витковыми элементами связи (ВЭС).
СВЧ фильтры, содержащие миниатюрные ферритовые сферические резонаторы, широко известны (см. В.В. Рогозин В.И. Чуркин. - Ферритовые фильтры и ограничители мощности. - М, Радио и Связь, 1985). Одним из многочисленных достоинств СВЧ ферритовых фильтров (ФФ) на ферритовых резонаторах (ФР) является возможность получения высокой скорости перестройки резонансной частоты при создании специальных конструкций, удовлетворяющих определенным необходимым требованиям. Эти требования в основном сводятся к тому, чтобы, во-первых, индуктивность катушек управления фильтров была как можно меньше при условии обеспечения необходимого по ширине диапазона перестройки резонансной частоты и достижения допустимого расхода энергии источника управления. Это обеспечивает меньшее запаздывание нарастания импульса тока в катушках относительно переднего фронта импульса тока управления внешнего источника. Во-вторых, происходит запаздывание магнитного поля в рабочем зазоре электромагнита из-за возникновения вихревых токов в магнитопроводе и металлических деталях фильтра, размещенных перпендикулярно направлению магнитного поля в зазоре электромагнита. С целью уменьшения вихревых токов сердечник магнитопровода вместо целого куска стали либо пермаллоя делают слоистым (шихтованный магнитопровод), либо изготавливают непроводящий ток магнитопровод из феррита (прессованный). В последнем случае время перестройки обычного ферритового фильтра в октавном диапазоне частот соответственно меняется от 10 до 0,1 мс. (см. K.D. Gilbert. - Microwave Journ. - V. 13, №6, p. 36-40, 1970). В известных быстродействующих фильтрах устранены металлические детали, плоскости которых расположены перпендикулярно магнитному полю в рабочем зазоре электромагнита. Такие фильтры имеют время переключения частоты сигнала на 200 МГц порядка единиц и долей микросекунд и применяются обычно в качестве защитных устройств приемников от импульсов передатчика в радиолокационных станциях.
Известен волноводный быстродействующий ФФ, используемый в качестве коммутатора (см. Андреев А.К. - Исследование вопросов построения ферритовых коммутаторов СВЧ мощности на основе ФМР. - Труды IV международной конференции по гиромагнитной электронике и электродинамике. - Варна, стр. 226-232, 1982), выполненный из двух взаимно-перпендикулярных волноводов, соприкасающихся по общей широкой стенке, в которой в области круговой поляризации волноводов выполнено отверстие связи. В отверстии связи размещен миниатюрный сферический ФР, намагниченный внешним электромагнитом, создающем ферромагнитный резонанс на частоте излучаемого сигнала передатчика. Над ФР в волноводе размещена параллельно широким стенкам индуктивная петля, в которую подают от тиратрона управляющий импульс тока, синхронный с импульсом тока запуска передатчика. Мощности этого импульса достаточно, чтобы быстро (доли микросекунд) сместить частоту ферритового резонатора на 150-200 МГц от частоты передатчика и не допустить попадания СВЧ импульса передатчика в канал приемника.
Одиночная индуктивная петля, размещенная указанным способом, во-первых, не нарушает однородности СВЧ поля в волноводе и в ФР, что обеспечивает хорошие параметры фильтра, а во-вторых, практически не вызывает вихревых токов в широких стенках волноводов, так как достаточно удалена от них. Также эта петля не вызывает вихревые токи в сердечнике магнитопровода по причине удаленности от него. Для повышения заграждения вне резонанса в данном фильтре могли быть применены два ФР.
Недостатками известного фильтра являются неширокий диапазон перестройки частоты, ограниченный диапазон частот волновода (≈40%), значительный ток перестройки фильтра в диапазоне частот волновода из-за большого воздушного зазора (d) электромагнита, равного двум высотам волноводов, а также большое энергопотребление, габариты и масса.
Известна конструкция быстродействующего двухзвенного ИЖГ-фильтра со структурой связи, изготовленной фотолитографическим методом (см. Е. Schloemann, R.E. Blight, YIG - filtr recowery after exposure to higth power and X-band frequency-stepped YIG filter, IEEE MTT-S Microwave Symposium.- т. 2, стр. 329, 1983). Структура связи известного фильтра представляет собой микрополосковые линии - входную, выходную и промежуточную, нанесенные методом фотолитографии на подложку из окиси алюминия или плавленого кварца. Возле каждого из ФР микрополосковая линия расщеплена на две определенной длины, каждая из которых имеет удвоенный характеристический импеданс микрополосковой линии (обычно 50 Ом). Для получения максимальной связи длина этих разветвлений должна равняться λ/4 в середине диапазона перестройки. ФР помещены в углубление в подложке в центре разветвлений линий. Разветвления линий одновременно играют роль петель индуктивности, на которые подают импульсы тока, синхронные с импульсом передатчика. Известный фильтр обеспечивает сверхбыструю отстройку резонансной частоты от частоты СВЧ импульса передатчика на 300 МГц (X - диапазон) в промежуток времени 0,05 мкс.
Недостатками фильтра являются недостаточно широкий интервал перестройки частоты, связанный с длинной разветвлений равной λ/4, а также высокая трудоемкость ориентации ФР в изотропных направлениях, а также большой воздушный зазор электромагнита, требующий высокого энергопотребления.
Известен полосно-пропускающий СВЧ фильтр (см. патент RU 1757411, МПК Н01Р 1/218, опубликован 22.04.1992), содержащий два соосных отрезка микрополосковых линии в одной плоскости, центральные проводники которых короткозамкнуты на обращенных один к другому торцах на заземленную металлическую перегородку, разделяющую эти торцы. Два гиромагнитных резонатора, охваченные конечными участками центральных проводников, выполненных в виде радиусных изгибов, размещены на продольной оси отрезков микрополосковых линий, плоскости которых совмещены с направлением намагничивания. Против гиромагнитных резонаторов в разделяющей перегородке выполнено отверстие связи. Намагничивание резонаторов осуществляют полем шихтованного электромагнита, направленным параллельно плоскости отрезков микрополосковой линии, обеспечивающий быструю перестройку резонансной частоты. Быстрая перестройка осуществляется с помощью дополнительной катушки управления, на которую подают прямоугольный импульс тока. Фильтр обеспечивает в диапазоне 7-9 ГГц потери α≤2,0 дБ, ширину полосы пропускания 40 МГц, заграждение вне полосы пропускания ≥45 дБ, время перестройки 1 мкс при перестройке частоты на 200 МГц.
В известном фильтре на микрополосковых линиях, ориентированных плоскостями параллельно направлению намагничивающего поля, не обеспечивается рабочий зазор электромагнита меньше 3 мм, что требует больших управляющих токов для основных катушек и следовательно, не обеспечивается широкий диапазон перестройки (октава и более).
Известен сверхвысокочастотный ферритовый фильтр (см. патент RU 148202, МПК НО1Р 1/20, опубликован 27.10.2014), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Сверхвысокочастотный ферритовый фильтр содержит немагнитный корпус, расположенный в зазоре между полюсными наконечниками верхней и нижней частей электромагнита, содержащего по меньшей мере на одном на полюсном наконечнике катушку управления, по крайней мере два сферических монокристаллических ФР, ориентированных в изотропных направлениях и закрепленных на теплопроводящих металлокерамических стержнях в резонаторных камерах немагнитного корпуса, в две из которых через первые каналы в немагнитном корпусе проведены соответственно входной и выходной обрезки линии передачи. Центральные проводники этих отрезков линий передачи нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные витковые элементы связи (ВЭС), охватывающие крайние ФР. Сферические монокристаллические ФР электромагниты связаны друг с другом с помощью двойных ВЭС, короткозамкнутых на немагнитный корпус на свободных концах и соединенных пропущенными через вторые каналы немагнитного корпуса проводниками L>λ/4, где λ - длина волны в рабочем диапазоне перестройки фильтра. Одинарные и двойные ВЭС попарно ортогонально охватывают ФР. Между противолежащими торцами верхней и нижней частей электромагнита установлена металлическая прокладка толщиной 10-150 мкм, размещенная между крайним ФР, имеющим более высокую резонансную частоту, и соответствующим ему отрезком линии передачи.
Известный сверхвысокочастотный ферритовый фильтр-прототип имеет малые потери в полосе пропускания при работе в широком диапазоне частот (превышающем октаву) и широких интервалах температур. Однако фильтр-прототип имеет не достаточно высокую скорость перестройки резонансной частоты.
Задачей настоящей полезной модели является разработка сверхвысокочастотного ферритового фильтра, который бы обеспечивал повышение скорости перестройки частоты в пределах небольших частотных интервалов по заданной программе.
Поставленная задача решается тем, что сверхвысокочастотный ферритовый фильтр содержит немагнитный корпус, экранирующие диски, расположенные в зазоре между первыми полюсными наконечниками верхней и нижней частей электромагнита, содержащего первую катушку управления по меньшей мере на одном первом полюсном наконечнике, по меньшей мере два сферических монокристаллических ФР, ориентированных в изотропных направлениях и закрепленных на теплопроводящих металлокерамических стержнях в резонансных камерах немагнитного корпуса, в две из которых через первые каналы в немагнитном корпусе проведены соответственно входной и выходной отрезки линий передачи, центральные проводники которых нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные ВЭС, охватывающие крайние сферические монокристаллические ФР. Монокристаллические 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. Одинарные ВЭС и двойные ВЭС попарно ортогонально охватывают сферические монокристаллические ферритовые резонаторы. Новым в настоящем СВЧ ферритовом фильтре является то, что в углублениях немагнитного корпуса фильтра установлены вторые наконечники по меньшей мере с одной второй катушкой управления, расположенные соосно первым полюсным наконечникам, при этом поверхности вторых полюсных наконечников, обращенные к первым полюсным наконечникам и к экранирующим дискам, закрыты разделяющими резистивными прокладками толщиной не более 200 мкм.
Вторые полюсные наконечники могут быть выполнены по меньшей мере из двух частей, соединенных в плоскости, параллельной направлению магнитного потока.
Разделяющие резистивные прокладки могут быть выполнены, например из магнитопласта, наполненного карбонильным железом, из ткани, пропитанной поглощающей ток краской, из слоя тантала, хрома, никеля, нанесенного на вторые полюсные наконечники, из диэлектрика с большими диэлектрическими потерями, из диэлектрического упругого материала, покрытого резистивным материалом.
Между немагнитным корпусом и разделяющие резистивными прокладками установлены экранирующие диски из токопроводящего немагнитного материала толщиной 20-100 мкм.
Вторые полюсные наконечники могут быть выполнены из магнитного материала, выбранного из группы: пермаллой, пермендюр, молибденовый пермаллой, феррит, магнит на основе бария, магнит на основе самария с кобальтом, магнит на основе неодима - железа - бора, материал первого полюсного наконечника. Вторые полюсные наконечники могут быть выполнены из шихтованного железа.
Достижение повышение скорости перестройки частоты в пределах небольших частотных интервалов по заданной программе в настоящем СВЧ ферритовом фильтре обусловлено, во-первых, тем, что для получения быстродействия в небольших частотных интервалах использованы вторые миниатюрные катушки, имеющие небольшие индуктивности, по сравнению с индуктивностями первых катушек управления. Во-вторых, вторые катушки управления (а следовательно, управляющее магнитное поле, созданное ими) максимально приближены к рабочему зазору электромагнита, в котором расположены ФР. В-третьих, вторые полюсные наконечники с вторыми катушками управления отделены от первых полюсных наконечников электромагнита, содержащих первые катушки управления, разделяющей резистивной прокладкой, толщина которой не более 200 мкм, что позволяет исключить возбуждение вихревых токов в первых полюсных наконечниках от изменения магнитных полей, создаваемых вторыми катушками управления. В-четвертых, выполнение вторых полюсных наконечников из нескольких частей, по меньшей мере, двух склеенных в плоскости параллельной направлению магнитного потока, позволяет устранить часть вихревых токов в этих полюсных наконечниках. В-пятых, разделяющие резистивные прокладки, примыкающие к полюсным наконечникам и проводящим экранирующим дискам, закрывающим резонансные камеры, способствуют гашению, уменьшению вихревых токов в этих элементах.
Выбор толщины разделяющей резистивной прокладки обусловлен следующим. При толщине разделяющей резистивной прокладки более 200 мкм увеличивается зазор магнитной системы, что приводит к росту энергопотребления при перестройке основными катушками управления.
Настоящая полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлен настоящий СВЧ ферритовый фильтр без верхней части электромагнита и без дисков, экранирующих резонансные камеры;
на фиг. 2 показан вид сбоку на настоящий СВЧ ферритовый фильтр с разрезом электромагнита по продольной оси и вырезом немагнитного корпуса в области ФР;
На фиг. 3 показана крупным планом центральная часть настоящего СВЧ ферритового фильтра с разрезом электромагнита по продольной оси.
i
Изображенный на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 настоящий СВЧ ферритовый фильтр содержит немагнитный корпус 1, расположенный в зазоре высотой d между верхней частью 3 и нижней частью 4 электромагнита 5, по меньшей мере, два сферических монокристаллических ФР 6 (на рисунке показано 3 сферических монокристаллических ФР 6) закрепленных на теплопроводящих металлокерамических стержнях 7 в резонансных камерах 8, 9, 10 немагнитного корпуса 1. В две крайние резонансные 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 сферические монокристаллические ФР 6. Сферические монокристаллические ФР 6 связаны друг с другом с помощью двойных ВЭС 17, 18, 19, короткозамкнутых на немагнитных корпус 1 на свободных концах и соединенных пропущенными через вторые каналы 20, 21 немагнитного корпуса 1 проводниками 22, 23 длинной, например, 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 ортогонально охватывают сферические монокристаллические ФР 6 в каждой из резонансных 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±3В. Резонансные частоты f крайних сферических монокристаллических ФР 6 определяют по формуле:
,
где γ - гиромагнитное отношение - 2,8 МГц/Э;
а
Н - поле анизотропии сферического монокристаллического ФР 6 (в изотропном направлении равно нулю), Эрстед;
CBi
H
f - частота связи, обратно пропорциональна нагруженной добротности Q i - резонатора, МГц;
i
H - магнитное поле в рабочем зазоре d электромагнита 5 в области размещения каждого i-го ФР 6 (i=1, 2, 3), Эрстед.
Промежуточные сферические монокристаллические ФР 6 в многозвенном СВЧ ферритовом фильтре, размещенные на таких же металлокерамических стержнях 7, служат для согласования их резонансных частот с частотами крайних сферических монокристаллических 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 основных первых полюсных наконечниках 26 закреплены первые катушки 27 управления. К первым полюсным наконечникам 26 соосно прикреплены (например, приклеены) через разделяющие резистивные прокладки 28, толщиной не более 200 мкм, вторые миниатюрные полюсные наконечники 29. На вторых полюсных наконечниках установлены вторые катушки 30 управления (L=5-15 мГн, R≤10 Ом), которые размещены в углублении немагнитного корпуса 1 фильтра. Между вторыми полюсными наконечниками 29 и немагнитным корпусом 1 с ФР 6, установлены экранирующие диски 31 из токопроводящего немагнитного материала толщиной 20-100 мкм (например, из посеребренной меди) для обеспечения электрогерметичности резонансных камер 8, 9, 10, что обеспечивает высокое заграждение СВЧ ферритового фильтра вне полосы пропускания. Разделяющие резистивные прокладки 28 между вторыми полюсными наконечниками 29 и экранирующими дисками 31 могут быть выполнены из диэлектрического материала, покрытого резистивным материалом. Вторые полюсные наконечники 29 могут быть выполнены из разных магнитных материалов, в зависимости от комплекса требований к СВЧ фильтру (например из пермаллоя, пермендюра, молибденового пермаллоя, феррита, магнита на основе бария, магнита на основе самария с кобальтом, магнита на основе неодима -железа - бора), в том числе из материала электромагнита. При этом вторые полюсные наконечники 29 могут быть собраны, по меньшей мере, из двух частей, соединенных (например, склеенных) в плоскости, параллельной направлению магнитного потока (могут быть выполнены из шихтованного магнитного материала или из ферритового материала). Входной и выходной отрезки линий передачи выходят из электромагнита 5 в виде, например СВЧ коаксиальных разъемов 32 (или микрополосковых разъемов). При перестройке резонансной частоты СВЧ ферритового фильтра для устранения паразитных резонансов в полосе пропускания по меньшей мере на поверхности одного из сферических монокристаллических ФР 6 может быть выполнена локальная шероховатость 33. Намагничивающие поля Н, в области размещения ФР 6 совпадают по величине только в случае идеального изготовления и сборки СВЧ ФФ. Перекос или неравномерность поверхности полюсного наконечника вызывают несовпадение резонансных частот ФР 6, ориентированных в изотропном направлении, что вызывает иногда необходимость использования прокладок 34, помещаемых на стыке верхней 3 и нижней 4 частей электромагнита 5, против ФР 6, имеющих более высокие резонансные частоты (чаще всего, крайних ФР 6), что необходимо для обеспечения работы фильтра с небольшими потерями пропускания в широком диапазоне частоты и интервале температур. Для того, чтобы не допустить изменение высоты зазора между вторыми полюсными наконечниками 29 от изменения температуры окружающей среды, разделяющие резистивные прокладки 28 между вторыми полюсными наконечниками 29 и экранирующими дисками 31, могут быть выполнены из диэлектрического упругого материала, покрытого резистивным материалом. При этом обеспечивается повышение температурной стабильности параметров предложенного фильтра (резонансная частота, потери и полоса пропускания), а также обеспечивается постоянное высокое заграждение фильтра вне полосы пропускания, так как экранирующие диски 31 будут с одинаковым усилием прижаты к немагнитному корпусу 1 фильтра, устраняя возможное просачивание СВЧ излучения из резонансных камер 8, 9, 10, ввиду плотности прижатия. Это обстоятельство, вместе с упругими разделяющими резистивными прокладками 28, создает настоящий СВЧ ферритовый фильтр нечувствительным к вибрациям, и, следовательно, не создающим микрофонного эффекта (то есть его резонансная частота практически становится постоянной при воздействии на фильтр механических нагрузок (вибраций, ударов).
Были изготовлены опытные образцы двухзвенного настоящего СВЧ ферритового фильтра, работающего в широком диапазоне частот 1-12 ГГц с вторыми полюсными наконечниками, с вторыми катушками управления и с разделяющими резистивными прокладками толщиной 30 мкм. Был изготовлен источник управляющих прямоугольных импульсов с высокой крутизной фронтов. Также были изготовлены образцы СВЧ фильтра-прототипа, в которых на одиночные полюсные наконечники поверх первых катушек наматывались небольшие вторые катушки. Результаты испытаний показали, что настоящий фильтр обеспечивает время перестройки резонансной частоты в интервале частот 200-300 МГц в различных участках диапазона 1-12 ГГц, равное единицам микросекунд (1-5), в то время как образцы фильтра-прототипа обеспечивали время перестройки резонансной частоты, равное 50-100 мкс. При этом энергия на переключение настоящего СВЧ ферритового фильтра была значительно меньше, чем в фильтре-прототипе. Настоящий СВЧ ферритовый фильтр найдет применение в приемо-передающих трактах радиотехнических систем с быстрой перестройкой рабочей частоты.