СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФЕРРИТОВЫЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к электронной СВЧ технике, а именно, к ферритовым многозвенным фильтрам, резонансная частота которых линейно перестраивается магнитным полем, например изменением тока в электромагните, намагничивающем монокристаллические ферритовые резонаторы (ФР) в виде миниатюрных полированных сфер.
Известен сверхвысокочастотный (СВЧ) ферритовый фильтр (см. патент US 7557678, МПК H01P 1/218, опубликован 07.07.2009), включающий корпус из немагнитного материала, расположенный в зазоре электромагнита, несколько сферических ФР, размещенные в резонансных камерах немагнитного корпуса. ФР электромагнитно связаны витковыми элементами связи, расположенными в немагнитном корпусе, концы которых припаяны в заглублениях немагнитного корпуса на массу немагнитного корпуса.
В известном СВЧ ферритовом фильтре обеспечивается точность изготовления витков связи и размещения их в резонансных камерах. Однако в известном СВЧ фильтре не обеспечивается достаточно высокая виброустойчивость и вибропрочность, удароустойчивость и ударопрочность при работе в низкой части дециметрового (метрового) диапазона длин волн. Это обусловлено тем, что в этом диапазоне длин волн одинарные и двойные витковые элементы связи (ВЭС) выполнены не в виде полупетель, имеющих угол охвата ФР 180°, а выполнены в виде от полуторных до двух, трех полных петель, имеющих угол охвата от 540° и выше. Громоздкие двойные ВЭС являются слабым звеном конструкции фильтра. Они под воздействием вибрации и ударов могут смещаться на незначительные расстояния относительно центра ФР, что вызывает изменение электрических параметров СВЧ ферритового фильтра, а также в процессе воздействия вибрации происходит модуляция выходного сигнала.
Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент RU 128785, МПК H01P 1/00, опубликован 27.05.2013), 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 резонансные камеры через первые каналы в немагнитном корпусе проведены соответственно входной и выходной отрезки линий передачи. Центральные проводники линий передачи 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 длинной L<λ/4, где λ - длина волны в рабочем дециметровом, сантиметровом, миллиметровом диапазоне перестройки фильтра. Одинарные и двойные витковые элементы связи попарно ортогонально охватывают сферические монокристаллические ферритовые резонаторы. На поверхности по меньшей мере одного из полированных ФР выполнена локальная шероховатость. Это позволяет устранить паразитные выбросы потерь в полосе пропускания фильтра в известных интервалах частот, определяемых используемой намагниченностью насыщения ФР.
В известном СВЧ ферритовом фильтре устранены паразитные выбросы потерь в полосе пропускания фильтра в известных интервалах частот, определяемых используемой намагниченностью насыщения ФР. Однако известный СВЧ ферритовый фильтр не обеспечивает достаточно высокую виброустойчивость и вибропрочность, удароустойчивость и ударопрочность при работе в низкой части дециметрового (метрового) диапазона длин волн, так как ВЭС, выполненные в виде от полуторных до двух, трех полных петель, могут смещаться на незначительные расстояния относительно центра ФР, что вызывает изменение электрических параметров известного СВЧ ферритового фильтра, а также в процессе воздействия вибрации происходит модуляция выходного сигнала.
Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент US 6255918, МПК H01P 7/00, опубликован 07.07.2009), содержащий немагнитный корпус с резонансными камерой, расположенный в зазоре электромагнита, сферический монокристаллический ФР, закрепленный на стержне, одинарные витковые элементы связи, держатель для стержня с монокристаллическим ФР, который крепится к корпусу. В известном СВЧ ферритовом фильтре ФР жестко фиксируется относительно корпуса посредством держателя, чтобы уменьшить смещения ФР относительно элементов связи закрепленных на корпусе при воздействии вибрации.
Недостатком известного СВЧ ферритового фильтра является то, что при применении в конструкции фильтра более одного ФР и, следовательно, двойных ВЭС, связывающих электромагнитно ФР с друг с другом, известный СВЧ ферритовый фильтр не обеспечивает достаточно высокую виброустойчивость и вибропрочность, удароустойчивость и ударопрочность при работе в низкой части дециметрового (метрового) диапазона длин волн, так как ВЭС, выполненные в виде от полуторных до двух, трех полных петель, могут смещаться на незначительные расстояния относительно центра ФР, что вызывает изменение электрических параметров известного СВЧ ферритового фильтра, а также в процессе воздействия вибрации происходит модуляция выходного сигнала.
Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. авт. свид. RU 1834594, МПК H01P 1/218, опубликовано 10.06.1996), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. СВЧ ферритовый фильтр-прототип содержит немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, по меньшей мере два сферических ФР, закрепленных на теплопроводящих керамических стержнях в резонансных камерах немагнитного корпуса. В две резонансные камеры через первые каналы в немагнитном корпусе проведены соответственно входной и выходной отрезки линий передачи. Центральные проводники входного и выходного отрезков линий передачи нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные ВЭС, охватывающие крайние ФР. Сферические 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 и двойные ВЭС попарно ортогонально охватывают сферические ФР. Между внутренней поверхностью резонансной камеры и поверхностью сферического ФР размещена введенная диэлектрическая оболочка, которая выполнена в виде двух слоев из диэлектрических материалов, величины диэлектрических проницаемостей которых и размеры цилиндрической камеры выбраны из соотношений:
p
1
2
в
ε>ε>ε≥ε;
в
p
R≈2R;
к
в
k
к
в
p
R≈1,5R; h=2R; t≤(R-R); где
p
ε - диэлектрическая проницаемость материала ФР;
1
ε - диэлектрическая проницаемость материала слоя, примыкающего к ФР;
2
ε - диэлектрическая проницаемость материала слоя, примыкающего к внутренней поверхности резонансной камеры;
в
ε - диэлектрическая проницаемость воздуха;
р
в
к
R, R, R - радиусы соответственно ФР, виткового элемента связи и резонансной камеры;
к
h - высота резонансной камеры;
t - толщина слоя из диэлектрического материала, примыкающего к ФР.
Перестройку частоты f фильтра осуществляют изменением тока в катушках электромагнита, создающего резонансное поле H, намагничивающее ФР, где H=f/γ, γ=2,8 Мгц/Э.
Размещение введенной диэлектрической оболочки между внутренней поверхностью резонансной камеры и поверхностью сферического ФР обеспечивает жесткость крепления элементов известного фильтра. Однако такой фильтр практически является неремонтоспособным. Необходимость же в ремонте на практике возникает, например, при несоблюдении условий эксплуатации прибора потребителем.
Задачей настоящего технического решения являлось создание такого СВЧ ферритового фильтра, предназначенного для работы в низкочастотной части СВЧ диапазона (дециметровый - метровый диапазон длин волн), в котором обеспечивается повышенная устойчивость электрических параметров фильтра к механическим воздействиям, и при этом фильтр является ремонтоспособным.
г
B
B
B
в
Поставленная задача решается тем, сверхвысокочастотный ферритовый фильтр содержит немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, по меньшей мере два сферических монокристаллических ФР, закрепленных на теплопроводящих керамических стержнях в резонансных камерах немагнитного корпуса. В две резонансные камеры 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. Сферические 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 и двойные ВЭС попарно ортогонально охватывают сферические монокристаллические ФР. Новым в СВЧ ферритовом фильтре является заключение проводников во вторых каналах немагнитного корпуса во введенные диэлектрические втулки, выполненные из кремнийорганического (силиконового) 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 соотношений:
B
K
b=b;
B
K
h=h;
B
K
L≤L;
B
П
R=R;
K
K
K
b, h, L - соответственно ширина, высота и длина каждого их вторых каналов, мм;
П
R - радиус каждого проводника во вторых каналах, мм.
г
Диэлектрические втулки могут быть выполнены из кремнийорганического герметика ВГО-1 ТУ 38.303-04-04-90, из кремнийорганического герметика Эласил 137-180, марка А, ТУ 6-02-1214-81 или из другого кремнийорганического герметика, имеющего диэлектрическую проницаемость ε не более 2,5, и тангенс диэлектрических потерь tgδ не более 0,01.
г
Выполнение диэлектрической втулки из кремнийорганического герметика, например, ВГО-1 ТУ 38.303-04-04-90 с диэлектрической проницаемостью ε не более 2,5 необходимо для того, чтобы герметик не уменьшал заграждения вне полосы пропускания и не оказывал влияния на другие электрические параметры настроенного фильтра. Выполнение диэлектрической втулки из кремнийорганического герметика с тангенсом диэлектрических потерь tgδ не более 0,01 необходимо для того, чтобы герметик не вызывал существенного увеличения потерь пропускания фильтра. Кроме того, кремнийорганический герметик, например, ВГО-1 ТУ 38.303-04-04-90 имеет достаточную адгезию к поверхности канала и проводника и хорошие эксплуатационные свойства (влаго- и атмосферостойкость, термо- и морозостойкость, биологическая и химическая инертность, виброустойчивость, длительный срок эксплуатации).
Выбор ширины, высоты, длины диэлектрической втулки и радиуса ее внутреннего канала из соотношений:
B
K
b=b;
B
K
h=h;
B
K
L≤L;
B
П
R=R;
обусловлен необходимостью исключить образование зазоров между проводником и поверхностью внутреннего канала диэлектрической втулки, а также между наружной поверхностью диэлектрической втулки и поверхностью второго канала. В результате после отверждения герметика диэлектрическая втулка надежно фиксирует проводники во вторых каналах немагнитного корпуса, что существенно уменьшает возможность смещения двойных ВЭС относительно ФР, а, следовательно, увеличивается устойчивость электрических параметров СВЧ ферритового фильтра к механическим воздействиям. При этом в настоящем СВЧ ферритовом фильтре обеспечивается свободный доступ к ФР и окружающим их ВЭС, что позволяет при необходимости их ремонтировать.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 представлена конструкция настоящего СВЧ ферритового фильтра, показанная для большей наглядности без верхней половины электромагнита;
на фиг. 2 показана в увеличенном масштабе центральная часть немагнитного корпуса с резонансными камерами (вид А);
на фиг. 3 в таблице приведены параметры опытных образцов настоящего СВЧ ферритового фильтра до и после испытаний.
r
B
B
B
в
СВЧ ферритовый фильтр (см. фиг. 1, фиг. 2) содержит немагнитный корпус 1, расположенный в зазоре электромагнита 2, три монокристаллических ФР 3 в виде миниатюрных полированных сфер. ФР 3 закреплены на теплопроводящих керамических стержнях 7, соответственно в резонансных камерах 8, 9, 10 немагнитного корпуса 1. В резонансную камеру 8 через первый канал 11 в немагнитном корпусе 1 проведен входной отрезок 12 линии передачи. В резонансную камеру 10 через первый канал 13 в немагнитном корпусе 1 проведен выходной отрезок 14 линии передачи. Центральный проводник 15 входного отрезка 12 линии передачи нагружен на короткозамкнутый на немагнитный корпус 1 одинарный ВЭС 16, а центральный проводник 17 выходного отрезка 14 линии передачи нагружен на короткозамкнутый на немагнитный корпус 1 одинарный ВЭС 18. ФР 3 электромагнитно связаны последовательно друг с другом с помощью короткозамкнутых на свободных концах на немагнитный корпус 1 двойных ВЭС 19, 20, 21, 22, соединенных проводниками 23, 24 малой длины, например, L<λ/4, где λ - длина волны в низкочастотной части СВЧ диапазона (дециметровом, метровом) перестройки фильтра. Проводники 23, 24 проходят через вторые каналы 25, 26 соответственно между камерами 8, 9 и 9, 10. При этом двойные ВЭС 19, 20, 21, 22 вместе с одинарными 16, 18 охватывают ФР 3 под углом 90 градусов, что обеспечивает минимальное прохождение сигнала вне полосы пропускания. Сферические монокристаллические ФР 3 с помощью вращения теплопроводящих керамических стержней 7 ориентированы в процессе настройки СВЧ ферритового фильтра в изотропных направлениях и намагничены полем H, перпендикулярным плоскости фиг. 1, создаваемым электромагнитом 2. Для повышения температурной стабильности параметров СВЧ ферритового фильтра теплопроводящие керамические стержни 7 пропущены через радиаторы 27, на которых размещены терморезисторы 28, подключенные к источнику питания 24±3 В (на чертеже не показан). Проводники 23, 24 во вторых каналах 25, 26 немагнитного корпуса 1 (см. фиг. 2) заключены в диэлектрические втулки 29, выполненные из кремнийорганического герметика, например, ВГО-1 ТУ 38.303-04-04-90 с диэлектрической проницаемостью ε не более 2,5, и тангенсом диэлектрических потерь tgδ не более 0,01. Ширина b, мм, высота h, мм, длина L, мм, диэлектрической втулки 29 и радиус R, мм ее внутреннего канала выбраны из соотношений:
B
K
b=b;
B
K
h=h;
B
K
L≤L;
K
K
K
b, h, L, - соответственно ширина, высота и длина каждого их вторых каналов 25, 26, мм;
П
R - радиус каждого проводника 23, 24 во вторых каналах 25, 26, мм.
При таких размерах диэлектрические втулки 29 полностью заполняют вторые каналы 25, 26, не позволяя проводникам 23, 24 смещаться при вибрации и ударах.
В соответствии с настоящей полезной моделью были изготовлены опытные образцы двух резонаторных трехзвенных СВЧ ферритовых фильтров в дециметровом диапазоне длин волн (400-600 МГц) с применением диэлектрических втулок из кремнийорганического герметика ВГО-1 ТУ 38.303-04-04-90. Электрические параметры этих СВЧ ферритовых фильтров (являющиеся критерием годности) до и после испытаний на вибрацию и удары приведены в таблице на фиг. 3.
Как видно из приведенных в таблице данных, контролируемые электрические параметры настоящего СВЧ ферритового фильтра не изменились после воздействия механических факторов, и при этом фильтр является ремонтоспособным.