ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ВОЛНОВОДНЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ МОЩНОГО МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
RECONFIGURED BAND-PASS WAVE-GUIDE FILTER FOR MEASUREMENT OF POWERFUL MICROWAVE RADIATION FREQUENCY

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано в волноводных трактах высокой мощности для измерения частоты мощного микроволнового излучения, а также для подавления внеполосных и паразитных колебаний.
При разработке фильтров для измерения частоты мощного микроволнового излучения особое внимание уделяется обеспечению высокой электропрочности и наличию только одного резонанса в рабочей полосе частот, что необходимо для однозначного определения частоты мощных короткоимпульсных СВЧ-приборов гигаваттного уровня мощности - релятивистских ЛОВ и ЛБВ, магнетронов, виркаторов и др. При этом часто возникает задача исследования динамики изменения частоты в течение импульса, что требует использования фильтра с малой шириной полосы пропускания.
кр
кр
Известна конструкция волноводного полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра с резонатором, выполненным в виде цилиндрических стержней (см. Д.П.Андреев, И.И.Гак, И.И.Цимблер. Механически перестраиваемые приборы СВЧ и разделительные фильтры. М.: Связь, 1973, с.81-85, 111-115). Существенным недостатком данного фильтра является то, что на резонансной частоте коэффициент отражения по мощности от резонатора, образованного цилиндрическими стержнями, составляет несколько процентов. Кроме того, другим недостатком конструкции данного фильтра является малый динамический диапазон (0,62λ-0,69λ) перестройки частоты резонатора в рабочей полосе длин волн.
8
кр
кр
В качестве ближайшего аналога выбран перестраиваемый полосно-пропускающий фильтр (см. SU №778591, МПК H01P 1/20, опубл. в БИ №6, февраль, 2010 г.), обеспечивающий по сравнению с указанной выше конструкцией фильтра больший динамический диапазон (0,54λ-0,81λ) перестройки частоты резонатора в рабочей полосе длин волн. Фильтр состоит из установленных взаимно перпендикулярно прямоугольного объемного резонатора с настроечным поршнем в одном торце и отрезка прямоугольного волновода, в смежной стенке которых выполнено отверстие. В волновод введены две прямоугольные диафрагмы, длина каждой из которых равна ширине широкой стенки волновода. Диафрагмы установлены в плоскостях поперечного сечения волновода с зазором у одной из широких стенок. При этом резонатор установлен на другой широкой стенке волновода, узкие стенки волновода и резонатора расположены в общих плоскостях, а отверстие в смежной стенке волновода и резонатора выполнено по всей ширине стенки между линиями стыка ее с диафрагмой.
Несмотря на очевидные достоинства данного фильтра - постоянство ширины полосы пропускания, больший динамический диапазон перестройки частоты резонатора в рабочей полосе длин волн, фильтр обладает и существенным недостатками - снижением электропрочности при уменьшении ширины полосы пропускания, что обусловлено наличием в конструкции фильтра диафрагм, уменьшающих сечение волновода в направлении электрического поля волны, например, в 3-сантиметровом диапазоне длин волн - до 1 мм при относительной ширине полосы пропускания . При величине относительной ширины полосы пропускания  в данной конструкции фильтра происходили СВЧ-пробои на уровне мощности ~60 кВт при несущей частоте 9,24 ГГц, длительности СВЧ-импульса ~5 мкс. Кроме того, при реализации фильтра в 3-сантиметровом диапазоне в требуемой полосе частот наблюдалось несколько рабочих резонансов. Коэффициент отражения по мощности от резонатора данного фильтра на резонансной частоте, так же как и в аналоге, составляет несколько процентов.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является уменьшение коэффициента отражения по мощности от резонатора перестраиваемого полосно-пропускающего волноводного фильтра на резонансной частоте при обеспечении его высокой электропрочности, узкополосности и сохранении возможности перестройки по частоте в широком диапазоне.
Технический результат достигается тем, что предлагаемый перестраиваемый полосно-пропускающий волноводный фильтр, как и фильтр-прототип, содержит отрезок прямоугольного волновода и резонатор с настроечным поршнем в одном торце.
Новым в предлагаемом перестраиваемом полосно-пропускающем волноводном фильтре является то, что резонатор образован четырьмя коническими стержнями, соединяющими широкие стенки волновода, и расположен симметрично относительно отверстия в широкой стенке волновода, через которое вводится настроечный поршень.
На фиг.1-3 представлена конструкция предлагаемого механически перестраиваемого полосно-пропускающего волноводного фильтра в разных проекциях.
Фильтр состоит из отрезка прямоугольного волновода 1 с фланцами, четырех конических стержней 2, соединяющих широкие стенки отрезка волновода 1 и образующих резонатор с перестраивающим частоту резонатора настроечным емкостным поршнем 3. Поршень 3 вводится в резонатор через круглое отверстие в широкой стенке отрезка волновода 1, в которое впаяна втулка 4.
Работу предлагаемого перестраиваемого полосно-пропускающего волноводного фильтра можно пояснить следующим образом. Образующие резонатор нерегулярности в виде конических стержней 2 имеют плавно изменяющееся поперечное сечение. Внесенные в поле падающей волны такие нерегулярности приводят к существенному (в несколько раз) уменьшению коэффициента отражения по мощности от резонатора на резонансной частоте, образованного четырьмя коническими стержнями 2, по сравнению с резонатором, образованным цилиндрическими стержнями (в фильтре аналоге), и резонатором в фильтре-прототипе, что является техническим результатом данного изобретения.
кр
кр
Ширина полосы пропускания фильтра определяется поперечным размером между коническими стержнями 2, расположенными перпендикулярно широкой стенке отрезка волновода 1. При малой ширине полосы пропускания конические стержни расположены достаточно близко к узкой стенке отрезка волновода 1, где электрическое поле мало, что и определяет высокую электропрочность конструкции предлагаемого фильтра. Продольное расстояние между стержнями 2 подобрано таким образом, чтобы в резонаторе возбуждалось одно продольное колебание в рабочей полосе частот. Резонатор расположен симметрично относительно отверстия в широкой стенке отрезка волновода 1. Перестройка частоты резонатора в рабочей полосе длин волн (0,54λ-0,81λ) осуществляется перемещением настроечного емкостного поршня 3. Центральная частота фильтра в полосе пропускания определяется расстоянием между поршнем 3 и нижней (на фиг.1, 2, 3) стенкой отрезка волновода 1.
Во всем диапазоне перестройки частоты зазор Δ между закругленным концом поршня 3 и нижней стенкой отрезка волновода 1 остается достаточно большим (, b - размер узкой стенки отрезка волновода 1), что обеспечивает высокую электрическую прочность этого узла фильтра. Например, при реализации разработанного фильтра в 3-сантиметровом диапазоне длин волн минимальный зазор между закругленным концом поршня 3 и нижней стенкой отрезка волновода 1 составляет не менее 6 мм. Фильтр испытан на уровне мощности ~250 кВт при длительности СВЧ-импульса ~5 мкс, частоте 9,24 ГГц и относительной полосе пропускания 0,5% (). При данных условиях пробоев не наблюдается.
кр
кр
При перестройке фильтра в диапазоне длин волн от 0,54λ до 0,81λ расстояние между поршнем 3 и верхней стенкой отрезка волновода 1 изменяется от 0 до 0,4b. Зависимость резонансной частоты фильтра от глубины погружения поршня 3 носит линейный характер (например, в 3-сантиметровом диапазоне длин волн - с коэффициентом ; при использовании в механизме перемещения поршня 3 стандартного микрометрического винта обеспечивается точность установки частоты не хуже 10 МГц). Среднеквадратичное отклонение резонансной частоты фильтра от линейной функции составляет порядка половины от ширины полосы пропускания фильтра.
Утечка мощности в паразитную ТЕМ-волну, возникающую в зазоре между поршнем 3 и внутренним отверстием во втулке 4, предотвращается наличием в предлагаемой конструкции фильтра дроссельного соединения поршня 3 и втулки 4 (см. фиг.1), что обеспечивает высокий коэффициент прохождения по мощности (0,7-0,9) в рабочей полосе частот.
0
св
В случае если добротность, связанная с омическими потерями (Q), значительно превышает добротность, связанную с потерями энергии на излучение из объема резонатора (Q), коэффициент пропускания фильтра на центральной частоте при симметричном расположении резонатора относительно поршня определяется соотношением:
0
(Известно, что характерные значения омических добротностей Q в 3-сантиметровом диапазоне составляют порядка 5000-10000.)
К достоинству фильтра предлагаемой конструкции можно отнести возможность исследования изменения частоты микроволнового излучения в течение одного СВЧ-импульса благодаря довольно малой ширине полосы пропускания фильтра .
Таким образом, предлагаемый фильтр характеризуется малым коэффициентом отражения по мощности от резонатора на резонансной частоте (в несколько раз меньше, чем в аналоге и прототипе) и обеспечивает высокую электропрочность, возможность широкой перестройки по частоте, наличие лишь одного рабочего резонанса в требуемой полосе частот, высокий коэффициент прохождения на резонансной частоте и постоянство относительной ширины полосы пропускания.
Фильтр предназначен для использования в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн. Использование специальной технологии изготовления конических стержней малого диаметра (например, методом электроэрозионной обработки) позволяет изготовить фильтр предлагаемой конструкции для использования в миллиметровом диапазоне длин волн.