ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ПОЛОСНО-ЗАПИРАЮЩИЙ ВОЛНОВОДНЫЙ ФИЛЬТР
FIXED WIRELESS-WRAPPING WAVEGUIDE FILTER

Изобретение относится к частотно-избирательным устройствам волноводного типа и может быть использовано в волноводных трактах приемопередающих систем высокой мощности в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн для подавления паразитных колебаний.
Полосно-запирающий фильтр (или полосно-заграждающий фильтр, режекторный фильтр, фильтр-пробка) - фильтр, не пропускающий колебания некоторой определенной полосы частот и пропускающий колебания с частотами, выходящими за пределы этой полосы. Полосно-запирающие фильтры волноводного типа применяются для измерения частоты мощного микроволнового излучения и подавления паразитных колебаний в волноводных трактах приемопередающих систем высокой мощности.
Известна конструкция полосно-запирающего волноводного фильтра на основе прямоугольного волновода с присоединенными через поперечные щели в широкой стенке волновода объемными резонаторами (см. Техническая электродинамика: Учебник для вузов связи. - М.: Связь, 1978. С. 360-361). Фильтр обладает рядом недостатков, таких как сложность изготовления, низкая электропрочность, определяемая размерами щели связи и толщиной стенки между волноводом и резонатором (резонаторами).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому фильтру является перестраиваемый полосно-запирающий волноводный фильтр, известный из патента US №5105174, выбранный в качестве прототипа. Фильтр состоит из установленных взаимно перпендикулярно отрезка прямоугольного волновода с фланцами и короткозамкнутой коаксиальной линии, образованной внутренним проводником, который представляет собой поршень, состоящий из резьбовой и настроечной частей, а также головки для вращения, и внешним проводником, выполненным в виде резьбового отверстия в центре одной из широких стенок отрезка прямоугольного волновода с фланцами. Перестройка фильтра по частоте осуществляется введением настроечной части поршня в отрезок прямоугольного волновода с фланцами путем вращения головки по резьбе. В терминах теории цепей с сосредоточенными элементами данный фильтр представляет собой отрезок прямоугольного волновода со встроенным в него последовательным резонансным контуром.
Достоинствами прототипа по сравнению с полосно-запирающими фильтрами на основе объемных резонаторов, связанных с волноводом посредством щелей или отверстий, являются: простота конструкции и большая электропрочность, так как в конструкции прототипа отсутствуют такие элементы связи, как щели или отверстия, являющиеся наименее электропрочными элементами фильтра. Тем не менее в конструкции прототипа отсутствует дроссельное соединение между резьбовой и настроечной частями поршня, поскольку для реализации дроссельного соединения необходимо, чтобы длина настроечной части поршня и ее диаметр значительно превышали высоту узкой стенки отрезка прямоугольного волновода с фланцами (например, в трехсантиметровом диапазоне длин волн - более чем на 50%). Отсутствие дроссельного соединения приводит к утечке СВЧ мощности в паразитную (коаксиальную) ТЕМ-волну, возникающую в зазоре между поршнем и втулкой, что приводит к увеличению вносимых потерь фильтра вне полосы подавления. Также к недостаткам следует отнести малую (≤-10 дБ) величину подавления (режекции) при небольшой (≤1,5 мм) глубине введения поршня в объем волновода. Данный факт с точки зрения теории цепей с сосредоточенными элементами объясняется тем, что при уменьшении глубины введения поршня в объем волновода емкость эквивалентного последовательного резонансного контура также уменьшается, что приводит к снижению добротности данного контура и, как следствие, к уменьшению величины подавления.
Задачей, на которую направлено предлагаемое изобретение, является создание такого перестраиваемого полосно-запирающего волноводного фильтра, который бы обеспечивал большую (≤-35 дБ) величину подавления в широкой полосе режекции и высокий (0,9-0,95) коэффициент прохождения вне полосы режекции фильтра (минимальные потери вне полосы подавления фильтра), сохраняя при этом высокую электропрочность.
Технический результат достигается тем, что предлагаемый фильтр, как и прототип, состоит из установленных взаимно перпендикулярно отрезка прямоугольного волновода с фланцами и короткозамкнутой коаксиальной линии, включающей подстроечный поршень, содержащий резьбовую и настроечную части, а также головку для вращения.
Новым является то, что коаксиальная линия образована втулкой, сопряженной с одной их широких стенок отрезка прямоугольного волновода с фланцами с помощью паяного соединения, и подстроечным поршнем, сопряженным со втулкой с помощью резьбового соединения, выполненным с дополнительной согласующей частью, расположенной между резьбовой и настроечной частями, размеры которой по отношению к размерам настроечной части подобраны таким образом, чтобы осуществлялось дроссельное соединение, при этом фильтр дополнительно содержит две короткие диафрагмы, расположенные поперек широкой стенки отрезка прямоугольного волновода с фланцами симметрично относительно втулки, и длинную диафрагму, расположенную вдоль широкой стенки отрезка прямоугольного волновода с фланцами, причем все диафрагмы встроены внутрь отрезка прямоугольного волновода с фланцами перпендикулярно той же его широкой стенке, что и коаксиальная линия, имеют постоянную заданную высоту, поперечные и продольные торцы всех диафрагм скошены под углом, кроме того, коаксиальная линия и все диафрагмы смещены от центра к краям широкой стенки отрезка прямоугольного волновода с фланцами из области максимальной напряженности электрического поля в область ее меньших значений.
Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлено трехмерное изображение предлагаемого механически перестраиваемого полосно-запирающего волноводного фильтра.
На фиг. 2 представлены сечения предлагаемого фильтра в разных проекциях.
Фиг. 3 иллюстрирует конструкцию подстроечного поршня.
Предлагаемый фильтр (см. фиг. 1, фиг.2) состоит из отрезка прямоугольного волновода с фланцами 1, втулки 2, сопряженной с помощью паяного соединения с одной из широких стенок отрезка прямоугольного волновода с фланцами 1, подстроечного поршня 3, который сопряжен со втулкой 2 с помощью резьбового соединения и образует вместе с ней короткозамкнутую коаксиальную линию, установленную перпендикулярно отрезку прямоугольного волновода с фланцами 1. Также предлагаемый фильтр содержит две короткие диафрагмы 4, расположенные поперек широкой стенки отрезка прямоугольного волновода с фланцами 1 симметрично относительно втулки 2, и длинную диафрагму 5, расположенную вдоль широкой стенки отрезка прямоугольного волновода с фланцами 1, диафрагмы 4 и диафрагма 5 встроены внутрь отрезка прямоугольного волновода с фланцами 1 перпендикулярно той же его широкой стенке, что и коаксиальная линия, образованная подстроечным поршнем 3 и втулкой 2, они имеют постоянную заданную высоту, меньшую, чем высота узкой стенки отрезка прямоугольного волновода с фланцами 1, и их торцы скошены под углом. Кроме того, коаксиальная линия, образованная втулкой 2 и подстроечным поршнем 3, диафрагмы 4 и диафрагма 5 смещены от центра широкой стенки отрезка прямоугольного волновода с фланцами 1 к ее краям - в область меньших значений напряженности электрического поля. Подстроечный поршень 3, в свою очередь, состоит из головки для вращения 6, резьбовой части 7, согласующей части 8 и настроечной части 9 (см. фиг. 3).
1
1
кр
кр
1
Принцип работы предлагаемого волноводного полосно-запирающего фильтра можно пояснить на примере фильтра-прототипа в цепях с сосредоточенными элементами. Регулируемый по глубине введения подстроечный поршень 3 и втулка 2, соединенная с помощью паяного соединения с отрезком прямоугольного волновода с фланцами 1, образуют последовательный резонансный контур. Две диафрагмы 4 с подстроечным поршнем 3 и втулкой 2 и диафрагма 5 с подстроечным поршнем 3 и втулкой 2 образуют два параллельных резонансных контура. Таким образом, реализуется классическая схема полосно-запирающего фильтра-прототипа (см. Астайкин, А.И. Теория и техника СВЧ: Учебное пособие // А.И. Астайкин, К.В. Троцюк, СП. Ионова, В.Б. Профе. - Саров: ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", 2008. С. 366). Во всем диапазоне перестройки частоты (см. фиг. 2) зазор Δ между закругленным концом настроечной части 9 подстроечного поршня 3, вводимого через одну из широких стенок отрезка прямоугольного волновода с фланцами 1, и противоположной широкой стенкой отрезка прямоугольного волновода с фланцами 1 остается достаточно большим (0,3b≤Δ≤b, b - высота узкой стенки отрезка волновода с фланцами 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 настроечной части 9 подстроечного поршня 3 и противоположной широкой стенкой отрезка прямоугольного волновода с фланцами 1 составляет не менее 3 мм. При перестройке фильтра в диапазоне длин волн от 0,54 λ до 0,81 λ зазор Δ между закругленным концом настроечной части 9 подстроечного поршня 3 и противоположной широкой стенкой отрезка прямоугольного волновода с фланцами 1 изменяется в пределах 0,3b≤Δ≤b.
Центральная частота режекции фильтра для любых типов резонансных контуров определяется по формуле:
2
3
Зависимость центральной частоты режекции фильтра от геометрических параметров фильтра можно пояснить следующим образом (см. фиг. 2). Чем больше зазор Δ между каждой из диафрагм 4 и настроечной частью 9 подстроечного поршня 3, тем больше индуктивность и ниже частота данного параллельного резонансного контура фильтра, а следовательно, ниже центральная частота режекции фильтра; аналогично, чем больше зазор Δ между настроечной частью 9 подстроечного поршня 3 и диафрагмой 5, тем больше индуктивность L и ниже частота ƒ данного параллельного резонансного контура фильтра и, соответственно, ниже центральная частота режекции фильтра.
С другой стороны, чем меньше ширина диафрагмы 5, тем меньше емкость С и выше частота ƒ контура, и соответственно, выше центральная частота режекции фильтра.
Основное согласование полосно-запирающего фильтра с входным и выходным волноводами осуществляется непосредственно за счет его конфигурации. За счет того, что концы диафрагм 4 и диафрагмы 5 скошены под углом, происходит дополнительное согласование вне полосы режекции фильтра, что приводит к уменьшению потерь вне полосы режекции фильтра.
кр
кр
Расчетом величин скоса расположенных внутри отрезка волновода с фланцами 1 нижних частей (торцов) диафрагмы 5 и диафрагм 4 можно минимизировать потери (<1 дБ) вне полосы режекции фильтра в диапазоне длин волн от 0,54 λ до 0,81 λ.
Утечка СВЧ мощности в паразитную ТЕМ-волну, возникающую в зазоре между подстроечным поршнем 3 и отверстием во втулке 2, предотвращается наличием в предлагаемой конструкции фильтра дроссельного соединения подстроечного поршня 3 и втулки 2. Дроссельное соединение обеспечивается определенным соотношением размеров настроечной части 9 и согласующей части 8 подстроечного поршня 3, расположенной между резьбовой частью 7 и настроечной частью 9. Обеспечить необходимую величину перемещения настроечной части 9 позволяет втулка 2, которая выступает над внешней поверхностью широкой стенки отрезка прямоугольного волновода с фланцами 1 (в отличие от прототипа, у которого резьбовое отверстие сделано непосредственно в стенке волновода, что не позволяет сделать длину настроечной части поршня больше высоты узкой стенки отрезка прямоугольного волновода с фланцами). Дроссельное соединение обеспечивает высокий коэффициент прохождения по мощности (0,9-0,95) вне полосы режекции (минимальные потери).
Для обеспечения нормальной (без пробоев) работы полосно-запирающего фильтра в передающем тракте при высоких уровнях импульсной мощности (~100 кВт в 3-сантиметровом диапазоне длин волн), короткозамкнутая коаксиальная линия, образованная подстроечным поршнем 3 и втулкой 2, а также диафрагмы 4 и диафрагма 5 смещены от центра к краям широкой стенки отрезка прямоугольного волновода с фланцами 1 из области максимальной напряженности электрического поля в область ее меньших значений. Центральная частота режекции фильтра определяется, в основном, индуктивностью подстроечного поршня 3 и емкостью диафрагмы 5. Так как величина емкости диафрагмы 5 описанного фильтра превышает величину емкости внутреннего проводника в прототипе, то в начальном положении ввода подстроечного поршня 3 во внутренний объем отрезка прямоугольного волновода с фланцами 1 удается достичь значительно большего подавления (≤ -35 дБ) по сравнению с прототипом.
При использовании в механизме перемещения подстроечного поршня 3 стандартного микрометрического винта обеспечивается точность установки частоты режекции не хуже 10 МГц.
Фильтр испытан на уровне мощности ~100 кВт при длительности СВЧ-импульса ~2 мкс, и при данных условиях пробоев не наблюдалось.
кр
кр
Таким образом, предлагаемый полосно-запирающий волноводный фильтр характеризуется высокой электропрочностью, возможностью широкой перестройки центральной частоты режекции (от 0,54 λ до 0,81 λ), высоким (0,9-0,95) коэффициентом прохождения вне полосы режекции (минимальными потерями), а также обеспечивает большую (≤ -35 дБ) величину подавления в широкой полосе режекции.
Фильтр предназначен для использования в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн. Использование специальной технологии изготовления скошенных по торцам диафрагм (например, методом электроэрозионной обработки) позволяет изготовить фильтр предлагаемой конструкции для использования в миллиметровом диапазоне длин волн.