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 Н01Р 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 US 6255918, МПК Н01Р 7/00, опубликован 07.07.2009), содержащий немагнитный корпус с резонансной 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 монокристаллический ФР жестко фиксируют относительно корпуса посредством держателя, чтобы уменьшить смещения монокристаллического ФР относительно элементов связи закрепленных на корпусе при воздействии вибрации.
Недостатком известного СВЧ ферритового фильтра является его недостаточно высокие устойчивость и прочность относительно вибрационных и ударных нагрузок 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 монокристаллического ФР, что вызывает изменение электрических параметров известного СВЧ ферритового фильтра, также в процессе воздействия вибрации происходит модуляция выходного сигнала. Особенно этот недостаток проявляется при использовании более одного ФР.
Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент RU 128785, МПК Н01Р 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.
г
в
в
в
в
Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. RU 154064, МПК Н01Р 1/218, опубликован 10.08.2015), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Известный СВЧ ферритовый фильтр-прототип содержит 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 линии передачи, центральные проводники которых 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, одинарные и двойные витковые элементы связи попарно ортогонально охватывают сферические монокристаллические ферритовые резонаторы, проводники во вторых каналах немагнитного корпуса заключены во введенные диэлектрические втулки, выполненные из кремнийорганического 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:
в
к
b=b;
в
к
h=h;
в
к
L≤L;
в
п
R=R;
к
к
к
b, h, L - соответственно ширина, высота и длина каждого из вторых каналов, мм;
п
R - радиус каждого проводника во вторых каналах, мм.
Выбор ширины, высоты, длины диэлектрической втулки и радиуса ее внутреннего канала из указанных выше соотношений 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 известном СВЧ ферритовом фильтре обеспечен свободный доступ к ФР и окружающим их ВЭС, что позволяет при необходимости их ремонтировать.
Недостатком известного фильтра-прототипа, как показали дополнительные исследования в низкочастотной части СВЧ диапазона (метровый и длинноволновый сантиметровый диапазон), является недостаточно широкая полоса пропускания. Это происходит несмотря на применение многовитковых элементов связи, имеющих угол охвата ФР от 360° до 720° и выше, и использования ФР с большим диаметром.
Задачей настоящего технического решения являлось создание такого СВЧ ферритового фильтра, который бы имел расширенную полосу пропускания при одновременном обеспечении прочности и устойчивости электрических параметров фильтра к механическим воздействиям, и обеспечении его ремонтоспособности.
Поставленная задача решается тем, сверхвысокочастотный ферритовый фильтр содержит немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, по меньшей мере два сферических монокристаллических ФР, закрепленных на теплопроводящих металлокерамических 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 подключение к проводникам во вторых каналах немагнитного корпуса конденсаторов емкостью 3-20 пФ, замкнутых на немагнитный корпус.
Конденсаторы могут быть замкнуты на немагнитный корпус, например, посредством пайки.
Конденсаторы могут быть выполнены керамическими.
Диапазон величины емкости 3-20 пФ конденсаторов обусловлен тем, что при емкости конденсаторов меньше 3 пФ не проявляется эффект расширения полосы пропускания у фильтра из-за малой емкости конденсаторов, а при емкости конденсаторов больше 20 пФ конденсаторы обладают на высоких частотах большой реактивной проводимостью, в результате закорачивают контур и вносят дополнительные потери.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где
на фиг. 1 представлена конструкция настоящего СВЧ ферритового фильтра, показанная для большей наглядности без верхней части электромагнита;
на фиг. 2 приведена в увеличенном масштабе центральная часть немагнитного корпуса с резонансными камерами (вид А);
на фиг. 3 показана эквивалентная электрическая схема настоящего фильтра.
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 металлокерамических стержнях 4, соответственно в резонансных камерах 5, 6, 7 немагнитного корпуса 1. В две крайние резонаторные камеры 5, 7 через первые каналы 8, 9 в немагнитном корпусе 1 проведены соответственно входной и выходной отрезки линии передачи, центральные проводники 10, 11 которых нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус 1 одинарные ВЭС 12, 13, окружающие крайние ФР 3. ФР 3 связаны друг с другом с помощью двойных ВЭС 14, 15 короткозамкнутых на немагнитный корпус 1 на свободных концах и соединенных пропущенными через вторые каналы 16, 17 немагнитного корпуса 1 проводниками 18, 19 малой длины L, например, L<λ/4, где λ - длина волны в низкочастотной части СВЧ диапазона (дециметровом) перестройки фильтра. Проводники 18, 19 проходят через вторые каналы 16, 17 соответственно между камерами 5, 6 и 6, 7. Одинарные ВЭС 12, 13 и двойные ВЭС 14, 15 попарно ортогонально охватывают ФР 3 в каждой из резонансных камер 5, 6, 7. Сферические монокристаллические ФР 3 с помощью вращения теплопроводящих металлокерамических стержней 4 ориентированы в процессе настройки СВЧ ферритового фильтра в изотропных направлениях и намагничены магнитным полем Н, перпендикулярным плоскости фиг. 1, создаваемым электромагнитом 2 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 4 пропущены через радиаторы 20, на которых установлены терморезисторы 21, подключаемые к источнику напряжения 26±3 В (на чертеже не показан). Проводники 18, 19 во вторых каналах 16, 17 немагнитного корпуса 1 (см. фиг. 2) подключены через миниатюрные, например, керамические конденсаторы 22 емкостью 3-20 пФ на немагнитный корпус 1, например, пайкой. Эквивалентная электрическая схема предложенного фильтра (см. фиг. 3) представляет схему для трех ФР, настроенных магнитным полем Н электромагнита на резонансную частоту fp., связанных с отрезками входной 10, 11 и входной линии одиночными ВЭС 12,13. Двойные ВЭС 14, 15 вместе с конденсаторами 22 образуют низкодобротные резонаторы 23, повышающие связь между ФР 3 и двойными ВЭС 14, 15, а, следовательно, расширяющие ширину полосы пропускания СВЧ ферритового фильтра.
В соответствии с настоящей полезной моделью были изготовлены опытные образцы двух трехрезонаторных СВЧ ферритовых фильтров в дециметровом диапазоне длин волн (400-600 МГц) с применением керамических конденсаторов емкостью 10 пФ точностью 5% и без применения конденсаторов. Расширение ширины полосы пропускания было достигнуто в настоящем фильтре с керамическими конденсаторами до 50%. На частоте 520 МГц ширина полосы пропускания была увеличена с 10 МГц до 15 МГц. При этом СВЧ фильтр был устойчив к механическим нагрузкам и позволял при необходимости проводить его ремонт.