ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ПОЛОСНО-ЗАПИРАЮЩИЙ ВОЛНОВОДНЫЙ ФИЛЬТР
TUNABLE BAND-CLOSE WAVEGUIDE FILTER

Изобретение относится к СВЧ-технике и может быть использовано в волноводных трактах приемопередающих систем высокой мощности в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн для подавления паразитных колебаний.
Чаще всего полосно-запирающие (другое название - режекторные) фильтры на основе прямоугольного волновода реализуются с помощью одного или нескольких объемных резонаторов связанных с волноводом с помощью щелей или отверстий.
Известна конструкция перестраиваемого полосно-запирающего волноводного фильтра на основе прямоугольного волновода с присоединенными через поперечные щели в широкой стенке волновода обьемными резонаторами (см. книгу Техническая электродинамика. Учебник для вузов связи. Издательство. 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). Однако следует отметить и достоинства указанного фильтра, такие как высокая добротность объемных резонаторов и малая суммарная полоса режекции.
В качестве прототипа выбран перестраиваемый полосно-запирающий волноводный фильтр, известный из патента на изобретение РФ №2649089, который, состоит из отрезка прямоугольного волновода с фланцами, втулки, сопряженной с одной из широких сторон волновода, подстроечного поршня, сопряженного с втулкой с помощью резьбового соединения и образующего вместе с ней короткозамкнутую коаксиальную линию, имеющих постоянные заданные высоты одной длинной и двух коротких диафрагм, расположенных соответственно вдоль широкой стенки волновода с фланцами и поперек этой стенки симметрично относительно втулки, причем поперечные и продольные торцы всех диафрагм скошены под углом, коаксиальная линия и диафрагмы смещены от центра к краям широкой стенки отрезка прямоугольного волновода с фланцами из области максимальной напряженности электрического поля в область ее меньших значений, а подстроечный поршень выполнен 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.
Достоинствами фильтра-прототипа по сравнению с фильтрами на основе объемных резонаторов, связанных с волноводом посредством щелей или отверстий, являются простота конструкции и большая электропрочность, так как в его конструкции отсутствуют такие элементы связи, как щели или отверстия, являющиеся наименее электропрочными элементами фильтра. Кроме того, он обеспечивает довольно высокий коэффициент прохождения по мощности (0,9-0,95) вне полосы режекции (минимальные потери). Однако к недостатку фильтра следует отнести низкую добротность резонатора, образованного: короткозамкнутой коаксиальной линией и дополнительными диафрагмами, установленными на широкой стенке волновода. Кроме того, в различных приложениях, в том числе, например, в системах СВЧ-нагрева для диагностики, основанной на приеме СВЧ-сигналов на частотах, близких к частоте СВЧ-источника, требуется узкая полоса режекции. Для этого требуются полосно-запирающиео волноводные фильтры, предназначенные для защиты чувствительной диагностической аппаратуры, подавляющие сигнал мощного СВЧ-источника, как правило в узкой полосе его генерации и пропускающие диагностические СВЧ-сигналы вне данной полосы.
Задачей, на которую направлено данное изобретение, является разработка перестраиваемого полосно-запирающего волноводного фильтра с высокой добротностью, и узкой полосой режекции, высоким прохождением по мощности вне полосы режекции, а также простого и относительно дешевого в изготовлении.
Технический результат достигается тем, что предлагаемый перестраиваемый полосно-запирающий волноводный фильтр состоит из металлического корпуса, включающего отрезок прямоугольного волновода с фланцами, а также подстроечного поршня, вводимого в фильтр посредством втулки со стороны одной из широких стенок отрезка прямоугольного волновода с фланцами и сопряженного с втулкой с помощью резьбового соединения, который выполнен 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.
Новым является то, что фильтр включает также выполненный как полость в металлическом корпусе призматический резонатор, имеющий вид прямой призмы с равнобедренными треугольными основаниями, расположенными в плоскостях узких стенок отрезка прямоугольного волновода с фланцами и имеющий электродинамическую связь с отрезком прямоугольного волновода с фланцами через элемент связи в форме щели, расположенной на широкой стенке отрезка прямоугольного волновода с фланцами перпендикулярно его ребру и одновременной расположенной на одном из боковых ребер призмы, причем втулка сопряжена с корпусом с помощью резьбовых соединений, подстроечный поршень выполнен с возможностью введения посредством втулки в призматический резонатор через грань призмы, параллельной широкой стенке отрезка прямоугольного волновода с фланцами, а корпус фильтра составлен из двух зеркально симметричных относительно плоскости, проходящей через середины широких стенок отрезка прямоугольного волновода с фланцами, половин, соединенных резьбовыми и штифтовыми соединениями.
Изобретение поясняется следующими эскизами.
На фиг. 1 представлено трехмерное изображение конструкции предлагаемого механически перестраиваемого полосно-запирающего волноводного фильтра.
На фиг. 2 представлено сечение перестраиваемого полосно-запирающего волноводного фильтра в разных проекциях.
На фиг. 3 приведена конструкция настроечного поршня.
Предлагаемый перестраиваемый полосно-запирающий волноводный фильтр представляет собой (см. фиг. 1 и фиг. 2) металлический корпус 1, включающий отрезок прямоугольного волновода с фланцами 2, а также выполненный как полость в металлическом корпусе 1 призматический резонатор 5, имеющий вид прямой призмы с равнобедренными треугольными основаниями, расположенными в плоскостях узких стенок отрезка прямоугольного волновода с фланцами 2 и имеющий электродинамическую связь с отрезком прямоугольного волновода с фланцами 2 через элемент связи в форме щели 6, расположенной на широкой стенке отрезка прямоугольного волновода с фланцами 2 перпендикулярно его ребру и одновременной расположенной на одном из боковых ребер призмы. В конструкцию фильтра также входят втулка 3, соединенная с помощью резьбового соединения с корпусом 1 и подстроечный поршень 4, который сопряжен с втулкой 3 с помощью резьбового соединения. Подстроечный поршень 4, в свою очередь, состоит из головки для вращения 7, резьбовой части 8, согласующей части 9 и настроечной части 10 (см. фиг. 3). Подстроечный поршень 4 вводится посредством втулки 3 в призматический резонатор 5 через грань призмы, параллельной широкой стенке отрезка прямоугольного волновода с фланцами 2. Корпус 1 составлен из двух зеркально симметричных относительно плоскости, проходящей через середины широких стенок отрезка прямоугольного волновода с фланцами 2, половин, соединенных резьбовыми и штифтовыми соединениями.
В случае, представленном на фиг. 2, в сечении А-А фильтра призматический резонатор 5 выглядит как равносторонний треугольник, причем ось симметрии подстроечного поршня 4 и отверстия во втулке 3 совпадает с осью симметрии второго порядка призматического резонатора 5 и лежит в плоскости, проходящей через середины широких стенок отрезка прямоугольного волновода с фланцами 2, на равном удалении от концов отрезка прямоугольного волновода с фланцами 2. Этот частный случай позволяет более наглядно проиллюстрировать предлагаемое изобретение, но не ограничивает его Кроме того, фильтр в данном частном случае проще и технологичнее в изготовлении.
В общем случае в сечении А-А фильтра призматический резонатор 5 выглядит как равнобедренный треугольник, расположенный таким образом, что щель 6 находится на вершине треугольника, расположенной между двумя равными сторонами, а третья сторона треугольника параллельна широкой стенке отрезка прямоугольного волновода с фланцами 2. Также в общем случае ось симметрии подстроечного поршня 4 и отверстия во втулке 3 с осью симметрии второго порядка призматического резонатора 5 может не совпадать и ось симметрии подстроечного поршня 4 и отверстия во втулке 3 может не лежать в плоскости, проходящей через середины широких стенок отрезка прямоугольного волновода с фланцами 2, и находиться не на равном удалении от концов отрезка прямоугольного волновода с фланцами 2.
Предлагаемый перестраиваемый полосно-запирающий волноводный фильтр состоит из деталей, изготавливаемых методами фрезерования и токарной обработки и собираемых в единую конструкцию фильтра без применения пайки, а лишь с использованием резьбовых и штифтовых соединений.
Призматический резонатор 5, возбуждаемый через щель 6, обладает повышенными селективными свойствами по сравнению с прямоугольными или цилиндрическими резонаторами сравнимого объема. Структура колебаний в данном призматическом резонаторе 5 аналогична структуре собственных волн в секториальном рупоре, в котором при малом поперечном размере щели (много меньшем длины волны) возбуждается лишь одна собственная волна, которая далее распространяется в рупоре без изменений и без переизлучений в другие паразитные волны при любом размере рупора. Данное свойство определяет высокую селективность призматического резонатора 5, в котором, как и в рупоре, на щели 6 возбуждается лишь одно поперечное колебание. В других типах резонаторов (прямоугольном или цилиндрическом) при увеличении их поперечных размеров возбуждаются несколько паразитных поперечных колебаний, что приводит к нарушению селективности. Отметим, что в призматическом резонаторе 5, как и в других типах резонаторов (прямоугольных или цилиндрических) присутствует ограничение на длину, связанное с возникновением паразитных продольных колебаний. Длины сторон треугольников, являющихся основаниями призматического резонатора 5, выбираются таким образом, чтобы в рабочей полосе частот фильтра отсутствовали паразитные продольные колебания.
Принцип работы предлагаемого перестраиваемого полосно-запирающего волноводного фильтра можно пояснить на примере фильтра-прототипа. Регулируемый по высоте настроечный поршень 4 и втулка 3, с отрезком прямоугольного волновода с фланцами 2, образуют последовательный контур. Зависимость частоты режекции фильтра от геометрических параметров фильтра можно пояснить следующим образом. Чем больше зазор  между поршнем 4 и щелью 6, тем меньше индуктивность и выше частота режекции фильтра. С другой стороны, чем меньше зазор  между поршнем 4 и щелью 6, тем больше емкость С
и, соответственно, ниже частота режекции фильтра в целом.
Ширина  щели 6, осуществляющей связь призматического резонатора 5 и отрезка прямоугольного волновода с фланцами 2, определяет нагруженную добротность призматического резонатора 5 и полосу его режекции. Например, при реализации разработанного фильтра в 3-сантиметровом диапазоне длин волн ширина щели 6 составляла не менее 2 мм, для обеспечения необходимой электропрочности фильтра. При увеличении размера  щели 6 нагруженная добротность призматического резонатора 5 уменьшается, соответственно, при уменьшении размера  щели 6 - возрастает.
Утечка мощности в паразитную ТЕМ-волну, возникающую в зазоре между настроечным поршнем 4 и внутренним отверстием во втулке 3, предотвращается наличием в предлагаемой конструкции фильтра дроссельного соединения настроечного поршня 4 и втулки 3, что обеспечивает высокий коэффициент прохождения по мощности (0,95-0,98) вне полосы режекции. Дроссельное соединение обеспечивается определенным соотношением размеров настроечной части 10 и согласующей части 9 настроечного поршня 4, расположенного между резьбовой частью 8 и настроечной частью 10. Обеспечить необходимую величину перемещения настроечной части 10 позволяет втулка 3, которая выступает над внешней поверхностью корпуса 1.
При использовании в механизме перемещения подстроечного поршня 4 стандартного микрометрического винта обеспечивается точность установки частоты режекции не хуже 10 МГц.
Фильтр был испытан на уровне мощности ~40 кВт при длительности СВЧ-импульса ~20 мкс и при данных условиях пробоев не наблюдалось.
Таким образом, предлагаемый фильтр характеризуется относительно высокой электропрочностью, возможностью широкой перестройки центральной частоты режекции, наличием лишь одной полосы режекции в рабочем диапазоне частот, узкой полосой режекции (порядка 2% от центральной частоты полосы режекции), а также высоким коэффициентом прохождения вне полосы режекции.
Фильтр предназначен для использования в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн. Использование специальной технологии изготовления призматических резонаторов, сопряженных с широкой стенкой волновода (например, методом фрезерования на станке с ЧПУ) позволяет изготовить фильтр предлагаемой конструкции для использования в миллиметровом диапазоне длин волн.