СВЧ-фильтр с термостабилизацией

Полезная модель относится к радиотехнике и технике сверхвысоких частот (далее по тексту – СВЧ), а именно к СВЧ-фильтрам. Полезная модель предназначена для селекции сигналов в устройствах связи, радиолокации, радионавигации и измерительной техники.
Актуальной задачей является увеличение температурной стабильности СВЧ-фильтров с высокой крутизной АЧХ в широком диапазоне температур, особенно в тех случаях, когда разница граничной частоты полосы пропускания и граничной частоты полосы запирания составляет менее 0,5% частоты.
Известен термокомпенсированный фильтр по патенту US5867077 [«TEMPERATURE COMPENSATED MICROWAVE FILTER», Com Dev Ltd., 02.02.1999]. Предложенный вариант построения фильтра обладает преимуществами перед классическими фильтрами, за счёт компенсации изменения длины волноводного резонатора размером концевых фланцев специфической формы и с ТКЛР меньшим, чем у материала волновода. Таким образом при изменении температуры длинная стенка волновода изменяется соответственно своему ТКЛР, а крышка, хоть и имеет меньший абсолютный размер изменяется на аналогичную длину, за счёт использования материала с большим ТКЛР. Аналогично и для отрицательных температур.
К недостаткам можно отнести то, что данная конструкция применима только к фильтрам, имеющим волноводную структуру. Ограничением такой конструкции является невозможность термокомпенсации фильтра с числом звеньев, большим двух.
Известна конструкция СВЧ-фильтра с термокомпенсирующим элементом по патенту US 6734766 B2 [«MICROWAVE FILTER HAVING A TEMPERATURE COMPENSATING ELEMENT», COM DEV Ltd., 11.05.2004]. Предложенный вариант построения фильтра обладает преимуществами перед классическими фильтрами, за счёт возможности термокомпенсации конструкции фильтра с любым числом звеньев. Термокомпенсирующим элементом является биметаллическое соединение на крышке фильтра вблизи резонаторного стержня. В патенте отмечено, что резонаторный стержень может быть выполнен из другого материала нежели корпус фильтра, в качестве примера материала приведена керамика.
Принято за прототип.
К недостаткам прототипа относятся:
- необходимость применения конструктивно сложных дополнительных деталей, усложняющих конструкцию;
- не рассмотрены варианты термокомпенсации фильтра за счёт подбора материалов корпуса, регулировочного винта и резонансного стержня.
Полезная модель не обладает данными недостатками.
Подробное описание полезной модели:
Заявляемая полезная модель фильтра обладает термостабильностью в широком диапазоне температур за счёт применения различных материалов в конструкции. Ключевым отличием материалов, обеспечивающих эффект термостабильности, является различие температурных коэффициентов линейного расширения (далее по тексту – ТКЛР). Материалы с различным ТКЛР подбираются в конструкции таким образом, чтобы взаимно компенсировать уход геометрии фильтра при изменении температуры.
Принцип работы фильтра и входящих в него материалов не отличается от общеизвестных. Основным отличием полезной модели является достигаемая стабильность геометрии и характеристик фильтра за счёт взаимной компенсации изменения длин деталей фильтра при изменении температуры, что достигается путём подбора материалов этих деталей с конкретными ТКЛР.
Новизна обеспечивается за счёт получения термостабильности АЧХ-фильтра при применении тех же материалов, что и известные аналоги. Данный эффект достигается за счёт применения нескольких типов общепромышленных материалов, с конкретными значениями ТКЛР. Достигается эффект термостабильности без применения специфических дополнительных элементов конструкции, что приводит к её упрощению при производстве.
Полезная модель поясняется рисунками:
На Фиг.1 показано продольное сечение одного звена фильтра с обозначением геометрических размеров конструкции.
На Фиг.2 показано перпендикулярное сечение звена фильтра с обозначением геометрических размеров конструкции.
На Фиг.3 показан вариант конструкции крышки фильтра с выступом, обеспечивающим дополнительную термостабилизацию.
На Фиг. 1 и 2 приведены сечения одного из звеньев фильтра и представляют собой лишь часть фильтра n-го порядка.
Достоинства вышеописанной конструкции:
Фильтр с термостабилизацией позволяет получить высокую стабильность АЧХ в большом диапазоне воздействующих температур без применения специальных сталей и сплавов, а в некоторых случаях даже получить большую стабильность в диапазоне температур, чем при применении таковых. Предлагаемая конструкция фильтра может обеспечивать термостабилизацию для фильтров любого порядка.
Раскрытие и осуществление полезной модели:
Первым существенным признаком, достаточным для достижения, указанного выше, технического результата, является применение материалов деталей фильтра с различными ТКЛР, обеспечивающими взаимное вычитание изменений длин при изменении температур.
Вторым существенным признаком является упрощение конструкции термостабилизированного фильтра за счёт применения конструкции, не требующей дополнительных элементов (деталей) для стабилизации АЧХ при изменении температур.
Работа СВЧ-фильтра с термостабилизацией:
На Фиг.1 изображено сечение одного из звеньев классического резонаторного высокочастотного фильтра, который состоит из корпуса 1, крышки 2, съёмного резонаторного стержня 3 с крепежным винтом 4, настроечного винта 5 с гайкой 6 и винтов связи 7 с гайками 8.
Крышка 2-1 может быть изготовлена с дополнительными выступами вблизи настроечного винта 5, для обеспечения дополнительной термокомпенсации, как показано на Фиг.3.
Принцип обеспечения термостабильности и термокомпенсации достигается за счёт использования материалов с различным ТКЛР для крышки 2 (или крышки 2-1), корпуса 1, резонаторного стержня 3, настроечного винта 5 и винта связи 7.
К
Р
Высота (H) 9 резонансного объёма 14 определяется высотой стенки 13 корпуса 1. Эффективная высота (H) 10 резонаторного стержня 3 определяется расстоянием от края резонаторного стержня 3 до корпуса 1. Резонансная ёмкость определяется разницей высоты (ΔН) 15 между краем настроечного винта 5 и верхним краем резонаторного стержня 3.
Н
С
Эффективная высота настроечного винта 5 определяется внутренней длиной винта (H) 11 от крышки 2 (или крышки 2-1) внутрь резонансного объёма 14. Эффективная высота винта связи 7 определяется внутренней длиной винта (H) 12 от крышки 2 (или крышки 2-1) внутрь резонансного объёма 14.
Р
Н
К
Эффективная высота (H) 10 резонаторного стержня 3 совместно с длиной (H) 11 и высотой (ΔН) 15 определяют настройку звена фильтра на конкретную частоту с учётом соседних звеньев, поэтому важно стабилизировать именно эти размеры при изменении высоты (H) 9 корпуса 1.
Р
Н
Материалы подбирают таким образом, чтобы изменение эффективной высоты (H) 10 резонаторного стержня 3 и длины (H) 11 компенсировало частотный уход, вызванный изменением высоты корпуса 1. Для этого в макете полезной модели были использованы материалы:
- для съёмного резонаторного стержня 3 материал с ТКЛР большим, чем у корпуса 1;
- для настроечного винта 5 материал с ТКЛР значительно меньшим, чем у корпуса 1.
В результате применения материалов с различным ТКЛР, подобранных под конструкцию конкретного фильтра, удалось добиться ухода частоты меньшего 0,03% относительно центральной частоты фильтра в диапазоне температур от минус 50 до 60°С.