Полосно-заграждающий фильтр
BAND-STOP FILTER

Изобретение относится к радиотехнике, а именно - к технике СВЧ, и предназначено для создания полосно-заграждающих фильтров дециметрового диапазона частот на основе диэлектрических резонаторов (ДР) для обеспечения электромагнитной совместимости выходного спектра передатчика повышенной мощности Глобальной Навигационной Спутниковой Системы (ГЛОНАСС) с частотным диапазоном работы международной радиоастрономической службы.
Техническими результатами являются улучшение стабильности электрических характеристик полосно-заграждающего фильтра (ПЗФ), выполненного на основе дисковых диэлектрических резонаторах (ДР), за счет повышения термостабильности диэлектрических резонаторов и упрощения настройки фильтра. Благодаря этому обеспечиваются минимально допустимые искажения спектральной плотности рабочего сигнала передатчика повышенной мощности в полосе пропускания и требуемый уровень развязки его спектральных составляющих в области частот радиоастрономического диапазона.
Полосно-заграждающий фильтр содержит экранированную коаксиальную линию 1, ограниченную с обоих концов переходами 2, служащими для подсоединения к тракту, п дисковых ДР 3, установленных на цилиндрических диэлектрических подставках 4, скрепленными, например клеем, по соприкасающимися торцевыми поверхностями с дисковыми ДР 3, каждый из которых установлен осесимметрично в полости цилиндрической металлической секции 5, ограниченной с одной стороны пластиной основания 6, служащей для установки диэлектрической подставки 4, при креплении ее, например клеем, к пластине основания 6, а с другой стороны ограниченной металлической крышкой 7, в которой установлен винт частотной настройки 8, закрепленный одним концом на металлической крышке 7 с возможностью осевого перемещения в цилиндрической металлической секции 5, а коаксиальная линия 1 снабжена проводниками шлейфов 9, подключенными к внутреннему проводнику 10 коаксиальной линии 1 через расстояния в одну четверть длины волны, и размещенными поочередно в противоположных направлениях относительно коаксиальной линии 1, при этом каждый из проводников шлейфов 9 через проходное отверстие 11, выполненное во внешнем проводнике 12 коаксиальной линии 1, и через проходное отверстие 13 в стенке цилиндрической секции 5, продлен внутрь ее полости в виде петли связи 14, проводник 15 которой выполнен виде дуги и установлен концом 16 проводника 15 в дополнительном отверстии 17, выполненном в стенке цилиндрической секции 5, с возможностью перемещения конца 16 проводника 15 петли связи 14 в дополнительном отверстии 17 с последующим креплением в нем, например пайкой, каждая петля связи 14, проводник 15 которой выполнен в форме дуги, обращена вогнутой стороной к цилиндрической поверхности дискового ДР 3, а резонансные частоты дисковых ДР 3, например по порядку звеньев 1-2-3 для трехзвенного фильтра, настроены на наименьшую, наибольшую и среднюю по значению резонансные частоты, соответственно, каждый дисковый ДР, изготовленный из высокопроницаемого диэлектрического материала, имеет U-образную характеристику температурного коэффициента частоты (ТКЧ) при относительных уходах резонансной частоты рабочего типа колебаний дискового ДР 3 с минимумом значения ТКЧ в области нормальной температуры, высота цилиндрической подставки 4 выбрана в пределах 0,85-1,35 от высоты дискового ДР 3 при отношении его собственной высоты к диаметру в пределах 0,4-0,5, винт частотной перестройки 8 выполнен из металла с величиной температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛ), отличной от величины ТКЛ металла цилиндрической секции 4 и крышки 7, на которой он установлен. Одним из вариантов выполнения диэлектрической подставки 4 может быть подставка в виде усеченного конуса, ограниченного по высоте в нижней плоскости пластиной основания 6 металлической цилиндрической секции 5, а в верхней плоскости ограниченной соприкасающейся с ней торцевой поверхностью дискового ДР 3.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлен общий вид трехзвенного полосно-заграждающего фильтра в сборке, на Фиг. 2 показаны поперечные разрезы коаксиальной линии с установленными в ней шлейфами, цилиндрической металлической секции с дисковым ДР и диэлектрической подставкой, металлическая крышка и винт частотной перестройки, закрепленный на металлической крышке (вид А-А), а также цилиндрическая секция со снятой металлической крышкой (вид В-В).
На Фиг. 3. приведена эквивалентная электрическая схема трехзвенного ПЗФ, в которой каждый ДР замещен резонансным контуром, связанным с проводником петли связи.
Известны конструкции полосно-заграждающих фильтров (ПЗФ), предназначенные для фильтрации СВЧ сигналов волноводных трактов, в частности, для подавления сигналов нежелательных частот при решении проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств /см. Безбородов, Т.Н. Нарытник, В.Б. Федоров. - К.: Тэкника, 1989. Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах, С. 74-79 /.
В известных конструкциях ПЗФ размещение диэлектрических резонаторов в линии передачи производится при расстоянии между ними в 3/4 длины волны, при этом установка ДР в линии передачи в одну четверть длины волны не целесообразна, так как при этом происходит взаимодействие внешних местных полей ДР между собой. Это приводит к появлению в полосе запирания пиков затухания (по числу ДР) и провалов между ними с низким затуханием, т.е. проявляется эффект «пересвязи контуров», что ведет к существенному увеличению электрической длины ПЗФ, неприемлемой для дециметрового диапазона длин волн.
Известна конструкция ПЗФ, реализованного с помощью коаксиальных резонаторов (КР) служащая для фильтрации сигналов в базовых станциях мобильных сетей связи. КР и передающий канал располагаются параллельно и имеют электромагнитную связь друг с другом. Резонаторы (R1, R2, R3) имеют один проводящий корпус, внутреннее пространство которого разделено на полости посредством проводящих перегородок. Центральный проводник передающего канала расположен внутри резонатора так, что он проходит через все полости резонаторов. Корпус функционирует как внешний проводник канала передачи сигнала. Интенсивность и ширина резонанса в диапазоне устанавливается посредством подбора расстояния между внутренним проводником резонатора и центральным проводником передающего канала /см. Патент US WO 2005109565 А1 заявлен 29.04. 2005 Полосно-заградительный фильтр, Puoskari J., Ala-Kojola Y./ Однако, собственная добротность коаксиального резонатора (КР) существенно (более чем на порядок величин) уступает аналогичному значению для ДР одного и того же диапазона частот и имеет относительно большие габариты. Кроме того, снижается электрическая прочность КР (в области холостого хода конца внутреннего проводника КР), что ограничивает уровень допустимой мощности известного фильтра. Известна конструкция полосно-заграждающего фильтра на коаксиальных резонаторах с укороченной емкостью, подключенных с помощью петлевой связи к центральному проводнику коаксиальной линии передачи, содержащего устройство температурной компенсации и упор с резьбовым отверстием, в котором установлен винт регулировки частоты. Винт выполнен с дополнительным внутренним винтом, имеющими разные значения ТКЛ. Винт выполнен с возможностью деформации стенки резонатора, выполненной пружинящей, и состоит из внутреннего и наружного винтов, выполненных из материалов с разными температурными коэффициентами линейного расширения. /Патент РФ №2316087 СВЧ-фильтр, Рожков В.Н., приоритет 2006-06-23, опубликован 2008-01-27 /. Однако, ввиду наличия узкого зазора в области укороченной емкости КР и пружинящей стенки резонатора обеспечение стабильности фильтра в диапазоне температур существенно трудоемко, так как требуется одновременно согласование по величине трех элементов фильтра, а возможность электрического пробоя зазора ограничивает допустимую мощность фильтра в тракте передатчика. При этом собственная добротность КР существенно ниже добротности ДР, что ограничивает достижение высоких электрических характеристик фильтра.
Известна конструкция ПЗФ, содержащего металлический экран, в котором выполнены коаксиальная линия, ограниченная переходами, служащими для подсоединению к тракту, и п- полых металлических секций, разделенных металлическими перегородками, в каждой из которых установлен дисковый ДР, закрепленный на диэлектрической подставке так, что ДР по электромагнитному полю связан с внутренним проводником коаксиальной линии, а электрическое расстояние между соседними дисковыми ДР составляет 3/4λ, где λ - длина волны фильтра (см. Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах /Ю.М. Безбородов, Т.Н. Нарытник, В.Б. Федоров. - К.: Тэхника, 1989. -184 с, С. 76, рис. 3-16). Однако, такой фильтр имеет неприемлемо большое значение электрической длины для дециметрового диапазона длин волн, в нем имеет место снижение добротности ДР, установленного в непосредственной близости к внутреннему проводнику коаксиальной линии, что приводит к снижению избирательности фильтра и ухудшению стабильности его электрических характеристик, а наличие зазора между металлической перегородкой и внутренним проводником ухудшает электрическую прочность и уменьшает величину допустимой мощности фильтра.
Известен ПЗФ в составе диплексера, выполненный в виде коаксиальной линии, на внутреннем проводнике которой осесимметрично установлены диэлектрические шайбы, изготовленные из диэлектрических материалов с отличающимися значениями относительной диэлектрической проницаемости, чередующими между собой по длине коаксиальной линии. Шайбы, имеющие высокие значения диэлектрической проницаемости установлены на расстояниях в 3/4 длины волны и выполняют функции диэлектрических резонаторов, а шайбы с пониженной диэлектрической проницаемостью выполняют функцию изоляции коаксиальной линии (см. Quarter wave dielectric transmission line diplexer for land mobile communication / IEEE MTT-S, Int. Microwave Symp.Dig., June 1979, New-York, pp.278-280 /). Однако, диэлектрические резонаторы в виде шайбы, установленной на центральном проводнике коаксиальной линии, обладают пониженной собственной добротностью за счет дополнительных потерь в центральном проводнике линии, при этом тип колебаний диэлектрического резонатора (шайбы, имеющей высокое значение диэлектрической проницаемости) не является низшим типом колебаний, что затрудняет настройку фильтра за счет наличия паразитных полос частот заграждения. Электрическая длина такого фильтра для дециметрового диапазона длин волн избыточно большая. Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является техническое решение, предложенное в патенте РФ / Патент №2602695. Российская Федерация, №217.015.88BF. Полосно-заграждающий фильтр / Алексейчик Л.В., Павлов Н.В., Разин С.А., Рожков В.М., Холмогоров В.В. - Заявл. 18.06.2015; опубл. 26.10.2016/.
Полосно-заграждающий фильтр содержит экранированную коаксиальную линию, ограниченную на концах переходами, служащими для подключения к тракту, вне экрана которой выполнены полые цилиндрические секции, в которых установлены n дисковых ДР, каждый из которых установлен осесимметрично на цилиндрической диэлектрической подставке и закреплен с ней по соприкасающимися торцевыми поверхностями, например клеем, и снабжен винтом частотной настройки, закрепленным на крышке цилиндрической секции с возможностью осевого перемещения, полые цилиндрические секции установлены вне коаксиальной линии передачи и размещены поочередно с ее противоположных сторон через расстояния в одну четверть длины волны, при этом каждая цилиндрическая секция ограничена с одной стороны пластиной основания, служащей для установки диэлектрической подставки при креплении к пластине основания, а с другой стороны металлической крышкой, коаксиальная линия передачи снабжена проводниками шлейфов, подключенными к ее внутреннему проводнику через расстояния в одну четверть длины волны, и каждый из проводников шлейфов через проходное отверстие, выполненное во внешнем проводнике коаксиальной линии и в стенке цилиндрической секции продлен внутрь полости цилиндрической секции в виде петли связи, конец проводника которой закреплен на внутренней стенке цилиндрической секции, п -дисковых ДР настроены на разные резонансные частоты в полосе заграждения, а все металлические части конструкции фильтра выполнены из термостабильных сплавов, например, инвара. Дополнительно каждая петля связи выполнена из проводника в форме "бабочки", обращенного вогнутой стороной к цилиндрической поверхности дискового ДР. Известное техническое решение обладает повышенным уровнем избирательности благодаря сохранению высокой добротности дисковых ДР, установленных осесимметрично в цилиндрической секции звена фильтра. Однако, используемые дисковые ДР имеют температурные уходы резонансной частоты как положительного, так и отрицательного значения, что приводит к нежелательному для применения в тракте передатчика повышенной мощности ГЛОНАСС возможному сдвигу (уменьшению) резонансной частоты ДР в сторону полосы пропускания фильтра, где спектральная плотность сигнала передатчика существенно выше, вызывая возможный недопустимый перегрев ДР в условиях вакуума, в частности, резонатора, настроенного на низшую резонансную частоту фильтра. Кроме того, в этом случае имеет место заметное искажение спектра сигнала передатчика повышенной мощности в полосе пропускания. Фиксированное положение проводника петли связи относительно дискового ДР затрудняет настройку этих резонаторов на заданные параметры связи и КСВН тракта коаксиальной линии передачи. При этом не установлена очередность включения ДР разных резонансных частот в звеньях фильтра, обеспечивающих в них наиболее равномерное распределения тепловых потерь.
Технической задачей изобретения является улучшение стабильности электрических характеристик ПЗФ за счет повышения термостабильности и увеличения уровня теплопередачи дисковых ДР, исключающих недопустимый перегрев ДР, при минимально допустимых искажениях спектральной плотности рабочего сигнала передатчика повышенной мощности в полосе пропускания и обеспечения заданного уровня развязки спектральных составляющих сигнала передатчика в области частот на которых работает международной радиоастрономической службы, а также упрощение настройки ПЗФ.
Решение этой задачи достигается тем, что в полосно-заграждающим фильтре, содержащем экранированную коаксиальную линию, ограниченную на концах переходами, служащими для подключения к тракту, вне которой выполнены и размещены поочередно с ее противоположных сторон полые цилиндрические секции, в которых установлены п дисковых ДР, каждый из которых установлен осесимметрично на цилиндрической диэлектрической подставке и закреплен с ней по соприкасающимися торцевыми поверхностями и снабжен винтом частотной настройки, закрепленным на стенке крышки цилиндрической секции с возможностью осевого перемещения, при этом каждая цилиндрическая секция ограничена с одной стороны пластиной основания, служащей для установки диэлектрической подставки, а с другой стороны металлической крышкой, коаксиальная линия снабжена проводниками шлейфов, подключенными к внутреннему проводнику коаксиальной линии через расстояния в одну четверть длины волны, и каждый из проводников шлейфов через проходное отверстие, выполненное во внешнем проводнике коаксиальной линии и в стенке цилиндрической секции, продлен внутрь полости цилиндрической секции в виде петли связи, отличающийся тем, что дисковые диэлектрические резонаторы установлены, например по порядку звеньев 1-2-3 трехзвенного полосно-заграждающего фильтра, и настроены на наименьшую, наибольшую и среднюю по значению резонансные частоты, соответственно, а каждый дисковый диэлектрический резонатор, изготовленный из высокопроницаемого диэлектрического материала, имеет U-образную характеристику температурного коэффициента частоты (ТКЧ) при относительных уходах резонансной частоты рабочего типа колебаний дискового ДР 3 с минимумом значения ТКЧ в области нормальной температуры, высота цилиндрической подставки выбрана в пределах 0,85-1,35 от высоты дискового диэлектрического резонатора при отношении его собственной высоты к диаметру в пределах 0,4-0,5, петля связи выполнена из проводника в виде дуги, обращенной в сторону боковой поверхности дискового диэлектрического резонатора так, что конец проводника петли связи введен в дополнительное отверстие, выполненное в стенке цилиндрической секции с возможностью перемещения проводника петли связи с последующим креплением конца проводника петли связи в стенке цилиндрической секции, например пайкой, а винт частотной перестройки выполнен из металла с величиной коэффициента температурного линейного расширения (ТКЛ), отличной от величины ТКЛ металла цилиндрической секции и крышки, на которой он установлен. Одним из вариантов диэлектрической подставки может быть диэлектрическая подставка, выполненная в виде усеченного конуса, ограниченного по высоте в нижней плоскости пластиной основания металлической цилиндрической секции, а в верхней плоскости ограниченной соприкасающейся с ней торцевой поверхностью дискового ДР.
Полосно-заграждающий фильтр работает следующим образом. При подключении переходов фильтра к тракту обеспечивается распространение электромагнитной энергии в рабочей полосе частот пропускания тракта передатчика повышенной мощности при исключении распространения энергии на заданных частотах полосы заграждения фильтра в радиоастрономическом диапазоне за счет отражения (и частичного поглощения) электромагнитной энергии при резонансном возбуждения дисковых ДР, установленных в звеньях ПЗФ.
Благодаря тому, что дисковые ДР установлены, например по порядку звеньев 1-2-3 трехзвенного полосно-заграждающего фильтра, и настроены на наименьшую, наибольшую и среднюю по значению резонансные частоты, соответственно, достигается согласно экспериментальным данным более равномерное распределение вносимых потерь дисковых ДР, что повышает термостабильность фильтра.
Так как каждый дисковый ДР, изготовленный из высокопроницаемого диэлектрического материала, имеет U-образную характеристику температурного коэффициента частоты (ТКЧ) при относительных уходах резонансной частоты рабочего типа колебаний дискового ДР 3 с минимумом значения ТКЧ в области нормальной температуры, то в диапазоне рабочих температур достигается только положительный по знаку сдвиг его резонансной частоты, что исключает искажение спектральных составляющих сигнала передатчика повышенной мощности в полосе пропускания фильтра, расположенной до низкочастотного ската частотной характеристики фильтра, в результате чего исключается возможность перегрева дисковых ДР, в частности ДР, настроенного на низшую резонансную частоту. Благодаря тому, что высота цилиндрической подставки дискового ДР выбрана в пределах 0,65-1,35 от высоты дискового ДР при отношении его собственной высоты к диаметру в пределах 0,4-0,5, обеспечивается размещение образцов ДР в центральной области цилиндрической секции, в пределах которой собственная добротность дискового ДР достигает максимальное значение при требуемом уровне теплопередачи ДР на металлическую пластину основания цилиндрической секции, ограничивающей температуру ДР. При выборе пределов 0,4-0,5 отношения высоты дискового ДР к его диаметру обеспечивается максимальная отстройка паразитных резонансов высших типов колебания ДР от рабочего диапазона частот ПЗФ.
Выполнение проводника петли связи в виде дуги, обращенной в сторону боковой поверхности дискового ДР, так что конец проводника петли связи введен в дополнительное отверстие, выполненное в стенке цилиндрической секции с возможностью перемещения петли связи проводника при последующем креплении конца проводника петли связи в отверстии на стенке цилиндрической секции, обеспечивает возможность индивидуальной настройки каждого звена ПЗФ на требуемые параметры связи ДР с коаксиальной линией передачи и коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) фильтра, что упрощает процесс настройки фильтра. При этом исключаются перепайки концов проводника петли связи в разных местах на стенке цилиндрической секции при некорректном выборе длины ее проводника.
Благодаря тому, что винт частотной перестройки выполнен из металла с величиной коэффициента температурного линейного расширения (ТКЛ), отличной от величины ТКЛ металла цилиндрической секции, получена дополнительная коррекция температурных сдвигов резонансной частоты дисковых ДР за счет сохранения толщины воздушного зазора между концом винта частотной перестройки и торцевой поверхности ДР. В случае одинаковых ТКЛ винта частотной настройки и цилиндрической секции воздушный зазор между ДР и концом винта частотной перестройки увеличивался бы, что приводило бы к дополнительным сдвигам резонансной частоты ДР, т.е. к уменьшению термостабильности ПЗФ. Одним из вариантов выполнения диэлектрической подставки может быть подставка в виде усеченного конуса, ограниченного по высоте в нижней плоскости пластиной основания металлической цилиндрической секции, а в верхней плоскости ограниченной соприкасающейся с ней торцевой поверхностью дискового ДР, которая обеспечивает повышенный уровень теплопередачи от ДР к пластине основания цилиндрической секции без изменения высоты диэлектрической подставки за счет увеличения теплового потока, передаваемого на большую площадь металлической пластины основания цилиндрической секции.
Достижение положительных эффектов, обусловленных отличительными признаками формулы изобретения, подтверждены данными многократных экспериментальных измерений. Достигнуто улучшение стабильности электрических характеристик ПЗФ за счет увеличения примерно вдвое уровня термостабильности ДР в заявленном ПЗФ по сравнению с термостабильностью известного фильтра и исключена возможность недопустимого перегрева дисковых ДР в звеньях фильтра при уровнях мощности передатчика порядка 120 Вт.
Использование изобретения позволило создать полосно-заграждающие фильтры дециметрового диапазона малой электрической длины на дисковых ДР с улучшенными характеристиками избирательности, повышенной термостабильностью и простотой настройки. Эксплуатационные характеристики предложенного полосно-заграждающего фильтра удовлетворяли жестким требованиям, предъявляемым к СВЧ изделиям спутниковых телекоммуникационных и навигационных систем.
Литература и патентный поиск (МКИ HOlp 1/20,1/201,1/202, 1/203)
2
9
20
1. Microwave dielectric resonator filters utilizing Ba Ti O ceramics / J.K. Plourde, D.F. Linn. - MTT-S, Int. Microwave Symp. Dig., 1979, New-York, pp. 290-293. (прототип)
2. Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах / Ю.М. Безбородов, Т.Н. Нарытник, В.Б. Федоров. - К.: Тэхника, 1989. - 184 с.
3. Диэлектрические резонаторы. /Под ред. Профессора М.Е. Ильченко. - М.: Радио и связь, 1989, - 328 с.
4. Quarter wave dielectric transmission line deplexer for land mobile communication / K. Wakino et all. - MTT-S, Int. Microwave Symp.Dig., 1979, New-York, pp. 278-280.
5. Расчет линии передачи с диэлектрическими резонаторами при учете ближнего поля /Л.В. Алексейчик, В.М. Геворкян, Ю.А. Казанцев, В.В. Краюшкин. Электронная техника. Сер. 1 Электроника СВЧ., 1979, вып. 8, с. 15-27.
6. Состояние и перспективы применения миниатюрных диэлектрических резонаторов в радиоэлектронике. Часть 1. Параметры миниатюрных диэлектрических резонаторов на СВЧ и методы их расчета. / Л.В. Алексейчик и др., -М.: Обзоры по электронной технике, Сер. 1 Электроника СВЧ., 1981, вып. 13 (832), - 96 с.
7. Параметры и методы анализа диэлектрических резонаторов и колебательных систем на их основе / Л.В. Алексейчик, И.И. Бродуленко, Г. Гаврилюк, В.В. Краюшкин, В.А.Мальцев. - М.: Обзоры по электронной технике, Сер. 1 Электроника СВЧ., 1990, вып. 5 (1525), - 64 с.
8. Маттей Д.А., Янг Л., Джонс Е.М. Фильтры СВЧ, согласующие цепи, цепи связи. Т. 1 Л.-М.: Связь, 1971, - 439 с; т» М.: Связь, 1972, - 495 с.
9. Cohu S.B., Torgow E.N. Investigation of microwave dielectric-resonator filters. - Rantec Dir. Emerson Electric Co. Calif., Rept 8 (Final)
10. Патент WO 2005109565 Al. Полосно-заградительный фильтр, / Puoskari J., Ala-Kojola J., заявл. 29.04.2005.
11. Патент US 6682252 BA. Многослойный СВЧ резонатор / Cros D., Tobar M.E., заявл. 21.06.2003.
12. Патент JP 2002292191. Диэлектрический резонатор и диэлектрический фильтр / Saton Hiroki and others, заявл. 04.10.2002.
13. Патент JP 3797273 В2 200347803 А. Полосно-заградительный фильтр и устройство связи, заявл. 23.05.2002.
14. Патент US 2.924.792 Волноводный фильтр / Gyorgy Е.М.
15. Патент US 4.124.830 Волноводный фильтр на диэлектрических резонаторах / С.Len.
16. Патент US 4.118.413 Filter Devices Incorporation Dielectric Resonators and Hiakage Cable / T. Nichicawa et all.
17. Патент №2602695. Российская Федерация, №217.015.88BF. Полосно-заграждающий фильтр / Алексейчик Л.В., Павлов Н.В., Разин С.А., Рожков В.М., Холмогоров В.В. - Заявл. 18.06.2015; опубл. 26.10.2016
18. Патент РФ №2316087 СВЧ-фильтр, Рожков В.Н., приоритет 2006-06-23, опубликован 2008-01-27 /.