ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР
BANDPASS FILTER

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для создания полосно-пропускающих фильтров дециметрового диапазона длин волн на основе встречно-стержневых резонансных звеньев.
Известна конструкция полосно-пропускающих фильтров на связанных линиях с непосредственной связью, состоящая из конечного числа резонансных элементов, каждый из которых образован плоским проводящим стержнем, разомкнутым на одном конце, а другим концом присоединен к плоской стенке замкнутого металлического корпуса, образованного параллельными стенками, запредельного на центральной частоте фильтра, причем одни концы соседних металлических стержней присоединены к противоположным плоским стенкам, а электрическая длина каждого проводящего стержня равна четверти длины волны на центральной частоте фильтра (Справочник по элементам полосковой техники. Под редакцией А.Л. Фельдштейна. М.: «Связь», 1979, 336 с., с. 218, рис. 8.1).
Недостатком такой конструкции фильтра является наличие паразитных полос пропускания на частотах вблизи утроенной центральной частоты фильтра.
Наиболее близким к предлагаемому полосно-пропускающему фильтру является полосно-пропускающий фильтр, содержащий прямоугольный металлический корпус, образованный параллельными плоскими стенками, запредельный для центральной частоты фильтра, n металлических цилиндрических стержней, число которых равно порядку фильтра, расположенных параллельно друг другу и разделенных диэлектрическими промежутками, причем одни концы соседних металлических цилиндрических стержней присоединены к противоположным плоским стенкам, а концы крайних металлических цилиндрических стержней присоединены к центральным проводникам коаксиальных присоединителей внешних линий передачи, оболочки коаксиальных присоединителей соединены с металлическим корпусом (см. Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи / под ред. Л.В. Алексеева и Ф.В. Кушнира, Том 2 - М.: Изд-во «Связь», 1972, 496 с., с. 100, рис. 10.07.2).
Недостатком такого фильтра является наличие паразитных полос пропускания на частоте вблизи утроенной центральной частоты фильтра.
Техническим результатом изобретения является смещение ближайших паразитных полос пропускания фильтра в более высокочастотную область, превышающую 4…5 значений центральной частоты полосы пропускания.
Это достигается тем, что в полосно-пропускающем фильтре, содержащем прямоугольный металлический корпус, образованный параллельными плоскими стенками, запредельный для центральной частоты фильтра, n металлических стержней, число которых равно порядку фильтра, расположенных параллельно друг другу и разделенных диэлектрическими промежутками, причем одни концы соседних металлических стержней присоединены к противоположным плоским стенкам, а концы крайних металлических стержней присоединены к центральным проводникам коаксиальных присоединителей внешних линий передачи, оболочки коаксиальных присоединителей соединены с металлическим корпусом, металлические стержни образованы круговыми цилиндрами, фильтр снабжен n плоскими конденсаторами, образованными каждый диэлектрической пластиной с металлизированными параллельными поверхностями, формирующими обкладки конденсаторов, другие концы металлических стержней присоединены к первым обкладкам плоских конденсаторов, вторые обкладки которых расположены на плоских стенках металлического корпуса, причем емкость С плоских конденсаторов 10 определяется из математического соотношения
0
0
где l - длина металлических стержней, лежащая в пределах от 1/10 до 1/12 длины волны λ на центральной частоте ω полосы пропускания полосно-пропускающего фильтра, с - скорость света в вакууме, d - диаметр металлических стержней, b - расстояние между параллельными металлическим стержням плоскими стенками.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен полосно-пропускающий фильтр на встречных стержнях, на фиг. 2 показаны сравнительные частотные характеристики семизвенного фильтра известного (а) и созданного (б).
Полосно-пропускающий фильтр содержит прямоугольный металлический корпус 1, образованный параллельными плоскими стенками 2, запредельный для центральной частоты фильтра, n металлических стержней 3, число которых равно порядку фильтра, расположенных параллельно друг другу и разделенных диэлектрическими промежутками 4, причем одни концы соседних металлических стержней 3 присоединены к противоположным плоским стенкам 2, а концы крайних металлических стержней 3 присоединены к центральным проводникам 5 коаксиальных присоединителей 6 внешних линий передачи, оболочки 7 коаксиальных присоединителей 6 соединены с металлическим корпусом 1. Металлические стержни 3 образованы круговыми цилиндрами. Фильтр имеет n плоских конденсаторов 8, образованных каждый диэлектрической пластиной 9 с металлизированными параллельными поверхностями 10, формирующими обкладки конденсаторов, другие концы металлических стержней 3 присоединены к первым обкладкам плоских конденсаторов 8, вторые обкладки которых расположены на плоских стенках металлического корпуса 2. Емкость С плоских конденсаторов 8 определяется из математического соотношения
0
0
где l - длина металлических стержней 3, лежащая в пределах от 1/7 до 1/10 длины волны λ на центральной частоте ω полосы пропускания полосно-пропускающего фильтра, c - скорость света в вакууме, d - диаметр металлических стержней 3, b - расстояние между параллельными металлическим стержням 3 плоскими стенками 2.
Полосно-пропускающий фильтр работает следующим образом.
После каскадного подключения полосно-пропускающего фильтра через центральные проводники 5 коаксиальных присоединителей 6 внешних линий передачи в цепь с распространяющейся СВЧ волной в крайних металлических стержнях 3 возбуждаются электромагнитные колебания. С другого коаксиального присоединителя 6 сигнал снимается в СВЧ цепь.
Все металлические стержни 3, образующие в совокупности с параллельными плоскими стенками 2 прямоугольного металлического корпуса 1 отрезок двухпроводной длинной линии, нагруженный на сосредоточенную емкость С (позиция 6), образованную диэлектрической пластиной 9 с металлизированными параллельными поверхностями 10, формирующими обкладки конденсаторов, формируют резонансные звенья полосно-пропускающего фильтра. Наибольшей эффективной добротностью из всех видов поперечных сечений металлических стержней 3 обладают резонансные звенья, образованные круговыми цилиндрами. Резонансные звенья электромагнитно связаны через диэлектрические (воздушные) промежутки 4. Эти электромагнитные связи формируют вид амплитудно-частотной характеристики полосно-пропускающего фильтра, порядок которого соответствует числу резонансных звеньев.
0
B
0
пар
0
<mrow><mi>L</mi><mo>≈</mo><mfrac><mrow><mi>Z</mi><mmultiscripts><mrow /><mprescripts /><mi>B</mi><none /></mmultiscripts></mrow><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mi>l</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mo>≈</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msqrt><mrow><mi>L</mi><mi>C</mi></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>L</mi><mo>≈</mo><mfrac><mrow><mi>Z</mi><mmultiscripts><mrow /><mprescripts /><mi>B</mi><none /></mmultiscripts></mrow><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mi>l</mi></mrow>
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac><mi>Λ</mi><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mn>6</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>c</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mn>3</mn><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
Резонансная частота ω резонансного звена определяется длиной короткозамкнутого (в результате присоединения его конца к плоской стенке 2) металлического стержня 3, обозначенной l, которая эквивалентна эффективной индуктивности
резонансного контура, где Z - волновое сопротивление эффективной длинной линии, образованной металлическим стержнем 3 и параллельными ему плоскими стенками 2, и сосредоточенной емкостью 6, обозначенной С, включенной параллельно с этой индуктивностью приближенной формулой
. С ростом значения емкости С при фиксированной резонансной частоте ω эффективная индуктивность
и соответствующая ей длина металлического стержня уменьшаются. При этом уменьшается и центральная длина волны λ паразитной полосы пропускания, достигающая значений
, которая в предельном случае значения емкости С, соответствующем режиму холостого хода на конце металлического стержня 3, равна
. Как показали исследования вопроса, уменьшение длины l металлического стержня 3 практически ограничено значениями, лежащими в пределах от 1/10 до 1/12 длины волны λ на центральной частоте ω полосы пропускания полосно-пропускающего фильтра. При значениях, меньших этих, возникает искажение частотной характеристики фильтра, связанное с формированием иных видов колебаний.
<mrow><mi>L</mi><mo>≈</mo><mfrac><mrow><mi>Z</mi><mmultiscripts><mrow /><mprescripts /><mi>B</mi><none /></mmultiscripts></mrow><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mi>l</mi></mrow>
Проведенные расчеты с применением разложения функции
в ряд Тейлора с учетом двух первых слагаемых, характеризуемых числами Бернулли, указывают на формулу, связывающую длину металлического стержня 3 со значением емкости С конденсатора:
Математическое моделирование частотных характеристик фильтров с металлическими стержнями 3, разомкнутыми на конце, и с металлическими стержнями 3, присоединенными к сосредоточенной емкости, показало обеспечение эффекта резкого смещения паразитной полосы пропускания относительно центральной частоты полосы пропускания. Это видно из сравнения кривых на фиг. 2.
Технический результат - смещение паразитных частот пропускания полосно-пропускающего фильтра - обеспечен тем, что у n металлических стержней 3, число которых равно порядку фильтра, расположенных параллельно друг другу и разделенных диэлектрическими промежутками 4, одни концы соседних металлических стержней 3 присоединены к противоположным плоским стенкам 2, а другие концы присоединены к первым обкладкам плоских конденсаторов 8, вторые обкладки плоских конденсаторов расположены на плоских стенках металлического корпуса 2. Емкость С плоских конденсаторов связана с длиной l металлических стержней 3 соотношением
Экспериментальные исследования подтвердили справедливость выдвинутого соотношения. Так, например, фильтр с полосой прозрачности шириной 400 МГц и центральной частотой 1150 МГЦ при вносимых потерях меньше 0,5 дБ обеспечил полосу заграждения по уровню минус 80 дБ в диапазоне от 1,8 ГГц до 4,8 ГГц. Габаритные размеры рабочей зоны фильтра составляют 86×30×24 мм. Полученные результаты обеспечены длиной металлического стержня l=25 мм, т.е. при диэлектрической шайбе, образующей конденсатор, диаметром 6 мм и толщиной 2 мм между металлизированными плоскостями.
0
Использование изобретения позволяет создать в диапазоне частот 1-4 ГГц ряд семизвенных полосно-пропускающих фильтров с полосами пропускания ~30…40% при отстройках ближайших паразитных полос пропускания на (5…6)ω.