ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ПОЛОСНО-ЗАПИРАЮЩИЙ (РЕЖЕКТОРНЫЙ) ВОЛНОВОДНЫЙ ФИЛЬТР
TUNABLE BAND-STOP (REJECTION) 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 фильтры на основе прямоугольного волновода реализуются с помощью одного или нескольких объемных резонаторов, связанных с волноводом с помощью щелей или отверстий.
Известна конструкция волноводного полосно-запирающего фильтра на основе прямоугольного волновода с присоединенными через поперечные щели в широкой стенке волновода объемными 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 преимущества указанного фильтра, такие как высокая добротность внешних объемных резонаторов и малая суммарная полоса режекции.
В качестве прототипа выбран перестраиваемый полосно-запирающий фильтр, известный из патента РФ №2696817 (МПК Н01Р 1/20, приор. 09.01.2019, публ. 06.08.2019), металлический корпус которого включает отрезок прямоугольного волновода и призматический резонатор, имеющий вид прямой призмы с равнобедренными треугольными основаниями, расположенным в плоскостях узких стенок волновода. Электродинамическая связь отрезка волновода с призматическим резонатором осуществляется посредством щели, расположенной на широкой стенке отрезка волновода перпендикулярно ребру волновода и одновременно расположенной на одном из боковых ребер призмы. Фильтр включает также подстроечный поршень, выполненный с возможностью введения посредством втулки в призматический резонатор через грань призмы, параллельную широкой стенке отрезка прямоугольного волновода, и сопряженный с втулкой с помощью резьбового соединения.
Достоинствами прототипа по сравнению с полосно-запирающими фильтрами аналогами на основе объемных резонаторов, связанных с волноводом посредством щелей или отверстий, являются простота конструкции, его повышенная селективность, обусловленная тем, что структура колебаний в призматическом резонаторе 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.
Однако к недостатку фильтра следует отнести относительно небольшие значения подавления при реализации конструкции фильтра в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин.
Подобные фильтры необходимы в различных приложениях, в том числе, например, в системах СВЧ нагрева установок управляемого термоядерного синтеза (УТС) для диагностики, основанной на приеме СВЧ сигналов на частотах, близких к частоте СВЧ источника (гиротрона). Для этого требуются режекторные фильтры, предназначенные для защиты чувствительной диагностической аппаратуры, подавляющие сигнал мощного СВЧ источника в полосе его генерации и пропускающие диагностические СВЧ сигналы вне данной полосы.
Например, в перспективных установках УТС с частотами СВЧ нагрева 170 ГГц и 240 ГГц необходимы полосно-запирающие фильтры с характерной величиной подавления более 90 дБ, что достигается путем каскадного соединения фильтров, каждый из которых обеспечивает подавление порядка 30 дБ в указанных частотных диапазонах.
Задачей, на которую направлено данное изобретение, является разработка полосно-запирающего (режекторного) волноводного фильтра с перестройкой частоты режекции, простого и относительно дешевого в изготовлении, но с большим (по сравнению с прототипом) значением величины подавления, особенно в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн.
Технический результат достигается тем, что предлагаемый перестраиваемый полосно-запирающий (режекторный) волноводный фильтр включает отрезок прямоугольного волновода с фланцами и выполненный как полость в металлическом корпусе резонатор, имеющий электродинамическую связь с отрезком прямоугольного волновода с фланцами через элемент связи в виде щели, расположенной на одной широкой стенке отрезка прямоугольного волновода с фланцами перпендикулярно его ребрам, а также подстроечного поршня, выполненного с возможностью введения посредством втулки в резонатор со стороны другой широкой стенки 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, причем втулка сопряжена с корпусом с помощью резьбовых соединений, 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.
Новым является то, что резонатор фильтра имеет форму близкую к усеченной четырехугольной пирамиде, в качестве меньшего основания которой выступает отверстие связи в виде щели, а большее основание, используемое для введения подстроечного поршня, выполнено выпуклым по направлению к ближайшей широкой стенке волновода, причем кривизна выпуклости и длины сторон резонатора выбраны исходя из условия отсутствия возбуждаемых в резонаторе паразитных колебаний в рабочей полосе частот фильтра.
На Фиг. 1 представлено трехмерное изображение конструкции предлагаемого механически перестраиваемого полосно-запирающего волноводного фильтра, на Фиг. 2 - сечение фильтра в разных проекциях и на Фиг. 3 - конструкция подстроечного 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 резонатор 5, имеющий форму близкую к усеченной четырехугольной пирамиде, большее основание которой выполнено выпуклым по направлению к ближайшей широкой стенке волновода с фланцами 2, а в качестве меньшего основания выступает отверстие связи в виде щели 6. В частном случае, приведенном на фиг. 1 и 2, большее основание представлено сферически выпуклым, но в общем случае реализации изобретения по п. 1 формулы оно может быть аппроксимировано гладкой поверхностью, изменяющейся и по другому закону, например, параболическому и пр. Главное, чтобы при этом выполнялось условие отсутствия возбуждаемых в резонаторе 5 паразитных колебаний в рабочей полосе частот фильтра. 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. Подстроенный поршень 4, в свою очередь, состоит из головки для вращения 7, резьбовой части 8, согласующей части 9 и настроечной части 10 (см. фиг. 3). Регулируемый по высоте подстроечный поршень 4 вводится в резонатор 5 через выпуклое основание резонатора 5. 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 резонатор 5 обладает симметрией второго порядка, причем ось симметрии резонатора совпадает с осью подстроечного поршня 4 и отверстия во втулке 3 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 резонатор 5 имеет форму близкую к равнобедренному треугольнику, размещенному таким образом, что щель 6 находится на вершине треугольника, расположенной между двумя прямыми равными сторонами, а третья сторона выполнена в виде дуги, причем прямая, проведенная через крайние точки этой дуги, параллельна широкой стенке отрезка прямоугольного волновода с фланцами 2. В общем случае в сечении Б-Б фильтра резонатор 5 имеет форму близкую к правильной трапеции, большее основание которой также выполнено в виде дуги, причем прямая, проведенная через крайние точки этой дуги, параллельна широкой стенке отрезка прямоугольного волновода с фланцами 2. В частном случае (см. фиг. 1 и фиг. 2) форма дугообразной стороны треугольника и основания трапеции совпадает с дугой окружности, а в общем случае оно может быть аппроксимировано гладкой кривой, изменяющейся и по другому закону, например, параболическому и пр. Главное, чтобы выполнялось условие отсутствия возбуждаемых в резонаторе 5 паразитных колебаний в рабочей полосе частот фильтра. Также в общем случае ось симметрии подстроечного поршня 4 и отверстия во втулке 3 с осью симметрии второго порядка 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. Также фильтр может быть изготовлен методом 3D печати.
Резонатор 5, возбуждаемый через щель 6, выступающую в виде меньшего основания четырехугольной усеченной пирамиды, обеспечивает большие значения подавления фильтра по сравнению с призматическим резонатором прототипа и прямоугольными или цилиндрическими резонаторами с аналогичными рабочими полосами частот. Например, для центральной частоты подавления 240 ГГц прототип обеспечивает подавление 23 дБ, а заявленный фильтр 31 дБ. Структура колебаний в резонаторе 5 аналогична структуре собственных волн в секториальном рупоре, в котором при малом поперечном размере щели 6 (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 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 предложенном резонаторе 5, в отличие от других типов резонаторов (прямоугольных или цилиндрических) практически не присутствует ограничение на высоту, связанное с возникновением паразитных колебаний, отличающихся от рабочего поперечной структурой. Длины сторон резонатора 5 выбираются таким образом, чтобы в рабочей полосе частот фильтра отсутствовали паразитные продольные колебания. Предложенный резонатор 5 в отличие от призматического резонатора прототипа обладает большей добротностью. Этот факт обусловлен тем, что добротность пропорциональна объему резонатора, а потери пропорциональны его площади. При прочих равных условиях (имеется ввиду геометрические размеры резонаторов), объем предложенного резонатора 5 больше объема призматического резонатора прототипа.
Принцип работы предлагаемого перестраиваемого полосно-запирающего волноводного фильтра можно пояснить на примере фильтра-прототипа. Регулируемый по высоте поршень 4 и втулка 3, механически соединенная с отрезком волновода с фланцами 2, образуют последовательный контур. Зависимость частоты режекции фильтра от геометрических параметров фильтра можно пояснить следующим образом.
1
1
Чем больше зазор Δ между поршнем 4 и щелью 6, тем меньше индуктивность и выше частота режекции фильтра. С другой стороны, чем меньше зазор Δ между поршнем 4 и щелью 6, тем больше емкость С
и, соответственно, ниже частота режекции фильтра в целом.
2
2
2
Ширина щели Δ, осуществляющую связь резонатора 5 с отрезком волновода с фланцами 2, определяет нагруженную добротность резонатора 5 и полосу его режекции. Например, при реализации разработанного фильтра в 8-миллиметровом диапазоне длин волн ширина щели составляет не менее 0,5 мм. При увеличении размера Δ щели 6 нагруженная добротность резонатора 5 уменьшается, соответственно, при уменьшении размера Δ щели 6 она 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 поршня стандартного микрометрического винта в 8-миллиметровом диапазоне длин волн обеспечивается точность установки частоты режекции не хуже 30 МГц без применения специальных способов перемещения микрометрического винта, позволяющих повысить точность установки частоты.
Фильтр был испытан на уровне мощности ~ 10 кВт при длительности СВЧ импульса ~0,4 мкс, и при данных условиях пробоев не наблюдалось на частоте 35,5 ГГц.
Таким образом, предлагаемый фильтр, как и прототип, характеризуется возможностью перестройки центральной частоты режекции, наличием лишь одной полосы режекции в рабочем диапазоне частот, узкой полосой режекции. а также высоким коэффициентом прохождения вне полосы режекции, но при этом большей по меньшей мере на 8 дБ по сравнению с прототипом величиной подавления для центральной частоты подавления 240 ГГц (для более низких частот эта величина может быть существенно больше).
Фильтр предназначен для использования в сантиметровом дециметровом и диапазонах длин волн. Использование специальной технологии изготовления резонатора, сопряженного с широкой стенкой волновода (например, методом фрезерования на станке с ЧПУ, изготовлением методом эрозии) позволяет изготовить фильтр предлагаемой конструкции для использования в миллиметровом диапазоне длин волн, а также в его коротковолновой части.