ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР
BANDPASS FILTER

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для создания полосно-пропускающих фильтров на основе открытых дисковых диэлектрических резонаторов преимущественно в сантиметровом диапазоне длин волн.
Известна конструкция полосно-пропускающего фильтра, содержащего n-секций, где n - число резонансных звеньев, выполненных в виде полых металлических цилиндров, снабженных резьбами, расположенными на концах, соединенных между собой, зафиксированных контргайками и образующих внешний цилиндрический экран, и (n-2) открытых дисковых диэлектрических резонаторов, каждый из которых с помощью держателя установлен в полом металлическом цилиндре секции, оконечные секции экрана выполнены с металлическими торцевыми стенками, в каждой из оконечных секций экрана установлен элемент связи, например петлевой, к одному из концов элемента связи присоединен центральный проводник коаксиального разъема, плоские поверхности дисковых диэлектрических резонаторов размещены в полых металлических цилиндрах секций параллельно продольной оси полых металлических цилиндров, держатель каждого открытого дискового диэлектрического резонатора выполнен в виде диэлектрических втулок, снабженных внутренним отверстием, соосным с соосным отверстием открытых дисковых диэлектрических резонаторов, в отверстиях размещен дополнительно введенный винт, один конец каждого из которых прикреплен к цилиндрической поверхности полого металлического цилиндра, а на другом размещены дополнительно введенные диэлектрическая шайба и гайка (см. Диэлектрические резонаторы / Под ред. профессора М.Е.Ильченко. - М.: Радио и связь, 1989, 328 с., с.250, рис.10.12).
Однако такие фильтры при относительно высоком теплоотводе от резонаторов, определяемом теплопроводностью диэлектрической втулки, характеризуются относительно низкой эффективной собственной добротностью резонансных звеньев ввиду наличия металла внутри резонатора, а следовательно, недостаточно высокими электрическими характеристиками и, кроме того, близким частотным положением паразитных полос пропускания, определяемым относительно высокой диэлектрической проницаемостью втулок с высокой теплопроводностью.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному полосно-пропускающему фильтру является фильтр, содержащий полый металлический экран, на концах которого установлены присоединители, n открытых дисковых диэлектрических резонаторов с держателями, где n - целое число больше или равное единице, установленные в полом металлическом экране, и плоские поверхности открытых дисковых диэлектрических резонаторов расположены параллельно продольной оси металлического экрана, держатель каждого открытого дискового диэлектрического резонатора выполнен в виде цилиндрической втулки с осью, установленной перпендикулярно продольной оси металлического экрана, а каждый открытый дисковый диэлектрический резонатор закреплен, например, клеем к торцу цилиндрической втулки (см. Состояние и перспективы применения миниатюрных диэлектрических резонаторов в радиоэлектронике. Часть II Пассивные и активные СВЧ-устройства с миниатюрными диэлектрическими резонаторами / Л.В.Алексейчик, И.И.Бродуленко, В.М.Геворкян, Ю.А.Казанцев, Л.А.Парышкуро - М.: Обзоры по электронной технике, Сер.I, 1982, вып.2 (865), 66 с., с.7, рис.5, рис.6).
Однако такие полосно-пропускающие фильтры при относительно высокой эффективной собственной добротности резонансных звеньев и, соответственно, избирательности, а кроме того, при хорошем теплоотводе от резонаторов при применении диэлектрических втулок из материала с высокой теплопроводностью обладают близким частотным положением паразитных полос пропускания, определяемым относительно высокой диэлектрической проницаемостью втулок с высокой теплопроводностью.
Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение электрических характеристик полосно-пропускающего фильтра путем обеспечения хорошего теплоотвода от открытых дисковых диэлектрических резонаторов при сохранении высокой эффективной собственной добротности резонансных звеньев фильтра и удалении паразитных полос пропускания от функциональной полосы фильтра.
p
p
1
p
1
p
p
2
1
2
1
в
3
1
3
3
1
2
p
Решение этой задачи достигается тем, что в известном полосно-пропускающем фильтре, содержащем полый металлический экран, запредельный в полосе частот пропускания полосно-пропускающего фильтра, на концах которого установлены присоединители, n открытых дисковых диэлектрических резонаторов с держателями, где целое число n≥1, установленные в полом металлическом экране, каждый открытый дисковый диэлектрический резонатор закреплен, например, клеем к первому торцу цилиндрической диэлектрической втулки, и плоские поверхности открытых дисковых диэлектрических резонаторов расположены параллельно продольной оси металлического экрана, держатель каждого открытого дискового диэлектрического резонатора выполнен в виде первого металлического цилиндрического стержня с диаметром D, равным (0,8-0,95)D, где D - диаметр открытых дисковых диэлектрических резонаторов, и с плоскими торцевыми поверхностями, перпендикулярными продольной оси первого металлического цилиндрического стержня, одна из которых - первая - присоединена к внутренней стенке полого металлического экрана, а на противоположной - второй - торцевой поверхности аксиально установлен второй металлический цилиндрический стержень с плоскими торцевыми поверхностями, перпендикулярными продольной оси второго металлического цилиндрического стержня, с диаметром d, равным (0,2-0,35)D, и с высотой h, равной (0,9-1,5)H, где H - толщина открытого дискового диэлектрического резонатора, на торце второго металлического цилиндрического стержня аксиально ему установлен третий металлический цилиндрический стержень с диаметром d, равным (0,5-0,6)d, и с высотой h, равной (0,3-0,4)h, первый и второй металлические цилиндрические стержни размещены в цилиндрической диэлектрической втулке с внешним диаметром D, равным диаметру D первого металлического цилиндрического стержня, и внутренним диаметром d=(1,0-1,1)d, причем высота h диэлектрической цилиндрической втулки выбрана из условия h=h+h+kD, где безразмерный коэффициент k лежит в пределах от 0,04 до 0,06, причем вторая из торцевых поверхностей цилиндрической диэлектрической втулки соединена, например, клеем с второй торцевой поверхностью первого металлического цилиндрического стержня.
Кроме того, в полосно-пропускающем фильтре торцевая поверхность третьего металлического цилиндрического стержня, обращенная к центру полого металлического экрана, выполнена в форме конуса с углом α у вершины в пределах от 90° до 150°.
Кроме того, в полосно-пропускающем фильтре диэлектрические цилиндрические втулки выполнены из оксида бериллия ВеО.
Кроме того, в полосно-пропускающем фильтре диэлектрические цилиндрические втулки выполнены из нитрида бора NB.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез полосно-пропускающего фильтра, на фиг.2 показан фрагмент этого фильтра в изометрии, на фиг.3 - продольный разрез части фильтра, у которого торцевая поверхность третьего металлического цилиндрического стержня, обращенная к центру полого металлического экрана, выполнена в форме конуса с углом α у вершины в пределах от 90° до 150°, на фиг.4 показана частотная характеристика семизвенного фильтра, созданного с применением заявленного технического решения.
p
p
1
p
1
p
р
2
1
2
1
в
3
1
3
3
1
2
p
Полосно-пропускающий фильтр содержит полый металлический экран 1, запредельный в полосе частот пропускания полосно-пропускающего фильтра, на концах которого установлены присоединители 2 к трактам подводящих линий, n открытых дисковых диэлектрических резонаторов 3, где целое число n≥1, установленные в полом металлическом экране 1, каждый открытый дисковый диэлектрический резонатор 3 закреплен, например, клеем к первому торцу 4 цилиндрической диэлектрической втулки 5, и плоские поверхности открытых дисковых диэлектрических резонаторов 3 расположены параллельно продольной оси металлического экрана 1, держатель 6 каждого открытого дискового диэлектрического резонатора 3 выполнен в виде первого металлического цилиндрического стержня 7 с диаметром D, равным (0,8-0,95)D, где D - диаметр открытых дисковых диэлектрических резонаторов 3, и с плоскими торцевыми поверхностями 8 и 9, перпендикулярными продольной оси первого металлического цилиндрического стержня 7, одна из которых 8 - первая - присоединена к внутренней стенке 10 полого металлического экрана 1, а на противоположной - второй - торцевой поверхности 9 аксиально установлен второй металлический цилиндрический стержень 11 с плоскими торцевыми поверхностями 12 и 13, перпендикулярными продольной оси второго металлического цилиндрического стержня 11, с диаметром d, равным (0,2-0,35)D, и с высотой h, равной (0,9-1,5)H, где Н - толщина открытого дискового диэлектрического резонатора 3, на торце 13 второго металлического цилиндрического стержня 11 аксиально ему установлен третий металлический цилиндрический стержень 14 с диаметром d, равным (0,5-0,6)d, и с высотой h, равной (0,3-0,4)h, второй и третий металлические цилиндрические стержни 11 и 14 размещены в цилиндрической диэлектрической втулке 5 с внешним диаметром D, равным диаметру D первого металлического цилиндрического стержня 7, и внутренним диаметром, выбранным равным d=(1,0-1,1)d, причем высота h диэлектрической цилиндрической втулки 5 определяется соотношением h=h+h+kD, где безразмерный коэффициент k лежит в пределах от 0,04 до 0,06, причем вторая из торцевых поверхностей 15 цилиндрической диэлектрической втулки 5 присоединена, например, клеем к второй торцевой поверхности 9 первого металлического цилиндрического стержня 7.
Полосно-пропускающий фильтр работает следующим образом.
После подключения присоединителей 2 в цепь с распространяющейся СВЧ-волной крайние открытые дисковые диэлектрические резонаторы 3 обеспечивают ввод и вывод энергии в системе фильтр - линия передачи. Полый металлический экран 1, запредельный в рабочей полосе частот фильтра, исключает внеполосную передачу энергии между входом и выходом и обеспечивает электромагнитную связь открытых дисковых диэлектрических резонаторов 3 между собой.
1
p
1
2
1
2
1
в
3
1
3
3
1
2
p
Выполнение держателей 6 каждого открытого дискового диэлектрического резонатора 3 в виде первого металлического цилиндрического стержня 7 с диаметром D, равным (0,8-0,95) диаметра открытых дисковых диэлектрических резонаторов 3, и с плоскими торцевыми поверхностями 8 и 9, перпендикулярными продольной оси первого металлического цилиндрического стержня 7, когда одна из поверхностей 8 - первая - присоединена к внутренней стенке 10 полого металлического экрана 1, а на противоположной - второй - торцевой поверхности 9 аксиально установлен второй металлический цилиндрический стержень 11 с плоскими торцевыми поверхностями 12 и 13, перпендикулярными продольной оси второго металлического цилиндрического стержня 11, с диаметром d, равным (0,2-0,35)D, и с высотой h, равной (0,9-1,5) толщины открытого дискового диэлектрического резонатора 3, а на торце 13 второго металлического цилиндрического стержня 11 аксиально ему установлен третий металлический цилиндрический стержень 14 с диаметром d, равным (0,5-0,6)d, и с высотой h, равной (0,3-0,4)h, причем второй и третий металлические цилиндрические стержни 11 и 14 размещены в цилиндрической диэлектрической втулке 5 с внешним диаметром D, равным диаметру D первого металлического цилиндрического стержня 7, и внутренним диаметром d=(1,0-1,1)d, а высота h диэлектрической цилиндрической втулки 5 определяется соотношением h=h+h+kD, где безразмерный коэффициент k лежит в пределах от 0,04 до 0,06, причем вторая из торцевых поверхностей 15 цилиндрической диэлектрической втулки 5 присоединена, например, клеем к второй торцевой поверхности 9 первого металлического цилиндрического стержня 7, обеспечивает необходимый теплоотвод от резонаторов 3 на стенки экрана 1 при сохранении высокой (примерно равной 80% от величины собственной добротности открытого дискового диэлектрического резонатора 3) эффективной собственной добротности резонансного звена и фильтра в целом. Это позволяет применять предложенный полосно-пропускающий фильтр на диэлектрических резонаторах, планарно размещенных в полости запредельного экрана в трактах высокого (до 80 Вт) уровня мощности.
Число n открытых дисковых диэлектрических резонаторов 3 определяет число резонансных звеньев фильтра, формирующих его частотную характеристику. Сверху число n ограничено допустимым значением ослабления полезного сигнала в полосе пропускания фильтра. Обычно число резонансных звеньев фильтров на диэлектрических резонаторах не превышает 11, т.е. лежит в пределах от 1 до 11.
Экспериментально установлено, что лучшими параметрами обладают фильтры, у которых торцевая поверхность третьего металлического цилиндрического стержня 14, обращенная к центру полого металлического экрана, выполнена в форме конуса с углом α у вершины в пределах от 90° до 150°. Причем выбор угла α определяется выбранным значением коэффициента k в указанных пределах (от 0,04 до 0,06) и типом диэлектрика цилиндрической диэлектрической втулки 5.
Эксперимент показал, что предложенное выполнение держателя 6 открытого дискового диэлектрического резонатора 3 позволяет достичь высокого теплоотвода мощности, рассеиваемой в нем с применением диэлектрических материалов диэлектрической цилиндрической втулки 5, обладающих высокой теплопроводностью, например оксида бериллия ВеО или нитрида бора NB, мало отличающейся от теплопроводности металлов. Причем именно установленное и заявленное соотношение геометрических размеров первого металлического цилиндрического стержня 7, второго металлического цилиндрического стержня 11, третьего металлического цилиндрического стержня 14 и цилиндрической диэлектрической втулки 5 позволяет одновременно с увеличением допустимой рабочей мощности в тракте достичь более широких полос заграждения полосно-пропускающего фильтра за счет отстройки паразитных полос пропускания резонансных звеньев, формируемых открытыми дисковыми диэлектрическими резонаторами 3 и их держателями 6. Кроме того, увеличение допустимого уровня мощности в тракте, определяемое, наряду с теплоотводящими свойствами держателя 6 открытого дискового диэлектрического резонатора 3, также и уровнем мощности, рассеиваемой в резонаторе 3, достигается еще и тем, что предложенное техническое решение держателя 6, обеспечивая более высокую эффективную собственную добротность резонансного звена фильтра, уменьшает сами величины мощности, рассеиваемые в резонансных звеньях, т.е. в открытых дисковых диэлектрических резонаторах 3.
Из сравнения амплитудно-частотных характеристик двух полосно-пропускающих фильтров, созданных по техническому решению прототипа (а) и по данному предложению (б), видно, что в области частот вблизи полосы пропускания кривая (а) существенно уступает затуханию, представленному кривой (б).
Использование изобретения позволило создать в диапазоне частот 10-15 ГГц семизвенные полосно-пропускающие фильтры с открытыми дисковыми диэлектрическими резонаторами (полоса пропускания ~1,5%, потери в полосе не хуже 0,7 дБ), предназначенные для работы в трактах с уровнем мощности до 80 Вт.