ПОЛОСНО-ЗАГРАЖДАЮЩИЙ ФИЛЬТР
BAND-STOP FILTER

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к технике СВЧ и предназначено для создания полосно-заграждающих фильтров повышенной мощности на основе диэлектрических резонаторов (ДР) преимущественно в дециметровом диапазоне длин волн. Техническими результатами являются уменьшение электрической длины, повышение избирательности и улучшение стабильности электрических характеристик фильтра повышенной мощности при воздействии дестабилизирующих факторов.
Полосно-заграждающий фильтр содержит линию передачи 1, ограниченную с обоих концов переходами 2, служащими для подсоединения к тракту, n-дисковых диэлектрических резонаторов (ДР) 3, установленных на основной и дополнительно введенной цилиндрических диэлектрических подставках 4, 5, скрепленных, например, клеем по соприкасающимся торцевым поверхностям с дисковыми ДР 3, каждый из которых установлен осесимметрично в полости цилиндрической металлической секции 6, ограниченной с одной стороны пластиной основания 7, в которой выполнен кольцевой выступ 8, служащий для установки диэлектрической подставки 4, при креплении ее, например, клеем к пластине основания 7, а с другой стороны ограниченной металлической крышкой 9, снабженной кольцевым выступом 10 и пружинной шайбой 11, служащими для механического крепления дополнительной диэлектрической подставки 5, дискового ДР 3 и диэлектрической подставки 4, в полости цилиндрической металлической секции 6, в дополнительной диэлектрической подставке 5 выполнено центральное отверстие 12, в котором установлен винт частотной настройки 13, закрепленный одним концом на металлической крышке 9 с возможностью осевого перемещения в центральном отверстии 12, а линия передачи 1, выполненная, например, в виде коаксиальной линии 14, снабжена проводниками шлейфов 15, подключенными к внутреннему проводнику 16 линии передачи 1 через расстояния в одну четверть длины волны, и размещенными поочередно в противоположных направлениях относительно линии передачи 1, при этом каждый из проводников шлейфов 15 через проходное отверстие 17, выполненное во внешнем проводнике 14 линии передачи 1 и в стенке 18 цилиндрической секции 6, продлен внутрь полости цилиндрической секции 6 в виде петли связи 19, конец которой закреплен, например, пайкой на внутренней стенке цилиндрической секции 6, каждая петля связи выполнена из проводника в форме "бабочки", обращенного вогнутой стороной к цилиндрической поверхности дискового ДР, так что длина проводника вогнутой стороны выбрана в пределах 0,25-0,3 диаметра дискового ДР, а резонансные частоты дисковых ДР 3, установленных осесимметрично в цилиндрических металлических секциях 6, выбраны разными в полосе частот заграждения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлен вид полосно-заграждающего фильтра, на Фиг. 2 показан вид коаксиальной линии с подключенными к ее внутреннему проводнику шлейфами и приведена эквивалентная схема замещения полосно-заграждающего фильтра, на которой включение каждого резонансного контура (звена с ДР) в коаксиальную линию представлено через идеальный трансформатор. На Фиг. 3 показаны поперечный разрез цилиндрической металлической секции с дисковым ДР и основной и дополнительной диэлектрическими подставками, металлическая крышка с кольцевым выступом и винтом частотной перестройки, закрепленным на металлической крышке (вид Α-A), а также цилиндрическая секция со снятой металлической крышкой (вид В-В).
Изобретение относится к технике СВЧ, включая средства связи и навигации, и предназначено для создания полосно-заграждающих фильтров повышенной мощности на диэлектрических резонаторах преимущественно в дециметровом диапазоне длин волн,
Известны конструкции полосно-заграждающих фильтров, предназначенные для фильтрации СВЧ сигналов волноводных трактов, в частности для подавления сигналов нежелательных частот. Известна конструкция волноводного полосно-заграждающего фильтра, содержащего n-секций, где n - число резонансных звеньев, установленных вдоль волновода на расстоянии ¾λ, где λ - длина волны фильтра, каждое из которых выполнено в виде прямоугольного металлического экрана, установленного на стенке волновода, в которой выполнено отверстие, в котором адаптивно смонтирован диэлектрический резонатор (ДР), при этом большая часть ДР находится вне волновода, а оставшаяся часть ДР выступает внутрь волновода. Благодаря указанному соотношению частей ДР внутри и вне волновода достигается требуемая величина параметра связи ДР с волноводом (см. Патент США №4124830, НКИ 333-73W, заявл. 27.09.77, опубл. 07.11.78 / Ren С-L. Wavequide filter, employing dielectric resonators, а также Диэлектрические резонаторы. / Под ред. Профессора М.Е. Ильченко. - М.: Радио и связь, 1989, с. 228, рис. 10.3г).
"Выполнение расстояния между вводимыми в линию передачи резонаторами должно быть кратно нечетному числу четвертей длины волны λ в линии передачи и обычно равно 3λ/4. Размещать диэлектрические резонаторы в одну четверть длины волны не целесообразно, так как при этом происходит взаимодействие их внешних местных полей 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" /см. Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах. Ю.М. Безбородов, Т.Н. Нарытник, В.Б. Федоров. - К.: Техника, 1989, с. 136. Поэтому для уменьшения взаимного влияния ДР по местным волнам в известных конструкциях ПЗФ на диэлектрических резонаторах последние располагаются на расстояниях 3λ/4 между резонаторами, что ведет к существенному увеличению электрической длины полосно-заграждающего фильтра. Для дециметрового диапазона длин волн такой фильтр имеет неприемлемо большое значение электрической длины. К недостатку известного технического решения следует также отнести вносимое в волновод существенное возмущение, обусловленное отверстием связи, что приводит к ухудшению частотных характеристик избирательности полосно-заграждающего фильтра. Уменьшение эффективной добротности ДР обусловлено непосредственной близостью металлических стенок отверстия, в котором установлен образец ДР, что приводит к снижению электрической прочности в области отверстия с образцом ДР, т.е. ограничивает уровень допустимой мощности фильтра.
Известна конструкция полосно-заграждающего фильтра, реализованного с помощью коаксиальных резонаторов (КР), служащая для фильтрации сигналов в базовых станциях мобильных сетей связи. КР и канал располагаются параллельно и имеют электромагнитную связь друг с другом. Собственные частоты каждого КР отличаются друг от друга. Резонаторы (R1, R2, R3) имеют один проводящий корпус, внутреннее пространство которого разделено на полости посредством проводящих перегородок. Центральный проводник предающего канала расположен внутри резонатора так, что он проходит через все полости резонаторов. Корпус функционирует как внешний проводник канала передачи. Когда электромагнитное поле такой же частоты, что и собственные частоты резонаторов, возникает в канале передачи, резонатор в ответ начинает резонировать, что приводит к обратному отражению электромагнитного поля. Интенсивность и ширина резонанса в диапазоне устанавливаются посредством подбора расстояния между внутренним проводником резонатора и центральным проводником передающего канала /см. Патент US WO 2005109565 A1, заявлен 29.04.2005. Полосно-заградительный фильтр, Puoskari J., Ala-Kojola Y., a также Изобретения стран мира, РЖ, тем. Выпуск 106. Волноводы, резонаторы, антенны/. Однако собственная добротность КР-коаксиального резонатора существенно (более чем на порядок величин) уступает аналогичному значению для диэлектрического резонатора (ДР) одного и того же диапазона частот, поэтому фильтр на КР значительно уступает по избирательности фильтру на ДР и имеет относительно большие габариты (так как только собственная электрическая длина КР составляет примерно λ/4). Кроме того, снижается электрическая прочность КР (в области холостого хода (XX) конца внутреннего проводника КР), что ограничивает уровень допустимой мощности известного фильтра.
Известна конструкция полосно-заграждающего фильтра, содержащего металлический экран, в котором выполнены коаксиальная линия, ограниченная переходами, служащими для подсоединения к тракту, и n-полых металлических секций, разделенных металлическими перегородками, в каждой из которых установлен дисковый диэлектрический резонатор, закрепленный на диэлектрической подставке так, что дисковый ДР непосредственно электромагнитным полем связан с внутренним проводником коаксиальной линии, а электрическое расстояние между соседними дисковыми ДР составляет ¾λ, где λ - длина волны фильтра (см. Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах. Ю.М. Безбородов, Т.Н. Нарытник, В.Б. Федоров. - К.: Техника, 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 эффективной 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 полосно-заграждающий фильтр 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 ¾ 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.
2
9
20
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является полосно-заграждающий фильтр, содержащий экранированную линию передачи, ограниченную переходами для подключения к тракту, в экране которой выполнены полые цилиндрические секции, снабженные винтами частотной перестройки, выполненные с возможностью осевого перемещения, n-дисковых диэлектрических резонаторов, каждый из которых установлен осесимметрично в полости цилиндрической секции на цилиндрической диэлектрической подставке и закреплен по соприкасающимся торцевым поверхностям с диэлектрической подставкой, так что каждый диэлектрический резонатор электромагнитно непосредственно связан с внутренним полосковым проводником линии передачи, который имеет локальное уширение проводника полоска в области размещения диэлектрического резонатора, а электрическое расстояние между соседними полыми цилиндрическими секциями, содержащими диэлектрические резонаторы, выбрано равным ¾λ, где λ - длина волны фильтра (см. 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, рис. 2). Однако такой фильтр имеет неприемлемо большое значение электрической длины для дециметрового диапазона длин волн и снижение эффективной добротности диэлектрических резонаторов, установленных в полых цилиндрических секциях в непосредственной близости к внутреннему проводнику линии передачи, что приводит к снижению избирательности фильтра и ухудшению стабильности его электрических характеристик. Наличие зазора между цилиндрической секцией, выполненной в металлическом экране, и внутренним проводником ухудшает электрическую прочность и уменьшает величину допустимой мощности фильтра. Вследствие уменьшения значений собственной добротности диэлектрического резонатора и его размещения в непосредственной близи полоскового проводника снижаются избирательность и уровень допустимой непрерывной мощности фильтра.
п
p
п
р
Технической задачей предлагаемого изобретения является уменьшение электрической длины, повышение избирательности и улучшение стабильности электрических характеристик полосно-заграждающего фильтра повышенной мощности. Решение этой задачи достигается тем, что в известном полосно-заграждающим фильтре, содержащем экранированную линию передачи, ограниченную на концах переходами, служащими для подключения к тракту, в экране которой выполнены полые цилиндрические секции, в которых установлены n-дисковых диэлектрических резонаторов, каждый из которых установлен осесимметрично на цилиндрической диэлектрической подставке и закреплен с ней по соприкасающимся торцевым поверхностям и снабжен винтом частотной настройки, закрепленным на металлической стенке экрана с возможностью осевого перемещения, полые цилиндрические металлические секции установлены вне экрана линии передачи и размещены поочередно с противоположных сторон относительно линии передачи через расстояние в одну четверть длины волны, при этом каждая цилиндрическая металлическая секция ограничена с одной стороны пластиной основания, в которой выполнен кольцевой выступ, служащий для крепления диэлектрической подставки, например клеем, к пластине основания, а с другой стороны металлической крышкой, снабженной дополнительной диэлектрической подставкой, закрепленной с одной стороны с дисковым диэлектрическим резонатором по их торцевым поверхностям и с другой стороны кольцевым выступом, выполненным на внутренней поверхности металлической крышки и снабженным пружинящей шайбой, контактирующей с металлической крышкой, в дополнительной диэлектрической подставке выполнено центральное отверстие, служащее для введения и осевого перемещения винта частотной настройки, одним концом закрепленного на металлической крышке цилиндрической секции, а экранированная линия передачи, выполненная в виде коаксиальной линии, снабжена проводниками шлейфов, подключенными к ее внутреннему проводнику через расстояние в одну четверть волны (λ/4), при этом 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 которой закреплен, например, пайкой на внутренней стенке цилиндрической секции. Кроме того, в полосно-заграждающем фильтре при выполнении равными диаметров дискового диэлектрического резонатора и цилиндрических диэлектрических основной и дополнительной подставок соотношение их толщин выбрано в пределах , где ε<<ε - относительные диэлектрические проницаемости, а Н, Н - толщины подставок и дискового диэлектрического резонатора соответственно, n-дисковых диэлектрических резонаторов настроены на разные резонансные частоты в полосе частот заграждения, а все металлические части конструкции фильтра выполнены из термостабильных сплавов, например инвара. Дополнительно, в полосно-заграждающем фильтре каждая петля связи выполнена из проводника в форме "хвоста бабочки", обращенного вогнутой стороной к цилиндрической поверхности дискового диэлектрического резонатора, а длина проводника вогнутой стороны выбрана в пределах 0,25-0,3 диаметра дискового диэлектрического резонатора.
Полосно-заграждающий фильтр работает следующим образом.
При подключении переходов фильтра к тракту обеспечивается распространение электромагнитной энергии в рабочей полосе частот тракта при исключении распространения энергии на заданных частотах полосы заграждения фильтра за счет резонансного возбуждения дисковых диэлектрических резонаторов в звеньях полосно-заграждающего фильтра с одно четверть-волновыми связями.
п
р
п
р
Благодаря тому, что полые цилиндрические секции установлены вне экранированной линии передачи и размещены поочередно с противоположных сторон относительно линии передачи через расстояние в одну четверть длины волны, достигнуто уменьшение более чем вдвое электрической длины предложенного фильтра по сравнению с известными фильтрами. За счет введения дополнительной диэлектрической подставки образована трехслойная резонансная структура, состоящая из двух диэлектрических подставок и дискового диэлектрического резонатора, в которой достигается более равномерное распределение интенсивности электромагнитного поля вдоль оси симметрии резонансной структуры. Экспериментально подтверждено, что при равных диаметрах дискового диэлектрического резонатора и цилиндрических диэлектрических основной и дополнительной подставок лучшая равномерность интенсивности электромагнитного поля достигается при выполнении условия , где ε<<ε - относительные диэлектрические проницаемости, а Н, Н - толщины основной, дополнительной подставок и диэлектрического резонатора соответственно. Благодаря полученному равномерному распределению интенсивности электромагнитного поля достигается снижение градиента температур в диэлектрических материалах трехслойной резонансной структуры и, следовательно, повышается температурная стабильность частотных характеристик фильтра повышенной мощности. При этом достигается возможность более широкого выбора пределов расстояния между винтом частотной настройки и торцом дискового диэлектрического резонатора, а также между проводником петли связи и дисковым диэлектрическим резонатором, что обеспечивает снижение возможности электрического пробоя при сохранении высокой собственной добротности резонатора. Выполнение условия по выбору размеров дискового диэлектрического резонатора, основной и дополнительной диэлектрических подставок увеличило «емкостной нерезонансный» вклад (см. 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., с. 30 и рис. 8), компенсирующий нежелательный «индуктивный вклад», вносимый петлей связи в искажение частотной характеристики дискового диэлектрического резонатора, что обеспечило увеличение крутизны скатов частотной характеристики полосно-заграждающего фильтра и увеличение развязки с полосой частот пропускания, в которой достигался минимальный уровень вносимых потерь, и следовательно, обеспечивалось улучшение избирательности при повышенном уровне мощности в полосе пропускания фильтра.
Кроме того, за счет выбора резонансных частот дисковых диэлектрических резонаторов разными в полосе заграждения достигается уменьшение нежелательного явления "пересвязи" между соседними звеньями фильтра при одно четверть-волновой связи его звеньев (см. Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах. Ю.М. Безбородов, Т.Н. Нарытник, В.Б. Федоров. - К.: Техника, 1989, с. 136.) Следовательно, в заявленном полосно-заграждающем фильтре достигнуто уменьшение электрической длины полосно-заграждающего фильтра более чем вдвое без ухудшения его частотных характеристик в сравнении с известными фильтрами.
За счет выполнения проводника петли связи в форме "хвоста бабочки", обращенного вогнутой стороной к цилиндрической поверхности дискового диэлектрического резонатора, так что длина проводника вогнутой стороны выбрана в пределах 0,25-0,35 диаметра дискового диэлектрического резонатора, достигается возможность увеличения зазора между цилиндрической поверхностью дискового диэлектрического резонатора и проводником вогнутой стороны петли связи, что обеспечило уменьшение опасности электрического пробоя в зазоре при сохранении высокой добротности диэлектрического резонатора, т.е. достигнуто обеспечение повышенного уровня мощности полосно-заграждающего фильтра.
-8
-6
Сочетание повышенной стабильности размеров конструкции полосно-заграждающего фильтра, металлические части которой выполнены из термостабильных сплавов, например инвара, с обеспечением термокомпенсации за счет вычитания нерезонансных "емкостного" вклада дискового диэлектрического резонатора и цилиндрических диэлектрических подставок и "индуктивного" вклада петли связи достигнуто улучшение термостабильности заявленного полосно-заграждающего фильтра более чем на порядок величин (2×10 на 1°С) по сравнению с термостабильностью известного фильтра (1×10 на 1°С).
-8
Использование изобретения позволило создать в дециметровом диапазоне частот многозвенные (3-5 звеньев) полосно-заграждающие фильтры дециметрового диапазона малой электрической длины на дисковых диэлектрических резонаторах с улучшенными характеристиками избирательности, повышенной стабильностью параметров (полоса частот заграждения ~ 0,02-0,05%, развязка от 20 до 60 дБ; потери в полосе пропускания ~1% менее 0,3 дБ, относительная стабильность частотных характеристик фильтра на уровне 2×10 на 1°С при уровне непрерывной мощности ~200 Вт).
21
11
21
-8
На Фиг. 4.a и 4.б приведены примеры частотных характеристик (модуля коэффициентов матрицы рассеяния S и S, фазы S, КСВН и ГВЗ) трехзвенных полосно-заграждающих фильтров повышенной мощности дециметрового диапазона длин волн, созданных согласно изобретению, в диапазоне температур от 20°С до 60°С, подтверждающие высокую относительную температурную стабильность (2×10 1/С°) частотных характеристик предложенного полосно-заграждающего фильтра. Эксплуатационные характеристики предложенного полосно-заграждающего фильтра удовлетворяли жестким требованиям, предъявляемым к СВЧ изделиям телекоммуникационных и навигационных систем, включая спутниковые системы.
Литература
2
9
20
1. Microwave dielectric resonator filters utilizing Ва 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.: Техника, 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.В., Torgow E.N. Investigation of microwave dielectric-resonator filters. - Rantec Dir. Emerson Electric Co. Calif., Rept 8 (Final).
10. Патент WO 2005109565 A1. Полосно-заградительный фильтр. / Puoskari J., Ala-Kojola J., заявл. 29.04.2005.
11. Патент US 6682252 BA. Многослойный СВЧ резонатор. Cros D., Tobar М.Е., 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.