ФИЛЬТР СВЧ
MICROWAVE FREQUENCY FILTER

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к фильтрам СВЧ волноводного типа, в том числе полосно-пропускающим.
В миллиметровом диапазоне длин волн используют в основном волноводные конструкции фильтров СВЧ, в которых в отличие от фильтров СВЧ в гибридно-интегральном исполнении отсутствуют потери на излучение и снижены потери в диэлектрических материалах, поскольку наличие этих материалов в волноводных конструкциях не является основополагающим.
Известен полосно-пропускающий фильтр СВЧ, содержащий отрезок прямоугольного волновода и резонаторы, в котором с целью повышения добротности и, следовательно, уменьшения потерь внутри отрезка прямоугольного волновода параллельно его широким стенкам установлена диэлектрическая пластина, а резонаторы выполнены в виде металлических полосок, которые размещены на диэлектрической пластине [1].
Наличие диэлектрической пластины не позволяет в полной мере решить вопрос о снижении потерь на СВЧ в данном фильтре.
Известен полосно-пропускающий фильтр СВЧ, содержащий N секций резонансных звеньев, выполненных в виде полых металлических цилиндров с резьбами на концах, которые соединены между собой контргайками [2]. При этом они образуют внешний цилиндрический экран. Фильтр СВЧ содержит также (N-2) открытых дисковых диэлектрических резонаторов, каждый из которых расположен в держателе, выполненном в виде диэлектрической подставки, и установлен в одном из полых металлических цилиндров. Оконечные секции экрана выполнены с металлическими торцевыми стенками, в каждой из оконечных секций экрана расположен элемент связи, например петлевой. К одному из концов элемента связи присоединен центральный проводник коаксиального разъема.
Выполнение данной конструкции фильтра СВЧ многосекционной позволило увеличить крутизну фронтов амплитудно-частотной характеристики и несколько уменьшить потери на СВЧ.
Кроме того, в данном фильтре СВЧ по сравнению с первым аналогом несколько снижен объем диэлектрических материалов - диэлектрические резонаторы и держатели в виде диэлектрической подставки.
Однако это не позволяет, как и в первом аналоге, существенно снизить потери на СВЧ.
Известен полосно-пропускающий фильтр, который содержит:
- два отрезка металлической волноводной линии на входе и выходе одинакового внутреннего сечения, которые снабжены фланцами и соединены с ними каждый соответственно,
- N одинаковых отрезков волноводной линии того же внутреннего поперечного сечения, что и отрезки металлической волноводной линии, длиной каждый, равной четверти длины волны, которые расположены каскадно друг за другом и между упомянутыми двумя отрезками металлической волноводной линии,
- (N+1) одинаковых диафрагм, в каждой из которых выполнено резонансное окно с размерами, меньшими размеров внутреннего поперечного сечения отрезка волноводной линии, и которые расположены каждая между двумя соответствующими отрезками волноводной линии, при этом упомянутые элементы соединены между собой механически [3].
При этом элементы фильтра, а именно два отрезка металлической волноводной линии, N одинаковые отрезки металлической волноводной линии, (N+1) одинаковые диафрагмы выполнены из меди.
Отсутствие в данном фильтре СВЧ диэлектрических материалов позволило по сравнению с аналогами существенно снизить потери на СВЧ.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение потерь на СВЧ, вплоть до полного их исключения.
Указанный технический результат достигается предложенным фильтром СВЧ, содержащим два отрезка металлической волноводной линии на входе и выходе одинакового внутреннего поперечного сечения, которые снабжены фланцами и соединены с ними каждый соответственно, N одинаковых отрезков волноводной линии того же внутреннего поперечного сечения, что и отрезки металлической волноводной линии, длиной каждый, равной четверти длины волны, которые расположены каскадно друг за другом и между упомянутыми двумя отрезками металлической волноводной линии, (N+1) одинаковых диафрагм, в каждой из которых выполнено резонансное окно с размерами меньшими размеров внутреннего поперечного сечения отрезка волноводной линии, и которые расположены каждая между двумя соответствующими отрезками волноводной линии, при этом упомянутые элементы соединены между собой механически, в котором одинаковые отрезки волноводной линии и одинаковые диафрагмы выполнены из высокотемпературного сверхпроводящего материала либо одного, либо различного типа, при этом каждый из одинаковых отрезков волноводной линии выполнен с толщиной стенки, равной 1-3 миллиметра (далее мм).
Каждый из одинаковых отрезков волноводной линии выполнен в виде двух половинок из высокотемпературного сверхпроводящего материала иттриевой системы горячим прессованием.
Каждая из одинаковых диафрагм выполнена сборной, по меньшей мере, из четырех прямоугольных пластин монокристалла высокотемпературного сверхпроводящего материала висмутовой системы, при этом каждая из четырех пластин выполнена посредством скола упомянутого монокристалла ультразвуком в жидкой среде.
В случае выполнения внутреннего поперечного сечения каждого из одинаковых отрезков волноводной линии прямоугольного сечения, ширина и высота соответственно каждого резонансного окна диафрагмы связаны с относительной шириной полосы пропускания фильтра выражением:
п
2
0,5
W=2{(A-1)(a/b)tg(0,5πa1/a)/ln[sin(0,5πb1/b)]}, где
W - относительная ширина полосы пропускания фильтра СВЧ,
п
-п
п
А - модуль коэффициента передачи в полосе пропускания (f, f),
а и b - широкая и узкая стороны прямоугольного внутреннего поперечного сечения стенки отрезка волноводной линии соответственно,
а1 и b1 - ширина и высота резонансного окна соответственно.
Как известно высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) материалы, как правило - сложного состава в виде керамики, пленок, монокристаллов и так далее, обладают свойством значительно изменять поверхностное сопротивление в сторону его снижения при низких температурах - до температуры кипения жидкого азота (77 К) и менее.
В силу этого выполнение отрезков волноводной линии и диафрагм из высокотемпературного сверхпроводящего материала обеспечивает:
во-первых, снижение потерь при распространении тока вдоль отрезков волноводной линии,
во-вторых, снижение потерь при распространении тока вдоль диафрагм.
И первое, и второе позволит тем самым значительно снизить потери на СВЧ.
Выполнение каждого из одинаковых отрезков волноводной линии указанной толщины (1-3) мм, что существенно превышает толщину области скин-эффекта в широком интервале рабочих частот, и что тем самым обеспечивает малые потери на СВЧ.
Выполнение каждого из одинаковых отрезков волноводной линии толщиной менее 1 мм недопустимо, поскольку указанный скин-эффект будет распространяться за пределы отрезков волноводной линии, а более 3 мм не желательно, так как наблюдается неравномерность перехода исходного материала в высокотемпературное сверхпроводящее состояние при температуре кипения жидкого азота (77 К).
Экспериментально установлено, что наибольшие результаты с точки зрения поставленного технического результата - снижение потерь на СВЧ - имеют высокотемпературные сверхпроводящие материалы иттриевой (YBaCuO) и висмутовой (BiSrCaCuO) систем. При этом следует отметить, что на сегодня иттриевые материалы изготавливаются преимущественно в виде керамики, спекаемой из мелкодисперсной шихты, а висмутовые материалы выращиваются в виде монокристаллов.
Указанный в формуле изобретения вариант выполнения каждого из одинаковых отрезков волноводной линии, как и вариант выполнения каждой из одинаковых диафрагм, является на сегодня наиболее технологичным.
Следует особо отметить, что получение диафрагм для волноводных фильтров СВЧ из высокотемпературного сверхпроводящего материала, толщина которых по определению очень мала, порядка 100 мкм, является очень сложной задачей.
И поэтому предложен вариант выполнения каждой из одинаковых диафрагм, а именно сборной, по меньшей мере, из четырех прямоугольных пластин монокристалла высокотемпературного сверхпроводящего материала висмутовой системы посредством его скола на тонкие пластины.
И поскольку этот скол в силу монокристалличности упомянутого материала происходит по граням его кристаллической решетки, обеспечивает диафрагмам:
во-первых, высокую степень чистоты, и,
во-вторых, высокую степень точности, не требующую дополнительной прецизионной обработки.
Что является на сегодня не только наиболее технологичным, но и наиболее практически применимым.
Таким образом, комплексный подход в предложенной конструкции фильтра СВЧ, а именно, выполнение, как каждого из одинаковых отрезков волноводной линии, так и каждой из одинаковых диафрагм из высокотемпературного сверхпроводящего материала, и в силу того, как было указано, что этот материал при температуре кипения жидкого азота имеет поверхностное сопротивление на порядок ниже, чем поверхностное сопротивление меди, из которой выполнены аналогичные элементы фильтра СВЧ прототипа, позволит максимально использовать эти низкие поверхностные сопротивления и тем самым максимально снизить потери на СВЧ, вплоть до полного их исключения.
3
2
Более того высокотемпературные сверхпроводящие материалы обладают высокой удельной плотностью 5,8-8,1 г/см; в том числе на разрыв до 11-15 кГс/мм.
Рассмотрим вариант предложенного фильтра СВЧ, например, на отрезках волноводной линии прямоугольного внутреннего поперечного сечения.
Расчет таких фильтров основан на классическом подходе, в котором используют схему, содержащую четвертьволновые отрезки волноводной линии, индуктивные и емкостные элементы, служащие для реализации избирательности фильтров по частоте, то есть по существу для реализации фильтра СВЧ как такового.
Звено фильтра СВЧ состоит из отрезка волноводной линии с прямоугольным внутренним поперечным сечением с размерами широкой стороны стенки, равной a, и узкой - b, длиной l, равной четверти длины волны в отрезке волноводной линии, и двух одинаковых диафрагм, расположенных на концах отрезка волноводной линии соответственно. В каждой диафрагме выполнено окно шириной a1 и высотой b1, которое представляет собой резонансный элемент, описываемый эквивалентной схемой в виде параллельного соединения индуктивности L и емкости С.
Фильтр СВЧ характеризуется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) - зависимостью величины модуля коэффициента передачи А от частоты f.
-п
п
п
п
-п
0
Потери в полосе пропускания (f, f) обозначим через A, a относительную ширину полосы пропускания - через W=(f-f)/f, где
0
п
-п
f=(f+f)/2 - центральная частота полосы пропускания.
При построении модели звена фильтра СВЧ одинаковые диафрагмы считаются бесконечно тонкими, а омические потери в этих диафрагмах и отрезке волноводной линии отсутствуют.
Элементы матрицы передачи отрезка волноводной линии равны:
a11=a22=cos(θ),
a12=jsin(θ)/Yв,
а21=jYBsin(θ), где
θ=2πl/λв - электрическая длина отрезка волноводной линии,
l - длина отрезка волноводной линии
λв - длина волны в отрезке волноводной линии,
Yв - волновая проводимость отрезка волноводной линии,
0,5
j=(-1) - мнимая единица [4].
В отсутствие омических потерь в отрезке волноводной линии реактивная составляющая проводимости каждой из резонансной диафрагм равна
Y=wC-1/(wL), где
w=2πf - круговая частота.
Обычно отрезки металлической волноводной линии на входе и выходе фильтра СВЧ имеют размеры внутреннего поперечного сечения, равные аналогичным размерам отрезков волноводной линии, поэтому их волновая проводимость равна Yв.
В этом случае величина модуля коэффициента передачи звена фильтра СВЧ связана с электрической длиной и волновой проводимостью отрезка волноводной линии и проводимостью каждой из диафрагм соотношением
2
0,5
A=1/(1+Q/4), где
Q=(Y/Yв)[2cos(θ)-(Y/Yв)sin(θ)].
Величины индуктивности и емкости в зависимости от ширины и высоты резонансного окна определяются из выражений [4]
С=-4(Yв/w)(b/λв)ln[sin(0,5πb1/b)]
2
L=[1/(wYв)](a/λв)tg(0,5πa1/a),
а отношение (Y/Yв) с учетом этих формул равно
2
(Y/Yв)=-4(b/λв)ln[sin(0,5πb1/b)]-(λв/а)ctg(0,5πa1/a).
-п
п
п
Если величина модуля коэффициента передачи А в полосе пропускания (f, f) равна A, то из полученных формул получаем окончательную формулу, связывающую относительную ширину полосы пропускания звена фильтра СВЧ с шириной а1 и высотой b1 резонансного окна:
п
2
0,5
W=2{(A-1)(a/b)tg(0,5πa1/a)/ln[sin(0,5πb1/b)]}, где
W - относительная ширина полосы пропускания фильтра СВЧ,
п
-п
п
A - модуль коэффициента передачи в полосе пропускания (f, f),
а и b - широкая и узкая стороны прямоугольного внутреннего поперечного сечения стенки отрезка волноводной линии соответственно,
а1 и b1 - ширина и высота резонансного окна соответственно.
На основе этой модели звена фильтра были разработаны многозвенные фильтры СВЧ.
Результат расчета модуля коэффициента передачи - амплитудно-частотной характеристики для трех отрезков волноводной линии прямоугольного внутреннего поперечного сечения стенки
- с размерами широкой стороны упомянутого сечения стенки а, равной 7,2 мм, узкой - b, равной 3,6 мм,
- длиной каждого отрезка волноводной линии l, равной 3,25 мм, что соответствует четверти длины волны на центральной частоте f, равной 33 ГГц,
- шириной и высотой резонансного окна каждой из одинаковых диафрагм, равной 1,2 мм приведен на фиг.3 (кривая 4).
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дан общий вид предложенного фильтра СВЧ и его разрез, где
- два отрезка металлической волноводной линии на входе - 1 и выходе - 2,
- фланцы отрезков металлической волноводной линии на входе - 3 и выходе - 4,
- N одинаковые отрезки волноводной линии - 5,
- (N+1) одинаковые диафрагмы - 6, которые снабжены каждая
- резонансным окном - 7.
На фиг.2 дана эквивалентная схема фильтра СВЧ.
На фиг.3 даны:
- амплитудно-частотные характеристики образцов предложенного трехзвенного фильтра СВЧ (кривые 1-3), выполненные с толщиной стенки отрезка волноводной линии 2, 1 и 3 мм соответственно,
- расчетная амплитудно-частотная характеристика фильтра СВЧ (кривая 4),
- амплитудно-частотная характеристика фильтра СВЧ - прототипа (кривая 5).
Фильтр СВЧ работает следующим образом.
Отрезки металлической волноводной линии на входе 1 и выходе 2 фильтра СВЧ, посредством фланцев 3 и 4 соответственно подключены к волноводной линии от генератора СВЧ сигнала с частотой f и к волноводной нагрузке соответственно.
Далее собранную систему погружают в жидкий азот до полного ее охлаждения при температуре кипения жидкого азота (77 К).
Сигнал СВЧ с частотой, лежащей в полосе пропускания фильтра, будет резонировать с окнами 7 одинаковых диафрагм 6, в результате этого упомянутые диафрагмы будут слабо влиять на процесс распространения этого сигнала в отрезках волноводной линии 5. Поскольку одинаковые диафрагмы 6 и одинаковые отрезки волноводной линии 5 выполнены из ВТСП материала, то при охлаждении до температуры кипения жидкого азота (77 К) указанные материалы переходят в высокотемпературное сверхпроводящее состояние, как уже сказано, заключающееся в значительном изменении поверхностного сопротивления в сторону его снижения, и тем самым обеспечивается снижение потерь на СВЧ, вплоть до полного их исключения.
Таким образом, на выходе фильтра получаем сигнал СВЧ, имеющий минимальные потери на СВЧ по амплитуде по сравнению с сигналом на его входе.
Сигнал СВЧ с частотой, лежащей вне полосы пропускания фильтра, не будет резонировать с окнами 7 одинаковых диафрагм 6, в результате чего упомянутые диафрагмы будут отражать этот сигнал СВЧ, что существенно скажется на процессе распространения этого сигнала СВЧ в отрезках волноводной линии 5.
Таким образом, на выходе фильтра получаем сигнал СВЧ, имеющий максимальные потери на СВЧ по амплитуде по сравнению с сигналом СВЧ на его входе.
Конкретное выполнение предложенного фильтра СВЧ, например многозвенного, содержащего три отрезка волноводной линии прямоугольного внутреннего поперечного сечения, полосно-пропускающего для диапазона частот 30-36 ГГц.
Пример 1.
Два отрезка металлической волноводной линии на входе 1 и на выходе 2 выполнены, например, из меди одинакового прямоугольного внутреннего поперечного сечения, например, размером широкой стороны а, равной 7,2 мм, и узкой стороны b - 3,6 мм, которые снабжены фланцами на входе 3 и выходе 4 и соединены с ними.
Каждый из (N) - трех одинаковых отрезков волноводной линии 5 выполнен из высокотемпературного сверхпроводящего материала иттриевой системы, например состава YBaCuO, в виде двух половинок, длиной l, равной 3,25 мм, что соответствует четверти длины волны, с внутренним поперечным сечением, равным прямоугольному внутреннему поперечному сечению одного из двух отрезков металлической волноводной линии, в данном случае размером широкой стороны а, равной 7,2 мм, и узкой стороны b - 3,6 мм, каждый с толщиной стенки, равной 2 мм, например, горячим прессованием. При этом они каскадно расположены между собой и между двумя отрезками металлической волноводной линии на входе 1 и на выходе 2.
Понятие элементы фильтра СВЧ каскадно расположены означает одновременно и наличие электромагнитной связи между ними.
Каждая из (N+1) - четырех одинаковых диафрагм 6 выполнена сборной, например из четырех прямоугольных пластин монокристалла высокотемпературного сверхпроводящего материала висмутовой системы, например состава BiSrCaCuO, при этом каждая из четырех пластин выполнена посредством скола упомянутого монокристалла ультразвуком в жидкой среде, например глицерине.
В каждой из одинаковых диафрагм 6 выполнено прямоугольное резонансное окно 7 с размерами, меньшими размеров внутреннего поперечного сечения отрезка волноводной линии, в данном случае шириной и высотой, равной 1,2 мм.
Элементы фильтра СВЧ, а именно два отрезка металлической волноводной линии на входе 1 и на выходе 2, три одинаковые отрезка волноводной линии 5 и четыре одинаковые диафрагмы 6 вместе с резонансными окнами 7 соединены между собой механически, например микровинтами.
Примеры 2-3.
Аналогично примеру 1 изготовлены образцы упомянутого фильтра СВЧ, но при значениях толщины стенки каждого из одинаковых отрезков волноводной линии 5, равных 1 и 3 мм соответственно.
На изготовленных образцах фильтра СВЧ были измерены модули коэффициента передачи при температуре кипения жидкого азота (77 К).
Измерения проводили на панорамном измерителе КСВН и ослабления.
На основании этих данных были построены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) (кривые 1-3).
Данные представлены на фиг.3.
Как видно из фиг.3. образцы предложенного фильтра СВЧ (кривые 1-3) в пятипроцентной полосе пропускания (32-34 ГГЦ) имеют потери на СВЧ, не превышающие 0,2 дБ.
Потери же фильтра СВЧ - прототипа в полосе пропускания равны 0,5 дБ, что в 2,5 раза больше, чем у предложенного фильтра СВЧ.
Так же видно, что при изменении толщины стенки одинаковых отрезков волноводной линии в пределах (1-3) мм, изменяются только потери СВЧ на центральной частоте, а относительная ширина полосы пропускания остается неизменной.
Так же видно, что амплитудно-частотные характеристики образцов предложенного фильтра СВЧ (кривые 1-3) приближаются к расчетной амплитудно-частотной характеристике (кривая 4), которая с точки зрения потерь на СВЧ в неком приближении является идеальной.
Таким образом, предложенный фильтр СВЧ, одинаковые отрезки волноводной линии и одинаковые диафрагмы которого выполнены из высокотемпературного сверхпроводящего материала, позволит по сравнению с фильтром СВЧ - прототипом, в котором указанные элементы выполнены из меди, в полосе пропускания фильтра снизить потери на СВЧ с 0,5 дБ до 0,2 дБ, то есть в 2,5 раза, что является существенным результатом.
Экспериментально установлено, что повышение температуры охлаждения с 77 К до 90 К уменьшает упомянутый результат до 1,8 раза, а дальнейшее охлаждение с 77 К до 50 К увеличивает его до 4,3 раза.
Следует отметить, что изделия СВЧ, выполненные из высокотемпературного сверхпроводящего материала, представляют особый интерес при их работе в условиях космоса.
Источники информации
1. Авторское свидетельство №847848, МПК Н01Р 1/20, приоритет 1974.09.19, опубл. 2000.07.20.
2. Патент РФ №2295806, МПК Н01Р 1/20, приоритет 2005.11.07, опубл. 2007.11.07.
3. Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, т.1 - М., Связь, 1971, с.195 - прототип.
4. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств. - М., Радио и связь, 1987, с.88.