СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФЕРРИТОВЫЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к электронной сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, а более конкретно, к многорезонаторным ферритовым СВЧ фильтрам, резонансная частота которых линейно перестраивается изменением тока в электромагните, намагничивающем монокристаллические ферритовые резонаторы (ФР) в виде миниатюрных (диаметр от 0,3 до 1,5 мм) полированных сфер, выполненные из монокристаллических ферритов.
Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент US 7557678 B2, МПК Н01Р 1/218, опубликован 07.07.2009), содержащий немагнитный корпус, расположенный в зазоре двух полюсных наконечников электромагнита, сферические монокристаллические ФР, размещенные в резонансных камерах немагнитного корпуса. В крайние резонансные камеры через каналы в немагнитном корпусе проведены входной и выходной отрезки линий передачи, центральные проводники которых нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус витковые элементы связи (ВЭС), охватывающие ФР. ФР электромагнитно связаны друг с другом с помощью отрезков коаксиальных линий, имеющие на концах также короткозамкнутые на корпус ВЭС.
В известном СВЧ ферритовом фильтре при его перестройке в широком диапазоне частот (октава и более) не обеспечивается подавление паразитных колебаний, возбуждаемых в отдельных участках диапазона перестройки в рабочей полосе пропускания. При этом на краях диапазона перестройки наблюдается существенное искажение формы резонансных кривых, а следовательно, ухудшение электрических параметров.
Известен СВЧ ферритовыый фильтр (см. Лебедь Б.М., Лаврович В.А., Хохлышев И.О. - Ферритовые фильтры и их применение в приборах с магнитной перестройкой частоты. - Обзоры по электронной технике. - Сер. 1. Электроника СВЧ/ЦНИИ «Электроника», вып. 10 М., 1982, 87 с.) содержащий немагнитный корпус, установленный в зазоре электромагнита, входной и выходной отрезки линий передачи, центральные проводники которых нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные ВЭС в крайних резонансных камерах. В резонансных камерах корпуса размещены на керамических стержнях ФР, электромагнитно связанные друг с другом с помощью двойных ВЭС, охватывающих ФР под прямым углом, соединенных между резонансными камерами проводником длиной L<λ/4 (λ - длина волны в рабочем диапазоне перестройки фильтра), замкнутых свободными концами на корпус.
1
1
В зависимости от назначения фильтра и предъявленных требований количество ФР в нем может изменяться от 2 до 7. При этом диапазон перестройки резонансной (центральной) частоты полосы пропускания фильтра составляет, как правило, октаву (частоты от f до 2f) или несколько октав. На краях диапазона перестройки широкодиапазонного фильтра наблюдаются существенные искажения формы резонансных кривых, которые тем больше, чем шире диапазон перестройки фильтра. Это вызвано тем, что частотные зависимости нагруженных добротностей крайних ФР, а, следовательно, и резонансных частот, не совпадают с аналогичными зависимостями средних ФР.
Известен широкодиапазонный СВЧ ферритовый фильтр (см. патент US 4500858, Н01Р 1/218, опубликован 19.02.1985). СВЧ ферритовый фильтр содержит немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, ФР, закрепленные на керамических стержнях в резонансных камерах немагнитного корпуса. В крайние резонансные камеры через первые каналы в немагнитном корпусе проведены входной и выходной отрезки линий передачи, центральные проводники которых нагружены через трансформаторы сопротивлений на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные ВЭС. ФР электромагнитно связаны друг с другом с помощью двойных ВЭС, охватывающих их под прямым углом в резонансных камерах, соединенных между собой проводниками L<λ/4 (λ - длина волны в рабочем диапазоне перестройки фильтра), пропущенными между камерами по вторым каналам в немагнитном корпусе и короткозамкнутыми на свободных концах на корпус.
Применение в известном многорезонаторном СВЧ ферритовом фильтре на входе и выходе трансформаторов сопротивлений позволяет устранить искажения формы резонансных кривых на краях диапазона перестройки. Однако в известном СВЧ ферритовом фильтре имеются интервалы частот, определяемые используемой намагниченностью насыщения ФР, в которых резонансная полоса пропускания искажается появлением одного или нескольких узких паразитных резонансов. Это явление обусловлено возбуждением в ФР высших типов колебаний намагниченности (паразитных резонансов), вырожденных (совпадающих) по частоте с частотой однородной прецессии в этих интервалах частот. Причина возбуждения паразитных резонансов заключается как в неоднородности СВЧ поля ВЭС, близко размещенных к ФР, так и в наличии внутренних неоднородностей (дефектов) в ФР. Отмеченное явление является существенным недостатком известного СВЧ ферритового фильтра, так как приводит к сильным искажениям амплитуды и фазы спектральных составляющих сигнала на выходе фильтра.
Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент RU 128785, МПК Н01Р 1/00, опубликован 27.05.2013), содержащий немагнитный корпус, расположенный в зазоре двух полюсных наконечников электромагнита, сферические монокристаллические ФР, ориентированные на теплопроводящих керамических стержнях в резонансных камерах немагнитного корпуса. В крайние резонансные камеры через первые каналы в немагнитном корпусе проведены соответственно входной и выходной отрезки линий передачи, центральные проводники которых нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные ВЭС. ФР электромагнитно связаны друг с другом с помощью двойных ВЭС, короткозамкнутых на немагнитный корпус на свободных концах и соединенных пропущенными через вторые каналы немагнитного корпуса проводниками длиной L<λ/4, где λ - длина волны в рабочем диапазоне перестройки фильтра. Одинарные и двойные ВЭС попарно ортогонально охватывают сферические монокристаллические ФР. На поверхности по меньшей мере одного сферического монокристаллического ФР выполнена локальная шероховатость.
В известном СВЧ ферритовом фильтре устранены паразитные выбросы потерь в полосе пропускания фильтра в известных интервалах частот, определяемых используемой намагниченностью насыщения ФР. Однако при работе известного фильтра в широких диапазонах (превышающих октаву) и в широких интервалах температур в ряде случаев имеет место рост потерь в полосе пропускания, обусловленный несовершенством изготовления и сборки фильтров из-за неизбежного наличия различных производственных допусков. Известны случаи непараллельности (перекоса) полюсных наконечников в зазоре электромагнита из-за неточности в установке деталей при обработке на шлифовальном станке, перекоса немагнитного корпуса в зазоре электромагнита при сборке фильтра, смещение ФР от оси симметрии при ориентации (вращении) теплопроводящих керамических стержней при настройке фильтра из-за люфта (несоосности) между металлическим держателем керамического стержня и отверстием во фторопластовом фиксаторе. Эти дефекты приводят к смещению ФР от середины воздушного зазора электромагнита, то есть намагничиванию ФР различными полями, что обуславливает расхождение резонансных частот ФР при перестройке фильтра по частоте, и ведет к росту потерь пропускания, искажению формы резонансной кривой, уменьшению диапазона перестройки частоты и интервала рабочих температур.
Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент RU 148202, МПК Н01Р 1/20, опубликовано 27.11.2014), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. СВЧ ферритовый фильтр-прототип содержит, немагнитный корпус, расположенный в зазоре двух полюсных наконечников верхней и нижней частей электромагнита, сферические монокристаллические ФР, ориентированные в изотропном направлении на теплопроводящих керамических стержнях в резонансных камерах немагнитного корпуса, в крайние из которых через первые каналы в немагнитном корпусе проведены соответственно входной и выходной отрезки линии передачи. Центральные проводники входного и выходного отрезков линии передачи нагружены на короткозамкнутые на корпус одинарные ВЭС, охватывающие крайние сферические монокристаллические ФР. Сферические монокристаллические ФР электромагнитно связаны друг с другом с помощью двойных ВЭС, короткозамкнутых на немагнитный корпус на свободных концах и соединенных пропущенных через вторые каналы немагнитного корпуса проводниками длиной L<λ/4, где λ - длина волны в рабочем диапазоне перестройки фильтра. На поверхности по меньшей мере одного сферического монокристаллического ФР выполнена локальная шероховатость. Одинарные и двойные ВЭС попарно ортогонально охватывают ФР. Между противолежащими торцами верхней и нижней частей электромагнита, установлена по крайней мере одна металлическая прокладка толщиной 10-150 мкм напротив сферического монокристаллического ФР, имеющего более высокую резонансную частоту. Прокладки могут устанавливаться как в продольном, так и в поперечном направлениях относительно направления передачи сигнала.
Недостатком известного СВЧ ферритового фильтра - прототипа является недостаточно широкая полоса пропускания сигнала, особенно при работе в метровом или дециметровом диапазонах длин волн, что объясняется низкой намагниченностью насыщения используемых ФР, и невозможность передачи сигнала одновременно в двух полосах пропускания, имеющих различные центральные частоты.
Задачей предлагаемой модели является создание одноканального СВЧ ферритового фильтра, обеспечивающего возможность передачи сигнала одновременно в двух полосах пропускания, имеющих различные центральные частоты, и более широкую (удвоенную) полосу пропускания.
Поставленная задача решается тем, что СВЧ ферритовый фильтр содержит немагнитный корпус, расположенный в зазоре двух полюсных наконечников верхней и нижней частями электромагнита, сферические монокристаллические ФР, ориентированные на теплопроводящих керамических стержнях в изотропном направлении в резонансных камерах немагнитного корпуса. В крайние резонансные камеры через первые каналы в немагнитном корпусе проведены соответственно входной и выходной отрезки линии передачи, центральные проводники которых нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные ВЭС. Сферические монокристаллические ФР электромагнитно связаны друг с другом с помощью двойных ВЭС, короткозамкнутых на немагнитный корпус на свободных концах и соединенных пропущенными через вторые каналы немагнитного корпуса проводниками длиной L<λ/4, где λ - длина волны в рабочем диапазоне перестройки фильтра. Новым в настоящем СВЧ ферритовом фильтре является то, что, резонансные камеры расположены симметрично по обе стороны относительно оси входного и выходного отрезков линии передачи, образуя два канала передачи сигнала, по меньшей мере один центральный проводник линий передачи соединен с крайними резонансными камерами через разветвитель, а участки по меньшей мере одного торца полюсных наконечников над каналами передачи сигнала удалены от них на разные расстояния.
С крайними резонансными камерами через разветвитель может быть соединен центральный проводник входной линии передачи.
С крайними резонансными камерами через разветвитель может быть соединен центральный проводник выходной линии передачи.
В этих двух случаях СВЧ ферритовый фильтр выполняет функцию диплексера.
С крайними резонансными камерами через разветвители могут быть соединены центральные проводники входной и выходной линий передачи.
В СВЧ ферритовом фильтре участки по меньшей мере одного торца полюсных наконечников над каналами передачи сигнала могут быть выполнены в виде ступенек высотой h, удовлетворяющей соотношению:
0,05 мм≤h≤0,5 мм.
В СВЧ ферритовом фильтре участки по меньшей мере одного торца полюсных наконечников над каналами передачи сигнала могут быть выполнены скошенными относительно плоскости перпендикулярной оси полюсных наконечников на угол ϕ, удовлетворяющий соотношению:
0,5°≤ϕ≤7°.
Выбор высоты h ступенек и угла скоса ϕ торца полюсного наконечника обусловлен следующим. При высоте h меньше 0,05 мм и при угле ϕ скоса торца полюсного наконечника меньше 0,5 градусов сдвиг резонансных частот в каналах незначителен (ориентировочно 0,3%), а при высоте h больше 0,5 мм и при угле скоса торца полюсного наконечника больше 7 градусов увеличение воздушного зазора магнитной системы значительно снижает диапазон электрической перестройки фильтра.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 представлен настоящий СВЧ ферритовый фильтр, показанный для большей наглядности без верхней части электромагнита и без дисков, обычно экранирующих резонансные камеры; в фильтре с крайними резонансными камерами через разветвители соединены центральные проводники входной и выходной линий передачи;
на фиг. 2 показан вариант электромагнита настоящего СВЧ ферритового фильтра со скошенным торцом полюсного наконечника, обеспечивающий намагничивание сферических монокристаллических ФР в каналах передачи сигнала на разные резонансные частоты;
на фиг. 3 приведен вариант электромагнита настоящего СВЧ ферритового фильтра со ступенчатым торцом полюсного наконечника, обеспечивающий намагничивание сферических монокристаллических ФР в каналах передачи сигнала на разные резонансные частоты;
1
2
1
2
на фиг. 4 представлена резонансная характеристика передачи сигнала (зависимость вносимых потерь а от частоты f) в настоящем СВЧ ферритовом фильтре в двух полосах пропускания (δf=f-f, f, f- резонансные частоты в каналах I, II соответственно; пунктиром показана перестройка фильтра по частоте;
1
2
Σ
Δα≤1,5
Σ
1
2
1
2
1
2
на фиг. 5 представлена резонансная характеристика передачи сигнала в настоящем СВЧ ферритовом фильтре с удвоенной полосой пропускания (δf=f-f<Δf| дБ, где Δf≈Δf+Δf, f, f- резонансные частоты в каналах I, II соответственно, Δα - неравномерность потерь в полосе пропускания, Δf, Δf-резонансные полосы пропускания по уровню минус 3 дБ амплитудно-частотных характеристик в каналах I, II);
на фиг. 6 представлен настоящий СВЧ ферритовый фильтр, в котором с крайними резонансными камерами через разветвитель соединен центральный проводник входной линии передачи (диплексер).
Изображенный на фиг. 1 настоящий СВЧ ферритовый фильтр содержит немагнитный корпус 1, расположенный в зазоре 2 двух полюсных наконечников 3, 4 соответственно верхней 5 и нижней 6 частями электромагнита 7, сферические монокристаллические ФР 8, ориентированные на теплопроводящих керамических стержнях 9 в изотропном направлении в резонансных камерах 10 немагнитного корпуса 1. В крайние резонансные камеры 10 через первые каналы 11 в немагнитном корпусе 1 проведены соответственно центральные проводники 12 входного отрезка 13 и выходного 14 отрезка линии передачи, которые нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус 1 одинарные ВЭС 15. Сферические монокристаллические ФР 8 электромагнитно связаны друг с другом с помощью двойных ВЭС 16, короткозамкнутых на немагнитный корпус 1 на свободных концах и соединенных пропущенными через вторые каналы 17 немагнитного корпуса 1 проводниками 18 длиной L<λ/4, где λ - длина волны в рабочем диапазоне перестройки фильтра. На поверхности по меньшей мере одного сферического монокристаллического ФР 8 может быть выполнена локальная шероховатость 19, устраняющая паразитные выбросы потерь в полосе пропускания фильтра. Между верхней 5 и нижней 6 частями электромагнита 7 могут быть помещены металлические прокладки 20 толщиной 10-150 мкм, снижающие потери и неравномерность в полосе пропускания, обусловленные несовершенством изготовления и сборки фильтров. Проводники 18 в каналах 17 немагнитного корпуса могут быть заключены во введенные диэлектрические втулки 21 для повышения устойчивости электрических параметров фильтра к механическим воздействиям. Центральные проводники 12 входного отрезка 13 и выходного отрезка 14 линии соответственно перед входными крайними резонансными камерами 10 и после выходных крайних резонансных камер 10 выполнены в виде разветвителей 22, при этом резонансные камеры 10 расположены симметрично по обе стороны относительно отрезка 13 и выходного отрезка 14 линии передачи (в углублениях 23 немагнитного корпуса 1, предназначенными для размещения полюсных наконечников 3, 4 электромагнита 7), образуя два канала I и II передачи сигнала, в которых ФР намагничены на разные резонансные полосы пропускания, сближенные или разнесенные по частоте на необходимую величину. Намагничивание сферических монокристаллических ФР 8 в каналах I, II на разные резонансные полосы пропускания сигнала, то есть на разные резонансные частоты, обеспечивается тем, что участки по меньшей мере одного торца полюсных наконечников 3, 4 над каналами I, II передачи сигнала выполнены в виде ступенек высотой h, удовлетворяющей соотношению:
0,05 мм≤h≤0,5 мм;
или выполнены скошенными относительно плоскости перпендикулярной оси полюсных наконечников на угол на угол ϕ, удовлетворяющий соотношению:
0,5°≤ϕ≤7°;
(см. фиг. 2 - фиг. 3).
Для перестройки СВЧ ферритового фильтра по частоте в катушках 24 изменяют ток. При необходимости, для расширения интервала рабочих температур СВЧ ферритового фильтра, на немагнитном корпусе 1 могут быть установлены радиаторы с терморезисторами (позисторами), нагревающими сферические монокристаллические ФР 8 до температуры от 80°С до 90°С через теплопроводящие керамические стержни 9.
1
2
1
1
2
2
1
2
1
1
2
1
2
Настоящий СВЧ ферритовый фильтр работает следующим образом (см. фиг. 4 - фиг. 5). При одновременном поступлении на вход фильтра двух сигналов с разными частотами f и f, где f=γH>f=γН, γ-гиромагнитное отношение, 2,8 МГц/Э, H, Н - магнитные поля приложенные к ФР 8 в каналах I и II соответственно, сигналы, проходя входной отрезок 13 линии передачи (в данном случае коаксиальной), попадают по центральному проводнику 12 в разветвитель 22 в немагнитном корпусе фильтра 1, а затем в одинарные короткозамкнутые ВЭС 15, расположенные в крайних резонансных камерах 10 в каналах I, II передачи. ФР 8 в канале I, электромагнитно связанные двойными ВЭС 16, намагниченные полем H электромагнита 7, пропускают сигнал с частотой f, а ФР 8 в канале II, намагниченные полем Н электромагнита 7, которое меньше поля H, пропускают сигнал с частотой f. На выходе из каналов I, II передачи сигналы поступают в разветвитель 22, а затем в выходной отрезок 14 линии передачи, то есть на выход фильтра. При небольшом сдвиге резонансных частот ФР в каналах I, II (см. фиг. 5), фильтр обеспечивает более широкую (удвоенную) полосу пропускания. Для расширения области применения настоящего СВЧ ферритового фильтра два канала передачи сигнала в разных частотных полосах пропускания на входе или на выходе (см. фиг. 6) могут быть подключены к центральным проводникам двух независимых линий передачи 25, 26. В таком варианте конструкции настоящий фильтр может выполнять функцию диплексера с возможностью перестройки по частоте.