ФИЛЬТР СВЧ
UHF FILTER

Область техники, к которой относится заявленное изобретение
Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к технике СВЧ и может быть использовано в качестве полосно-пропускающего или полосно-заграждающего фильтра.
Уровень техники
Известен фильтр СВЧ, описанный в патенте RU 2364994, МПК Н01Р 1/22, опубл. 20.08.2009 Бюл. №23, содержащий два отрезка металлической волноводной линии одинакового внутреннего поперечного сечения на входе и выходе, которые снабжены фланцами и соединены с ними каждый соответственно, при этом между отрезками волновода установлена (установлены) диафрагма (диафрагмы), в которой (которых) выполнено резонансное окно, геометрически расположенное в пределах рабочего сечения металлической волноводной линии и при этом упомянутые элементы соединены между собой механически.
Недостатком этого устройства является невозможность обеспечения работы фильтра на частотах ниже частоты отсечки используемого прямоугольного волновода, т.е. на запредельных для прямоугольного волновода частотах.
Известен полосно-пропускающий фильтр СВЧ, описанный в: Natalia Kopylova, Alexei Kopylov, and Yuri Salomatov. Results of experimental studies and numerical modeling of multistage waveguide-slotted membranes filters with complex slots geometry // Proc. of "VI International Forum for Young Scientists "Space Engineering", Tomsk, Russia, April 17-19, 2018, MATEC Web of Conferences 158, 01018 (2018). P. 1-5. ISSN: 2261-236X. Режим доступа: https://doi.org/10.1051/matecconf/201815801018. (дата обращения 02.08.2020), содержащий входной и выходной коаксиально-волноводные переходы, выполненные в виде металлических отрезков волновода с прямоугольным рабочим сечением, образуемым широкой и узкой стенками волновода, при этом один из концов каждого из отрезков волновода закорочен, а на другом конце каждого из отрезков волновода установлены фланцы, позволяющие закрепить отрезки прямоугольного волновода соосно между собой, и при этом коаксиально-волноводные переходы расположены фланцами друг к другу, образуя общую плоскость, а между фланцами в этой плоскости зажата резонансная мембрана, выполненная в виде тонкой металлической пластины со сквозной щелью, геометрически расположенной в пределах рабочего сечения отрезков прямоугольного волновода.
Недостатком этого устройства также является невозможность обеспечения работоспособности фильтра на запредельных частотах, которые ниже частоты отсечки используемого волновода.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является фильтр СВЧ, описанный в: Копылов, А.Ф., Огородников, Д.К., Саломатов, Ю.П., Харитонова, Н.А. Исследование возможности формирования полосы пропускания в волноводно-коаксиальной системе на частотах, ниже критической частоты прямоугольного волновода // В сб. трудов: Инновационные, информационные и коммуникационные технологии: сборник трудов XVI Международной научно-практической конференции; / под. ред. С.У. Увайсов - Москва: Ассоциация выпускников и сотрудников ВВИА им. проф. Жуковского, 2019, с. 548. С. 464-469. Электронный ресурс. Режим доступа: https://cloud.mail.ru/public/vSaC/OX9CP4AwQ. (дата обращения 02.08.2020), содержащий два одинаковых металлических отрезка волновода прямоугольного рабочего сечения, образуемого широкой и узкой стенками, при этом каждый из отрезков волновода на одном конце снабжен подвижным короткозамыкателем, а на другом конце каждого из отрезков волновода установлены фланцы, позволяющие закрепить отрезки волновода соосно между собой, и при этом фланцы обращены друг к другу, образуя общую плоскость, в пределах которой между фланцами расположена тонкая металлическая пластина, а на промежутке между внешней гранью каждого фланца и соответствующей ему стенкой отрезка волновода выполнена канавка, в которую заподлицо с общей плоскостью фланцев с каждой из сторон упомянутой пластины перпендикулярно стенкам отрезков волновода плотно уложены возбудители СВЧ поля, каждый из которых представляет собой металлический зонд, изолированный как от стенки соответствующего отрезка волновода, так и от тонкой металлической пластины в общей плоскости фланцев, и каждый из упомянутых зондов проникает в рабочее сечение волновода, а в тонкой металлической пластине в пределах рабочего сечения отрезков волновода вдоль их широких и одной из узких стенок выполнена П-образная щель, причем элементы этой щели, образующие ее форму, расположены симметрично оси, перпендикулярной узким стенкам отрезков волновода, а общая длина щели больше размера широкой стенки волновода и каждый из металлических зондов возбудителей СВЧ поля по меньшей мере единожды пересекает упомянутую щель.
Недостатком этого устройства является недостаточно высокая частотная избирательность.
Таким образом, существует техническая проблема реализации полосно-пропускающих фильтров СВЧ, работа которых возможна на запредельных частотах, которые ниже частоты отсечки используемого волновода при обеспечении высокой частотной избирательности.
Раскрытие изобретения.
Задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы увеличить частотную избирательность устройства.
Технический результат изобретения заключается в создании полосно-пропускающего фильтра СВЧ, обеспечивающего полосу пропускания на частотах ниже частоты отсечки используемого волновода с одновременным увеличением его частотной избирательности.
Для решения поставленной задачи в СВЧ фильтре, содержащем два одинаковых металлических отрезка волновода прямоугольного рабочего сечения, образуемого широкой и узкой стенками, при этом каждый из отрезков волновода на одном конце снабжен подвижным короткозамыкателем, а на другом конце каждого из отрезков волновода установлены фланцы, позволяющие закрепить отрезки волновода соосно между собой, и при этом фланцы обращены друг к другу, образуя общую плоскость, в пределах которой между фланцами расположена тонкая металлическая пластина, а на промежутке между внешней гранью каждого фланца и соответствующей ему стенкой отрезка волновода выполнена канавка, в которую заподлицо с общей плоскостью фланцев с каждой из сторон упомянутой пластины перпендикулярно стенкам отрезков волновода плотно уложены возбудители СВЧ поля, каждый из которых представляет собой металлический зонд, изолированный как от стенки соответствующего отрезка волновода, так и от тонкой металлической пластины в общей плоскости фланцев, и каждый из упомянутых зондов проникает в рабочее сечение волновода, а в тонкой металлической пластине в пределах рабочего сечения отрезков волновода вдоль их широких и одной из узких стенок выполнена П-образная щель, причем элементы этой щели, образующие ее форму, расположены симметрично оси, перпендикулярной узким стенкам отрезков волновода, а общая длина щели больше размера широкой стенки волновода и каждый из металлических штырей возбудителей СВЧ поля по меньшей мере единожды пересекает упомянутую щель, входной и выходной возбудители СВЧ поля, а также соответствующие им канавки расположены с одной стороны узких стенок отрезков волновода по их центру симметрично друг другу, толщина тонкой металлической пластины составляет не более размера диаметра зонда, глубина погружения металлических зондов возбудителей СВЧ поля в рабочее сечение отрезков волноводов составляет не более 1/3 части размера широкой стенки волновода, а расстояния от подвижных короткозамыкателей до металлических зондов возбудителей СВЧ поля составляет не менее 0,2 доли от размера широкой стенки волновода
21
На фиг. 1 показан внешний вид конструкции фильтра согласно изобретению со стороны узкой стенки волновода. На фиг. 2 показано продольное сечение конструкции фильтра согласно изобретения, вид со стороны широкой стенки волновода. На фиг. 3 показана конструкция входного и выходного возбудителя СВЧ электрического поля. На фиг. 4 показан общий вид фильтра СВЧ с раздвинутыми фланцами с выполненными в них канавками для укладки входного и выходного возбудителей СВЧ электрического поля (отрезков коаксиальной линии передачи) и резонансной мембраной. На фиг. 5 представлена топология резонансной мембраны, установленная в фильтре согласно изобретения. На фиг.6 представлены экспериментальные амплитудно-частотные характеристики величины модуля коэффициента прямой передачи |S| в диапазоне частот 1…4 ГГц для фильтра СВЧ, выполненного согласно изобретения (сплошная кривая 1) и для прототипа (прерывистая кривая 2) на отрезках волновода с внутренним (рабочим) сечением 35×15 мм.
Фильтр СВЧ (фиг. 1 … фиг. 5) согласно изобретения содержит входной 1 и выходной 2 (фиг. 1, фиг. 4) металлические отрезки волновода с прямоугольным рабочим сечением, образуемыми узкой 3 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 4) и широкой 4 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 4) стенками волновода, при этом входной отрезок 1 волновода имеет подвижный короткозамыкатель 5 (фиг. 2) на одном из концов и выходной отрезок 2 волновода имеет подвижный короткозамыкатель 6 (фиг. 2) также на одном из концов, а на некотором расстоянии 7 (фиг. 2) от подвижного короткозамыкателя 5 и некотором расстоянии 8 (фиг. 2) от подвижного короткозамыкателя 6 расположены соответственно входной 9 и выходной 10 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) возбудители СВЧ поля. На другом конце каждого из отрезков волновода установлены обращенные друг к другу входной 11 и выходной 12 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 4) фланцы, позволяющие закрепить отрезки прямоугольного волновода соосно между собой. Каждый из возбудителей СВЧ поля 9 и 10 выполнен в виде отрезка коаксиальной линии передачи, содержащей металлический зонд (центральный проводник отрезка коаксиальной линии передачи) 13 (фиг. 3), изолированный диэлектриком 14 (фиг. 3), поверх которого имеется гибкая металлическая оплетка 15 (фиг. 3). На промежутке 16 (фиг. 3 фиг. 4) между внешней гранью фланца и узкой стенкой каждого из отрезков прямоугольного волновода выполнена канавка 17 (фиг. 4) формой и размерами поперечного сечения, соответствующими форме и размерам поперечного сечения 18 отрезка коаксиальной линии передачи (фиг. 3), в которую с обеспечением электрического контакта металлической оплетки 15 (фиг. 3) отрезка коаксиальной линии передачи уложен отрезок коаксиальной линии передачи. Металлический зонд 13 (фиг. 3), изолированный как от стенки соответствующего отрезка волновода, так и от тонкой металлической пластины в общей плоскости фланцев диэлектриком 14 (фиг. 3), погружен в рабочее сечение волновода на глубину 19 (фиг. 2, фиг. 3), не превышающую 1/3 части размера широкой стенки волновода (не более 11.5 мм для волновода с рабочим сечением 35×15 мм), и на этом расстоянии металлическая оплетка отрезка коаксиальной линии передачи удалена. Между фланцами 11 и 12 в плоскости, которую они образуют при сборке, зажата тонкая металлическая пластина (резонансная мембрана) 20 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 4, фиг. 5) толщиной не более размера диаметра зонда 13 (фиг. 3). В тонкой металлической пластине 20 выполнена П-образная щель 21 (фиг. 4, фиг. 5), элементы формы которой расположены симметрично оси, перпендикулярной узким стенкам отрезков волновода, а общая длина щели 21 больше размера широкой стенки волновода.
10
кр
Фильтр СВЧ работает следующим образом. Известно, что низший тип волн в прямоугольном волноводе есть H и ему соответствует выражение для определения критической (наибольшей) длины волны λ, которая может распространяться в прямоугольном волноводе:
где: a - размер широкой стенки прямоугольного волновода, [м].
Этой критической длине волны соответствует критическая частота ниже которой невозможно распространение электромагнитных колебаний прямоугольном волноводе:
где: с - скорость света, равная 299792458 [м/с].
10
Однако, изложенные выше условия распространения нижних частот в прямоугольном волноводе справедливы только в том случае, когда входной и выходной возбудители СВЧ поля, выполненные в виде металлических зондов, в таком волноводе связаны между собой через достаточно длинный отрезок волновода, при прохождении через который СВЧ электромагнитная волна способна сформироваться в волну типа H. Если же входной и выходной зонды, расположить в непосредственной близости друг от друга, то передача СВЧ энергии между ними осуществляется без формирования тех или иных типов волн, характерных для прямоугольного волновода. При этом будут сняты ограничения (1) и (2) по частотам и длинам волн, пропускаемым такой системой с электромагнитной связью непосредственно между входным и зондами, а при определенных условиях такая система обеспечивает работу фильтра СВЧ на частотах, ниже критических частот используемого в ней волновода.
кр
Конструктивной основой фильтра СВЧ являются входной 1 и выходной 2 отрезки прямоугольного волновода, образованного узкой 3 и широкой 4 стенками. На одном из концов каждого отрезка волновода имеются подвижные короткозамыкатели 5 и 6, расположенные на некоторых расстояниях 7 и 8 от входного 9 и выходного 10 возбудителей СВЧ электрического поля, соответственно. Эти подвижные короткозамыкатели позволяют настраивать фильтр на некоторую частоту F, значение которой больше критического значения F:
10
то есть, там, где в отрезках 1 и 2 прямоугольного волновода распространяется волна типа H или иная более высокого порядка электромагнитная волна, характерная для прямоугольного волновода. Со стороны, противоположной закороченным концам отрезка входного волновода 1 и выходного волновода 2, расположены фланцы 11 и 12 соответственно входного и выходного отрезков волновода. Фланцы обращены плоскостями друг к другу и позволяют закрепить отрезки волновода между собой, а также зажать между ними входной и выходной возбудители СВЧ поля 9 и 10, соответственно, а также тонкую металлическую пластину 20, расположенную между возбудителями. Для этого в плоскости фланцев выполнены канавки 17, которые по форме и размерам соответствуют форме и размерам отрезков коаксиальных линий передачи, выполняющих роль входного 9 и выходного 10 возбудителей СВЧ электрического поля. Длины 16 канавок 17 равны расстоянию от внешней грани фланцев 11 и 12 до узкой стенки 3 отрезков волновода 1 и 2. Тонкая металлическая пластина 20 расположена между возбудителями 9 и 10 и механически плотно зажимается устройствами крепления фланцев (болтиками или зажимами) вместе с возбудителями. Таким образом оказывается, что входной и выходной возбудители СВЧ поля, а также соответствующие им канавки расположены с одной стороны узких стенок отрезков волновода по их центру симметрично друг другу, и одновременно с противоположных сторон тонкой металлической пластины.
H
B
На входной возбудитель СВЧ поля 9 подают СВЧ сигналы в некотором диапазоне частот ΔF от некоторой нижней частоты диапазона фильтрации F до верхней частоты этого диапазона F:
H
кр
При этом нижняя частота F этого диапазона ΔF имеет значение меньшее, чем значение критической частоты для используемого волновода F, определяемой выражением (2), то есть:
Щ
P
В тонкой металлической пластине 20 выполнена П-образная сквозная щель 21, причем элементы этой щели, образующие ее форму, расположены симметрично оси, перпендикулярной узким стенкам отрезков волновода, а общая длина щели L больше размера широкой стенки волновода и определяет резонансную частоту пропускания фильтра F в соответствии с известным выражением:
P
Щ
где: F - резонансная частота пропускания фильтра, [Гц]; с - скорость света, равная 299792458 [м/с]; L - длина щели, [м].
P
H
кр
Резонансная частота пропускания фильтра F при этом выбирается в диапазоне частот от значения нижней частоты диапазона фильтрации F до значения критической частоты F используемого волновода.
P
кр
СВЧ колебания с частотой F<F не могут существовать в отрезках волноводов 1 и 2 описываемого фильтра. Они существуют в пространстве взаимодействия зондов 13 на глубине их погружения 19 в рабочее сечение отрезков волноводов, а также в пределах в несколько диаметров зондов 13 в двух пространствах: первое - между зондом 13 входного возбудителя СВЧ поля 9 и подвижным короткозамыкателем 5, второе - между зондом 13 выходного возбудителя СВЧ поля 10 и подвижным короткозамыкателем 6. Благодаря минимальному расстоянию между зондами 13 входного 9 и выходного 10 возбудителей СВЧ поля, между ними происходит электромагнитное взаимодействие и частоты ниже критических проходят с минимальным затуханием. Для обеспечения эффективного взаимодействия между зондами 13 входного 9 и выходного 10 возбудителей СВЧ поля, расстояние между ними, равное толщине тонкой металлической пластины должно быть не более диаметра зонда 13, так как интенсивность взаимодействия полей экспоненциально уменьшается с увеличением расстояния между зондами.
П
Одновременно с этим, на формирование АЧХ фильтра оказывают существенное влияние еще и следующие конструктивные параметры системы: во-первых, расположение металлических зондов 13 входного 9 и выходного 10 возбудителей СВЧ поля относительно геометрии сквозной П-образной щели 21; во-вторых, глубина погружения L (поз. 19 на фиг. 2 и фиг. 3) зондов 13 возбудителей СВЧ поля 9 и 10 в рабочее сечение отрезков волноводов, и в-третьих - расстояния 7 и 8 (фиг. 2) от подвижных короткозамыкателей 5 и 6 до металлических зондов 13 возбудителей СВЧ поля 9 и 10, соответственно. Максимальную частотную селекцию обеспечивает такой вариант совокупности указанных конструктивных параметров, когда металлические зонды 13 входного 9 и выходного 10 возбудителей СВЧ поля расположены с одной стороны узких стенок отрезков волновода по их центру симметрично друг другу, но с различных сторон тонкой металлической пластины, погружены в рабочее сечение волновода на глубину не более 1/3 части размера широкой стенки волновода, а расстояния от подвижных короткозамыкателей до металлических зондов возбудителей СВЧ поля составляет не менее 0,2 доли от размера широкой стенки волновода.
Практически реализованный фильтр СВЧ согласно изобретения имел следующие размеры основных конструктивных элементов:
- входной 1 и выходной 2 отрезки прямоугольного волновода выполнены из латунной трубы с размером узкой стенки 3, равным 15 мм и размером широкой стенки 4 равным 35 мм. Иными словами, рабочее сечение волновода составляло 35×15 мм;
- подвижные короткозамыкатели 5 и 6 выполнены в виде плунжеров, механически перемещаемых в отрезках прямоугольного волновода 1 и 2, соответственно;
- расстояния 7 и 8 от подвижных короткозамыкателей 5 и 6 до входного 9 и выходного 10 возбудителей СВЧ электрического поля 40 мм;
- на концах отрезков прямоугольного волновода 1 и 2, противоположных расположению подвижных короткозамыкателей 5 и 6, установлены фланцы 11 и 12. Внутренний размер фланцев равен рабочему сечению волновода 35×15 мм, а внешние размеры фланцев составляли 55×55 мм (имеют значение только для крепежа элементов конструкции и на работу фильтра не влияют);
- диаметр центрального металлического проводника 13 входного 9 и выходного 10 возбудителей СВЧ электрического поля, выполненных в виде отрезков коаксиальной линии передачи, составлял 1 мм;
- центральный проводник 13 каждого отрезка коаксиальной линии передачи, представляющих собой входной 9 и выходной 10 возбудители СВЧ электрического поля, имеет изоляцию 14, внешний диаметр которой составляет 3 мм;
- поверх изоляции 14 на отрезке 16 имеется гибкая оплетка 15, выполняющая функцию заземления отрезка коаксиальной линии передачи, и ее внешний диаметр 18 составляет 4 мм;
- на промежутке 16 между внешней гранью входного 11 и выходного 12 фланцев и узкой стенкой 3 входного 1 и выходного 2 отрезков волноводов выполнена канавка 17. Размеры этой канавки равны: глубина 4 мм, ширина 4 мм, что соответствует внешнему диаметру отрезков коаксиальной линии передачи, представляющих собой возбудители СВЧ электрического поля при условии плотного зажатия этих отрезков при сборке конструкции для обеспечения электрического контакта канавки фланцев 11 и 12 в канавке 17 с гибкой оплеткой 15. Длина 16 канавки 17 составляет 15 мм. Входной и выходной возбудители СВЧ электрического поля плотно уложены в канавку 17 на длине 16;
- глубина погружения 19 возбудителя СВЧ электрического поля в рабочее сечение волновода составляет 3 мм, и на всей длине 19 гибкая металлическая оплетка 15 удалена;
- резонансная мембрана 20 имеет внешний размер 55×55 мм, как и внешний размер фланцев 11 и 12, между которыми в сборе со входным 9 и выходным 10 преобразователями она зажата;
- толщина резонансной мембраны 20 составляет 0,25 мм;
- в резонансной мембране выполнена П-образная сквозная щель 21 шириной 1 мм и общей длиной, равной сумме двух размеров широкой стенки волновода и размеру узкой стенки волновода, или всего 35+35+15=85 мм;
21
21
Амплитудно-частотная характеристика фильтра согласно изобретения показана на фиг. 6 в виде сплошной кривой 1. Это зависимость модуля коэффициента прямой передачи |S| в диапазоне частот 1…4 ГГц. Для сравнения на фиг. 6 приведена АЧХ фильтра-прототипа также в виде зависимости модуля коэффициента прямой передачи |S| в диапазоне частот 1…4 ГГц (прерывистая кривая 2). Сравнение АЧХ фильтра, выполненного согласно изобретения, с АЧХ фильтра-прототипа показывает существенное улучшение частотной избирательности устройства согласно изобретения по сравнению с фильтром-прототипом. Так, на частоте 1 ГГц фильтр, выполненный согласно изобретения, обеспечивает затухание более 50 дБ, тогда, как фильтр-прототип - менее 40 дБ; на частоте 2,5 ГГц фильтр, выполненный согласно изобретения, обеспечивает затухание около 28 дБ, тогда, как фильтр-прототип - около 17 дБ; на частоте 4 ГГц фильтр, выполненный согласно изобретения, обеспечивает затухание около 50 дБ, тогда, как фильтр-прототип - менее 20 дБ. При этом величины потерь, вносимых фильтром согласно изобретения и фильтром-прототипом на частоте минимального затухания примерно равны.
Технический результат предлагаемого изобретения объясняется одновременным использованием конструктивных признаков по месту расположения возбудителей СВЧ поля относительно рабочего сечения отрезков волноводов и П-образной щели в тонкой металлической пластине, толщины этой пластины, глубины погружения металлических зондов возбудителей СВЧ поля в рабочее сечение отрезков волноводов величин расстояний от подвижных короткозамыкателей до металлических зондов возбудителей СВЧ поля.
В целом по сравнению с прототипом, предлагаемое изобретение позволяет существенно улучшить частотную избирательность устройства.