ВОЛНОВОДНЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 1995 года по МПК H01P1/212 

Изобретение относится к волноводной технике СВЧ и может быть использовано в качестве полосового фильтра для селекции принимаемых сигналов СВЧ и в тракте передачи СВЧ-энергии для подавления гармоник.

Известны апериодические фильтры, которые пропускают энергию основной частоты и отражают энергию второй, третьей и других гармоник, причем отраженная энергия гармоник поглощается в фильтре. Для этого внутри отрезка волновода прямоугольного сечения располагается металлическая пластина, разделяющая волновод на два запредельных для рабочей частоты волновода. К концу металлической пластины примыкает тонкая поглощающая пластина, расположенная параллельно широким стенкам волновода [1].

Высокие фильтрующие свойства достигнуты в такого типа фильтре, содержащем отрезок прямоугольного волновода, на конце которого расположены согласованные нагрузки, размещенные между металлическими пластинами [2].

Однако такие фильтры обладают способностью существенного ослабления сигналов на рабочей частоте.

Задача изобретения - разработка волноводного заградительного фильтра в виде Т-образного сочленения волноводов прямоугольного сечения в Н- и Е-плоскостях со связью через щель, в котором обеспечивалось одновременное отражение основного сигнала (на рабочей частоте) при обеспечении минимального ослабления этого сигнала и поглощение сигнала гармоник, в частности второй гармоники при обеспечении максимального ее затухания при существенном уменьшении габаритов фильтра и упрощения его конструкции.

Данную задачу предлагается решить в волноводном фильтре, выполненном в виде Т-образного сочленения прямоугольных волноводов в Н- или Е-плоскостях со связью между ними через щель, в котором один из волноводов разделен внутри на два запредельных для основной частоты волновода, заканчивающихся поглощающими нагрузками, причем запредельные волноводы отстоят от щели на расстоянии
L₁=-2,4(-0,2)+2(0,43-)+1,65, где d - ширина щели;
b - ширина узкой стенки волновода;
l - длина щели;
а - ширина широкой стенки волновода.

Данная задача может быть решена как при использовании Е-тройника, так и Н-тройника.

В случае использования сочленения волноводов в плоскости Н (Н-тройника) связь между волноводами осуществляется через продольную по отношению к первому волноводу щель, прорезанную в его узкой стенке.

В случае использования сочленения волноводов в плоскости Е (Е-тройник) связь между ними осуществляется через поперечную по отношению к первому волноводу щель, прорезанную в его широкой стенке.

Разделение одного из волноводов на два запредельных для основной частоты, заканчивающихся на концах поглощающими согласованными нагрузками на частоте второй гармоники основного сигнала, и при этом выбор размеров щели меньше, чем поперечное сечение волновода, и расположение запредельных волноводов на выбранном расстоянии L₁ от щели позволяет обеспечить максимальное поглощение второй гармоники и максимальное отражение основного сигнала на рабочей частоте таким образом, что отпадает необходимость в использовании системы из нескольких звеньев таких Т-образных фильтров для получения такого же эффекта, что значительно уменьшает габариты фильтра и упрощает его конструкцию при решении поставленной задачи.

На фиг.1 и 2 приведен предлагаемый волноводный фильтр в случае использования Е-тройника и Н-тройника соответственно.

Волноводный фильтр выполнен в виде Т-образного сочленения волноводов 1-3 в плоскостях Е- и Н- соответственно. Связь между волноводами осуществляется через щель 4 с размерами l и d, прорезанную соответственно в широкой стенке волноводов 1 и 2 (фиг.1) или в узкой стенке волноводов 1 и 2 (фиг. 2). Внутри волновод 3 разделен металлической пластиной 5 на два запредельных волновода 6 и 7, на концах которых установлены поглощающие нагрузки 8 и 9. Расстояние от металлической пластины 5 до щели 4 выбрано равным L₁.

Рассмотрим работу предлагаемого фильтра, который должен обеспечить выполнение следующих функций в заданных полосах частот Δf₁ и Δf₂:
максимальное отражение в волновод 1 основного сигнала на частоте f₁(λ₁);
максимальное ответвление и поглощение помехи, которой является вторая гармоника частоты f₂=2f₁ (λ₂= ), в волноводе 3 в поглощающих нагрузках 8 и 9 на концах запредельных волноводов 6 и 7.

Пусть в волноводе 1 в направлении к щели 4 распространяется падающая волна основного типа Н₁₀ с двумя амплитудами: U₁⁺ - для полезного сигнала на частоте f₁ ( λ₁ ) и U₂⁺ - для помехи на второй гармонике генератора f₂= 2f₁ (λ₂= ).

Поскольку длина волны помехи λ₂= < λ₁ короче длины волны сигнала, то помеха будет также распространяющейся во всех волноводах 1-3 звена. В силу этого в общем случае сигнал и помеха, дойдя до щели, будут затем частично проходить в волновод 2, а частично ответвляться через щель в волновод (резонатор) 3 и поглощаться в нагрузках 8 и 9 в волноводах 6 и 7, являющихся запредельными для сигнала на f₁, но пропускающих помеху на второй гармонике f₂=2f₁ (λ₂= = ; λ_кр6,7= 2· = a, λ₂<λ_кр6,7, где а - ширина широкой стенки волновода).

Если размеры щели (l - длина, d - ширина) равны поперечному сечению волновода 3, т.е. l=а, d=b, а на конце волновода 3 вместо запредельных волноводов стоит обычный короткозамкнутый (к.з.) поршень на расстоянии L₁=(2n-1) =(2n-1)= =(2n-1) , т.е. равно нечетному числу четвертей длины волны в волноводе на частоте сигнала f₁ ( λ₁ ), то на щели получаем бесконечно большое входное сопротивление z_вх3= ∞, т.е. разрыв в эквивалентной схеме основных волноводов 1 и 2, так как поперечная щель с продольным полем Е_2щ на ней отображается последовательным сопротивлением z_вх на ней. Таким образом обеспечиваем отражение сигнала на f₂ от щели. Но при к.з. поршне не обеспечивается поглощение помехи на f₂. Заменяя к.з. поршень двумя запредельными для f₁волноводами 6 и 7, пропускающими помеху на второй гармонике f₂= 2f₁ и заканчивающимися на концах поглощающими согласованными нагрузками 8 и 9 на f₂, получаем систему из двух волноводов 6 и 7, являющуюся эквивалентным к.з. поршнем для сигнала, но отстоящим от щели уже не эквивалентное расстояние L_1э=L₁+ ΔL, которое будет больше L₁ из-за эффекта удлинения длинной линии, нагруженной на чисто индуктивное сопротивление iх_L (индуктивную проводимость (-iВ_L)). Вместе с тем эта система является пропускающей для помехи, которая будет поглощаться в нагрузках. В то же время для обеспечения максимального отражения сигнала на f₁ и максимального поглощения сигнала помехи на f₂ необходимо, чтобы размеры щели были бы меньше размеров волновода, т. е. l < а, d < b. Тогда ослабление сигнала на f₁ в волноводе 2 уменьшается, а ослабление помехи на f₂ увеличивается, т.е. обеспечивается решение поставленной задачи.

Указанные рассуждения справедливы как в случае щели, прорезанной в широкой стенке волноводов (Е-тройник), так и в случае щели, прорезанной в узкой стенке волноводов (Н-тройник). Но в случае Н-тройника на щели получаем входное сопротивление z_вх.3= 0, т.е. к.з. в эквивалентной схеме основных волноводов 1 и 2.

Проведенный электродинамический расчет данного фильтра позволил построить графические зависимости расстояния от запредельных волноводов до щели от относительных размеров щели в рабочем диапазоне частот, из которых была определена геометрическая зависимость (связь) между размерами резонатора и щели для получения максимальных ослабления второй гармоники сигнала и отражения основного сигнала.

Анализ кривых позволил получить соотношение между размерами L₁ и относительными размерами щели d/b и l/а в интервале 0,2 ≅ ≅ 0,5, и в интервале 0,35≅ ≅0,43, где зависимость L₁ (d/b) можно считать линейной: L₁=-2,4( -0,2)+2(0,43- )+1,65.

Использование: в технике СВЧ для селекции принимаемых сигналов и для подавления гармоник. Сущность изобретения: волноводный фильтр содержит Т-образное сочленение прямоугольных волноводов в Н - или Е-плоскости со связью через щель. Один из прямоугольных волноводов разделен металлической пластиной на два запредельных для основной частоты волновода, заканчивающихся поглощающими нагрузками. Приведена формула для определения расстояния от торца металлической пластины до щели. 2 ил.

ВОЛНОВОДНЫЙ ФИЛЬТР, содержащий Т-образное сочленение прямоугольных волноводов в H- или E-плоскости, связанных через щель и один из которых разделен металлической пластиной на два волновода, запредельных для основной частоты и заканчивающихся поглощающими нагрузками, отличающийся тем, что расстояние L₁ от щели до торца металлической пластины, ближайшего к ней, выбрано из условия
L₁ = -2,4 (d/b - 0,2) + 2 (0,43 - l/a) + 1,65,
где d - ширина щели;
l - длина щели;
a и b - размеры широкой и узкой стенок другого прямоугольного волновода.