СВЧ-ФИЛЬТР Российский патент 1995 года по МПК H01P1/208 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в качестве частотно-селективного устройства волноводного тракта приборов различного назначения.

Известен СВЧ-фильтр, содержащий отрезок запредельного волновода, в котором размещены диэлектрические вкладыши резонансных размеров [1]
Известный фильтр имеет большие потери в полосе пропускания, обусловленные низкой добротностью резонаторов в виде пластин, полностью заполняющих поперечное сечение волновода, и густой спектр паразитных колебаний, возбуждаемых микрозазорами (между диэлектриком и экраном) и элементами настройки резонаторов.

Известны полосно-пропускающие СВЧ-фильтры (ППФ) на диэлектрических резонаторах (ДР), содержащих металлические экраны, в которых располагаются диэлектрические вкладыши резонансных размеров (см. Безбородов Ю.М. Нарытник Т. Н. Федоров В. Б. Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах, К. Техника, 1989). В этих фильтрах трудно получить существующими элементами ввода и вывода внешнюю добротность крайних ДР фильтра менее 20.25, что не позволяет сформировать максимально плоскую характеристику для фильтров с относительной полосой пропускания более 7% или для фильтров с меньшей полосой пропускания, но с большим числом звеньев (чем большее число звеньев в фильтре, тем меньшее значение внешней добротности должно быть у крайних звеньев, по отношению к центральному) (см. Фельдштейн А.П. Явич Л.Р. Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. Госэнергоиздат, 1963, с. 263).

Наиболее близким по техническому решению является СВЧ-фильтр, содержащий отрезок запредельного водновода, в котором размещены диэлектрические вкладыши резонансных размеров, полностью заполняющие поперечное сечение волновода по ширине и частично по высоте [2] Однако фильтр на данных высокодобротных резонаторах имеет густой спектр паразитных колебаний, кроме того, формирование максимально плоской характеристики и ее воспроизведение при серийном изготовлении фильтров затрудняется по мере увеличения числа его звеньев. В фильтре используются одинаковые резонаторы, поэтому спектры паразитных колебаний совпадают и образуют паразитные полосы пропускания, а синусоидальный закон распределения нагруженных добротностей обеспечивается за счет выбора требуемых величин коэффициентов связи, так как собственные добротности резонаторов совпадают. Регулировка значений коэффициентов связи осуществляется путем изменения расстановки вкладышей относительно друг друга. Чем больше число звеньев, тем меньше допуски на расстановку вкладышей, что в конечной мере затрудняет воспроизведение максимально плоской характеристики фильтров при их серийном изготовлении.

Целью изобретения является формирование максимально плоской характеристики и увеличение области заграждения.

Это достигается тем, что крайние вкладыши частично заполняют волновод по ширине и полностью по высоте, а внутренние наоборот частично по высоте и полностью по ширине, причем высота (b) последних выбирается из соотношения
В > b₂ > b₃ > b_ц, где В высота запредельного волновода;
b_ц высота центрального вкладыша;
b₂, b₃. высоты внутренних вкладышей, располагающихся между одним из крайних и центральным, при этом центры элементов частотной подстройки крайних вкладышей равно удалены от стенок, параллельных широким стенкам волноводов основного тракта запредельного волновода, а внутренних вкладышей от стенок, параллельных узким стенкам волноводов основного тракта, и по крайней мере два элемента частотной настройки имеют разные диаметры.

Предложенная геометрия резонаторов обуславливает синусоидальный закон распределения собственных добротностей. В самом деле, добротнотсь вкладышей, частично заполняющих волновод по высоте, выше, чем вкладышей, частично заполняющих его по ширине, так как в первом случае замещение токов проводимости токами смещения производится в области с максимальной напряженностью электрического поля. Добротности вкладышей, частично заполняющих волновод по высоте, прямо пропорциональны величине зазора между гранями вкладышей и нижней и верхней стенками запредельного волновода, т.е. добротность растет с уменьшением b, поскольку при этом растет отношение величины токов смещения к токам проводимости. Синусоидальный закон распределения собственных добротностей априорно задает синусоидальное распределение нагруженных добротностей, поскольку при фиксированных амплитудах возбуждения резонаторы (вкладыши) с большей собственной добротностью имеют более узкие полосы пропускания и, следовательно, большие нагруженные добротности.

Таким образом, в предлагаемом фильтре синусоидальное распределение нагруженных добротностей, необходимое для формирования максимально плоской характеристики, определяется аналогичным распределением собственных добротностей, что уменьшает вклад в данное распределение коэффициентов связи. Это приводит к тому, что допуски на расстановку вкладышей, определяющие изменение коэффициентов связи, имеют относительно большие значения. Кроме того, спектры паразитных колебаний вкладышей с различной высотой взаимно расстроены и не совпадают со спектрами паразитных колебаний вкладышей, полностью заполняющих волновод по высоте. Поэтому паразитные колебания не связаны и взаимно "погашаются", что увеличивает область заграждения фильтра.

Элементы частотной подстройки расположены так, что не изменяют состава спектров собственных колебаний крайних и внутренних вкладышей. Выбирая диаметры элементов частотной подстройки различными, можно дополнительно расстраивать спектры паразитных колебаний вкладышей и регулировать в некоторых пределах величину их собственной добротности.

На фиг. 1-3 приведены проекции фильтра, где 1 входной волновод подводящего тракта, 2 отрезок запредельного волновода, 3-7 диэлектрические вкладыши (вкладыши 3, 7 частично заполняют волновод по ширине и полностью по высоте, вкладыши 4, 5, 6 частично по высоте и полностью по ширине, причем b₆ > b_ц), 8-12 подстроечные винты, 13 выходной волновод тракта.

Фильтр работает следующим образом.

Волновод подводящего тракта 1 с основной волной Н 10 возбуждает через запредельный участок волновода 2 волноводно-диэлектрический резонатор 3, который связан с резонатором 4 и т.д. Резонатор 7 связан с выходным трактом 13. Каждый резонатор настроен на рабочую частоту элементами 8 12, при этом центры элементов 8, 12 частотной подстройки крайних вкладышей равно удалены от нижней и верхней стенок запредельного волновода 2, а внутренних вкладышей 4-6 от боковых стенок. Поскольку крайние вкладыши частично заполняют волновод по ширине и полностью по высоте, то в них возбуждаются резонансы Н типов волн, а во внутренних возбуждаются резонансы LM и LE типов волн. Поэтому паразитные колебания крайних и внутренних вкладышей не связаны и взаимно погашаются. Диаметр элемента частотной подстройки вкладыша 5 больше, чем у остальных вкладышей, и подобран так, что позволяет производить подстройку его резонансной частоты без существенного уменьшения добротности. Кроме того, это приводит к дополнительной расстройке спектров паразитных колебаний резонатора 5 и 4, 6. Высота центрального вкладыша (b_ц) меньше, чем высота четвертого (b₄) и шестого (b₆) вкладышей, что определяет синусоидальный закон распределения добротностей в системе связанных резонаторов 3-7 и формирует максимально плоскую характеристику фильтра на рабочей частоте.

В практически реализованных СВЧ-фильтрах с диэлектрическими вкладышами из лейкосапфира и запредельными волноводами с покрытием из серебра в 1,5 см диапазоне волн получены устойчивые максимально плоские характеристики с относительной шириной полосы пропускания 6% и вносимыми потерями 0,3 дБ. Фильтры имеют уровень подавления паразитных резонансов не менее 35 дБ до 1,9 S_o.

Технико-экономическая эффективность предложенного СВЧ-фильтра обусловлена формированием устойчивой максимально плоской характеристики и увеличением области заграждения, что повышает эффективность СВЧ-фильтра как частотно-селективного устройства.

Использование: в аппаратуре СВЧ-диапазона в качестве частотно-селективного устройства. Сущность изобретения: между двумя волноводами основного тракта установлен отрезок прямоугольного запредельного волновода. Вдоль оси отрезка прямоугольного запредельного волновода размещены электрические вкладыши резонансных размеров. Крайние диэлектрические вкладыши имеют ширину меньше ширины отрезка прямоугольного запредельного волновода и высоту, равную его высоте. Остальные диэлектрические вкладыши имеют ширину, равную ширине отрезка прямоугольного запредельного волновода. Приведены соотношения для выбора высоты диэлектрических вкладышей, размещенных между крайними диэлектрическими вкладышами, и условия размещения элементов частотной подстройки диэлектрических вкладышей. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. СВЧ-ФИЛЬТР, содержащий два волновода основного тракта и включенный между ними отрезок прямоугольного запредельного волновода, в котором установлены диэлектрические вкладыши резонансных размеров и элементы частотной подстройки, расположенные напротив диэлектрических вкладышей, при этом диэлектрические вкладыши, размещенные между крайними диэлектрическими вкладышами, имеют ширину, равную ширине отрезка прямоугольного запредельного волновода, а их высоты меньше высоты отрезка прямоугольного запредельного волновода, отличающийся тем, что крайние диэлектрические вкладыши имеют ширины меньше ширины отрезка прямоугольного запредельного волновода и высоты b₁, равные его высоте, а высоты диэлектрических вкладышей, размещенных между крайними, выбраны из соотношения
b₂ > b₃ > b_ц,
где b_ц высота центрального диэлектрического вкладыша;
b₂, b₃ высота диэлектрических вкладышей, расположенных между одним из крайних и центральным диэлектрическими вкладышами,
причем центры элементов частотной подстройки крайних диэлектрических вкладышей равно удалены от стенок отрезка прямоугольного волновода, параллельных широким стенкам волноводов основного тракта, а центры элементов частотной подстройки остальных диэлектрических вкладышей равно удалены от его стенок, параллельных узким стенкам волноводов основного тракта. 2. СВЧ-фильтр по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере два элемента частотной подстройки выполнены в виде стержней разного диаметра.