ВОЛНОВОДНЫЙ ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР Российский патент 1996 года по МПК H01P1/219 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в частотно-избирательных устройствах.

Известные волноводные полосовые фильтры, как правило, строятся по схеме последовательного включения в волновод отдельных сосредоточенных неоднородностей (штырей, диафрагм и т.п.), которые можно представить в виде эквивалентной линии с каскадно включенными в нее связанными колебательными контурами [1] Параметры контуров и элементов связи между ними подбираются таким образом, чтобы отраженные волны в пределах полосы пропускания фильтра вычитались, обеспечивая малые проходные потери, а в пределах полосы заграждения суммировались, создавая значительное затухание. Фильтры, построенные по такому принципу, имеют большие габариты, так как представляют собой регулярные волноводы с последовательно включенными неоднородностями. Например, фильтр гармоник телевизионной радиостанции I и III диапазонов "АТРС-50/5" [2] цилиндрической формы, имея диаметр d 160 мм и длину L 1250 мм, при полосе пропускания 150-250 МГц обеспечивает подавление гармоник (второй, третьей, четвертой) до 70 дБ.

Известны [3] волноводные полосовые фильтры, содержащие входной и выходной отрезки регулярного прямоугольного волновода и отрезок запредельного прямоугольного волновода, в котором размещена структура из периодически включенных неоднородностей в виде настроечных штырей, расположенных друг за другом по центру волновода на малом электрическом расстоянии друг от друга. В фильтре [4] неоднородности представляют собой емкостные нагрузки, выполненные в виде двух параллельных гребенок плоских штырей, смещенных на одинаковое расстояние относительно продольной оси отрезка запредельного прямоугольного волновода и закрепленных соответственно на его нижней и верхней широких стенках. При этом плоские штыри в параллельных гребенках установлены друг против друга с частичным перекрытием по высоте, имеют одинаковую ширину и расположены вдоль продольной оси отрезка запредельного волновода.

Известны [3] волноводные полосовые фильтры, содержащие круглый запредельный волновод, возбуждаемый рамками, в который периодически включены неоднородности, выполненные в виде диэлектрических круглых шайб, наличие которых создает условия распространения волны типа H₁₁ в круглом волноводе. Основным недостатком такого фильтра являются значительное затухание сигналов в полосе прозрачности за счет омических потерь в стенках волновода при фиксированном их подавлении в полосе загружения и значительные габариты.

По принципу действия последний аналог наиболее близок к предлагаемому изобретению и может быть выбран в качестве прототипа.

Целью предлагаемого изобретения является создание малогабаритного волноводного полосового фильтра, обеспечивающего значительное подавление сигналов в полосе загружения при минимальных омических потерях электромагнитной энергии в полосе прозрачности.

Указанная цель достигается тем, что в круглый запредельный волновод диаметром 2b<λ3,42, где λ длина волны электромагнитного поля в среде, заполняющей волновод, включены неоднородности в виде системы металлических рамок диаметром 2а < 2b, расположенных соосно волноводу на одинаковом расстоянии Т₁ друг от друга таким образом, что выполняется условие В каждую рамку включены с периодом одинаковые конденсаторы, емкость которых равна

где ω круговая частота, соответствующая нижней границе полосы прозрачности фильтра;


ε_a диэлектрическая постоянная среды, заполняющей волновод;
μ_a магнитная постоянная среды, заполняющей волновод.

В круглом запредельном волноводе с описанной выше системой неоднородностей распространяется волна типа H₀₁.

Поскольку критическая частота волны H₀₁ более чем в два раза выше частоты основной волны круглого волновода H₁₁, для реализации подавления сигналов вне полосы прозрачности фильтра, которое обусловлено затуханием волн в запредельном волноводе, длина L предлагаемого устройства может быть меньше длины фильтра-прототипа, построенного на основе запредельного волновода с системой неоднородностей, создающей условия распространения волны типа H₁₁, при реализации больших значений затухания сигналов вне полосы прозрачности. Этим достигаются вторая и третья цели предлагаемого изобретения.

Учитывая, что волна типа H₀₁ имеет самое малое затухание за счет омических потерь в стенках волновода из всех возможных типов волн, предлагаемое устройство также будет обладать малыми потерями в полосе прозрачности. Этим, следовательно, достигается первая цель предлагаемого изобретения.

Как следует из формулы (1), емкость Сн минимальна при условии Уменьшение Сн расширяет возможности реализации конденсаторов и снижает затухание в полосе прозрачности фильтра за счет уменьшения омических потерь в конденсаторах.

На рисунках (фиг. 1а) изображена конструкция предлагаемого волноводного фильтра. Она содержит круглый запредельный волновод 1, в котором размещена периодическая система неоднородностей в виде соосных волноводу металлических рамок 2, в каждую из которых включены конденсаторы 3, и два возбудителя 4, выполненные, например, в виде экранированных рамок из коаксиального кабеля.

Фильтр работает следующим образом. Для обеспечения подавления сигналов вне полосы прозрачности используется явление сильного затухания электромагнитной волны в запредельном волноводе, а для реализации их прохождения в полосе прозрачности явление "просветления" запредельного волновода путем введения в него периодической системы неоднородностей. Так как коэффициент затухания волны в запредельном волноводе однозначно определяется его поперечными размерами, то при выборе определенного диаметра 2b и длины L волновода степень подавления внеполосных сигналов гарантируется без настройки. С другой стороны, поскольку в полосе прозрачности фильтра распространение волны H₀₁ обусловлено наличием системы неоднородностей в виде металлических рамок с включенными в них конденсаторами, то при точной реализации емкостей Сн (например, путем предварительной калибровки) режим "просветления" волновода также гарантируется без настройки. Для повышения точности реализации емкостей Сн при использовании, например, технологии изготовления печатных плат предлагается металлические рамки выполнять в виде (см. рисунок фиг. 1б) двух колец из ленточных металлических проводников одинаковой ширины Δ и радиусами a₁= a+ρ, a₂= a-ρ, где 2ρ величина промежутка между кольцами соответственно. В каждом кольце по периметру на одинаковом расстоянии 2Т₂ друг от друга прорезаны N щелей шириной d<T₂. Кольца должны располагаться таким образом, чтобы щели одного кольца были сдвинуты по окружности относительно щелей другого кольца на отрезок длиной Т₂. Количество щелей N, геометрические размеры Δ d,ρ связаны с емкостью Сн следующим образом:

где ε относительная диэлектрическая постоянная среды между двумя кольцами;
l₀ длина волны в свободном пространстве, соответствующая частоте ω
Выражение (1) справедливо, если выполняется условие
max{T₁,T₂}<2π(b-a),
которое используется для определения допустимых значений периодов Т₁, T₂ при выбранном диаметре волновода.

Пример реализации предлагаемого полосового фильтра. Фильтр выполнен в виде круглого волновода диаметром 2b 100 мм, длиной L 230 мм. Периодическая система неоднородностей выполнена в виде коаксиально расположенных рамок диаметром 2а 59 мм из ленточных проводников шириной Δ 8 мм. Период размещения рамок в структуре Т₁ 10 мм, период включения конденсаторов в рамки Т₂ 47 мм, емкость конденсаторов Сн 20 пФ. Возбудители выполнены в виде резонансных экранированных рамок диаметром d 59 мм из коаксиального кабеля. Амплитудно-частотная характеристика реализованного фильтра изображена на фиг. 2а, б в двух диапазонах частот.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки
Маттей Д. Л. Янг Л. Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. М. Связь, 1971, 1972. Т. 1, 2.

2. Филатов В.В. Фидерные устройства автоматизированной телевизионной радиостанции I и III диапазонов "АТРС-50/5" //Техника средств связи. Сер. Техника радиосвязи, вып. 8, 1989.

3. Кириллов Л.Г. Двоскин Ю.Н. СВЧ устройства на запредельных волноводах //Зарубежная радиоэлектроника, 1974, N 3.

4. Терешин О. Н. Седов В.М. Пригода Б.А. Волноводный полосовой фильтр. Заявка на предполагаемое изобретение N 4780260 от 08.01.90 (Положительное решение от 13.05.91 г.), а.с. N 1767995.

Использование: в частотно-избирательных узлах и цепях радиоэлектронной аппаратуры. Сущность изобретения: волноводный полосовой фильтр содержит круглый запредельный волновод с размещенной в нем периодической системой соосных металлических рамок, в каждую из которых по периметру включены конденсаторы. Приведено выражение для выбора величины емкости конденсаторов и радиуса металлических рамок. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Волноводный полосовой фильтр, содержащий круглый запредельный волновод диаметром 2b, размещенную в нем периодическую систему неоднородностей и возбудители в виде рамочных антенн, отличающийся тем, что периодическая система неоднородностей выполнена в виде соосных круглому запредельному волноводу, размещенных на одинаковом расстоянии T₁ одна от другой металлических рамок диаметром 2a < 2b, в которые по периметру с периодом Т₂ включены конденсаторы емкостью

где ω круговая частота, соответствующая нижней границе полосы прозрачности волноводного полосового фильтра;


ε_a и μ_a диэлектрическая и магнитная постоянные среды, заполняющей круглый запредельный волновод. 2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что радиус металлических рамок выбран равным
3. Фильтр по пп. 1 или 2, отличающийся тем, что каждая металлическая рамка с включенными в нее конденсаторами выполнена в виде двух концентрических колец из ленточного проводника шириной Δ, радиусы которых равны a+ρ, a-ρ соответственно, где 2ρ расстояние между кольцами, а в каждом кольце с периодом 2Т2 прорезаны щели шириной d, причем щели в одном кольце сдвинуты относительно щелей в другом кольце на расстояние Т₂, величина которого выбрана с учетом равенства

где ε относительная диэлектрическая постоянная среда между двумя кольцами,
l_o длина волны в свободном пространстве, соответствующая частоте ω.