СВЧ-ФИЛЬТР Российский патент 1998 года по МПК H01P1/207 

Описание патента на изобретение RU2111583C1

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано при создании частотно-селективных приборов (фильтров) и корректоров амплитудно-частотных характеристик.

Известен фильтр на диэлектрическом резонаторе кубической формы, содержащий диэлектрический резонатор с тремя взаимно ортогональными резонирующими типами колебаний, образующими три резонатора, подводящую и отводящую микрополосковые линии, которые связаны щелевыми элементами связи с первым и третьим резонаторами соответственно, три регулировочных элемента (винта) для подстройки резонансных частот каждой из мод и два элемента связи между соседними резонаторами, образующими структуру полосно-пропускающего фильтра из трех каскадно связанных друг с другом резонаторов (авторское свидетельство СССР N 1317524 кл. H 01 P 1/20, 1987).

Недостатком данного технического решения является значительное ослабление, вносимое таким фильтром в полосе частот пропускания, высокий уровень неравномерности группового времени запаздывания в полосе пропускания фильтра, а также большое количество необходимых элементов связи, усложняющих конструкцию и регулирование прибора.

Известен СВЧ-фильтр, который по общности решаемых задач и конструктивному выполнению наиболее близок к предлагаемому изобретению и выбран в качестве прототипа (патент США N 4167713, кл. H 01 P 1/20, 1979).

СВЧ-фильтр по патенту N 4167713 содержит два резонатора, образующих ряд звеньев фильтра в одном общем резонансном объеме, работающем на двух взаимно ортогональных типах колебаний, входные и выходные элементы связи, соединенные соответственно с соединительными линиями, и два элемента регулирования резонансной частоты каждого типа колебаний.

Недостатком данного технического решения является значительное ослабление, вносимое таким фильтром в полосе частоты пропускания, высокий уровень неравномерности группового времени запаздывания в полосе пропускания фильтра, а также большое количество необходимых элементов связи, усложняющих конструкцию и регулирование прибора.

Этот недостаток возникает из-за каскадного соединения резонаторов фильтра, когда первый резонатор своим входным элементом связи подключен к соединительной линии, а выходным элементом - к входному элементу связи второго резонатора, который выходным элементом связи подключен к следующему резонатору или к соединительной линии. При таком каскадном соединении все частотные составляющие спектра полезного сигнала проходят с входа фильтра на выход через все резонаторы, каждый вносит свои суммирующиеся ослабления и искажения, а необходимость ограничивать связь между парами взаимно ортогональных типов колебаний приводит к появлению дополнительного регулировочного элемента в каждом двухмодовом резонаторе.

Задачей настоящего изобретения является создание СВЧ-фильтра, не имеющего вышеуказанных недостатков и обладающего новыми характеристиками.

Сущность изобретения в том, что в известном СВЧ-фильтре, содержащем два резонатора, образующих ряд звеньев фильтра в одном общем резонансном объеме, работающем на двух взаимно ортогональных типах колебаний, входные и выходные элементы связи, соединенные соответственно с соединительными линиями, и два элемента регулирования резонансной частоты каждого типа колебаний, входной и выходной элементы связи электрически связаны с обоими резонаторами, причем входной и выходной элементы связи расположены под углом около 90o друг к другу и под углом около 45o к элементам регулирования резонансной частоты каждого типа колебаний.

На фиг. 1 показана конструкция предлагаемого СВЧ-фильтра; на фиг. 2 (а, б, в) - его низкочастотная эквивалентная схема; на фиг. 3 - векторы электрических составляющих электромагнитных полей двух взаимо ортогональных типов колебаний; на фиг. 4 (а и б) - частотная характеристика коэффициента передачи предлагаемого СВЧ-фильтра; на фиг. 5 - фазочастотная характеристика предлагаемого СВЧ-фильтра; на фиг. 6 - низкочастотная эквивалентная схема СВЧ-фильтра из сосредоточенных элементов прототипа; на фиг. 7 - двухполосная частотная характеристика предлагаемого СВЧ-фильтра.

Предлагаемый СВЧ-фильтр (фиг. 1) содержит двухмодовый резонатор (РЕЗ2М), выполненный на волноводе круглого сечения. Входной элемент связи (B1) и выходной элемент связи (B2) выполнены в виде овальных отверстий, соединенных соответственно с входной (Bx) и выходной (Вых) соединительными линиями, выполненными в виде двух прямоугольных волноводов, и два элемента (P1 и P2) регулирования резонансных частот двух типов колебаний, выполненных в виде винтов. Входной и выходной элементы связи (B1 и B2) расположены под углом около 90o друг к другу и под углом около 45o к регулировочным элементам, причем элементы (P1 и P2) регулирования резонансных частот расположены также под углом около 90o друг к другу. Резонаторы СВЧ-фильтра настроены на разные резонансные частоты.

На эквивалентной схеме СВЧ-фильтра (см. фиг. 2а) конденсаторы (C1 и C2) и индуктивности (L1 и L2) образуют последовательно соединенные резонаторы (R1 и R2), имеющие трансформаторную связь с соединительными линиями.

На эквивалентной схеме СВЧ-фильтра (см. фиг. 2б) резонаторы (R1 и R2) соединены последовательно.

На фиг. 2в показана схема замещения резонаторов на эквивалентные последовательно комплексные сопротивления (Z1 и Z2) для анализа частотных характеристик предлагаемого СВЧ-фильтра.

На фиг. 3 показаны вектора электрических составляющих электромагнитных полей двух взаимо ортогональных типов колебаний (E1 и E2) и их ориентация во внутренней области резонатора (РЕЗ2М) и относительно входного и выходного элементов связи (B1 и B2), а также векторные диаграммы, показывающие режимы возбуждения двух типов колебаний (E1 и E2) входным полем (Eвх), поступающим из входной соединительной линии (Вх) через входной элемент связи (B1), и режим возбуждения выходного поля (Eвх) в выходной соединительной линии (Вых) через выходной элемент связи (B2) двумя типами колебаний (E1 и E2).

Частотная характеристика коэффициента передачи (Kп) (см. фиг. 4,а) при совпадении резонансных частот (Fp1 и Fp2) двух типов колебаний показана сплошной линией, частотная характеристика коэффициента передачи первого резонатора показана точечной линией, а второго резонатора - пунктирной линией.

Предлагаемый СВЧ-фильтр работает следующим образом.

Через входную соединительную линию (Вх) и входной элемент связи (B1) в резонатор (РЕЗ2М) (см. фиг. 1) поступает электромагнитная энергия в виде колебания с электрической составляющей (Eвх), перпендикулярной входному отверстию - входному элементу связи (B1). Колебание (Eвх) может быть предварительно в виде двух взаимо ортогональных синфазных колебаний (E1 и E2). Резонансная частота резонатора (РЕЗ3М) для первого типа колебаний (E1) регулируется элементом (P1), а для второго типа колебаний (E2) - элементом (P2).

Рассмотрим отдельно колебания (E1 и E2) при возбуждении ими выходного отверстия - выходного элемента связи (B2) и следующей за ним выходной соединительной линии (Вых). Из теории электродинамики известно, что щель возбуждается той составляющей поля, у которой вектор, характеризующий электрическое поле, перпендикулярен широкой стороне щели. Поэтому выходной элемент связи (B2) и следующая за ним соединительная линия будут возбуждаться составляющими колебаний (E1 и E2) (см. фиг. 3). Колебания (E1 и E2) направлены в противоположные стороны, что при равенстве резонансных частот (Fp1 и Fp2) типов колебаний резонатора (РЕЗ2М) приведет к противофазному возбуждению выходного элемента связи (B2) колебаниями равной амплитуды. При этом колебания (E1 и E2) полностью взаимно компенсируют друг друга и не происходит никакой передачи энергии через СВЧ-фильтр. Коэффициент передачи (Kп) равен нулю на любой частоте - сплошная линия характеристики (см. фиг. 4,а).

При различии резонансных частот (Fp1 и Fp2) типов колебаний резонатора (РЕЗ2М) в области этих резонансных частот появляется характеристика фильтра с коэффициентом передачи, близким к 1 в области II (см. фиг. 4,б) и крутыми скатами амплитудно-частотной характеристики вдали от резонансных частот (Fp1 и Fp2) в областях I и III (см. фиг. 4,б). Эти свойства предлагаемого СВЧ-фильтра могут быть объяснены с помощью эквивалентной схемы (см. фиг. 2,в), где резонаторы фильтра представлены в виде последовательно соединенных комплексных сопротивлений (Z1 и Z2). Следует отметить, что при равенстве резонансных частот (Fp1 и Fp2)значения комплексных сопротивлений (Z1 и Z2) равны по модулю и противоположны по знаку. Эквивалентное сопротивление СВЧ-фильтра равно сумме комплексных сопротивлений (Z1 и Z2) и будет равно нулю на любой частоте, что соответствует режиму короткого замыкания и полному отсутствию передачи энергии в выходную соединительную линию.

В случае, когда резонансные частоты резонансов (Fp1 и Fp2) с помощью регулировочных элементов (P1 и P2) настроены на различные значения, в области II (см. фиг. 5) в значения сопротивлений оказываются существенно отличными друг от друга и в векторном представлении оказываются повернутыми один по отношению к другому на угол около 90o, что при сложении дает значение по модулю больше, чем каждый из складываемых векторов. При этом коэффициент передачи (Кп) предлагаемого фильтра становится больше, чем коэффициент передачи по любому отдельному резонатору (R1 или R2) (см. фиг. 4,б).

В области I комплексные сопротивления (Z1 и Z2) имеют почти чисто индуктивный характер и малую величину. В области III комплексные сопротивления (Z1 и Z2) имеют почти чисто емкостной характер и малую величину.

Фазовая характеристика (см. фиг. 5) показывает, что векторы, характеризующие комплексные сопротивления (Z1 и Z2), повернуты друг относительно друга на угол, близкий к 180o в областях I и III. Сложение таких малых, близких по модулю и почти противоположных по направлению векторов при определении эквивалентного сопротивления СВЧ-фильтра дает величину существенно меньшую, чем любая из складываемых величин, что объясняет резкое уменьшение коэффициента передачи (Кп) СВЧ-фильтра в областях I и III по сравнению с коэффициентом передачи любого из резонаторов СВЧ-фильтра (см. фиг. 4,б).

По приведенным выше рассуждениям были сделаны предположения, что предлагаемый СВЧ-фильтр будет иметь высокую линейность фазочастотной характеристики (низкий уровень неравномерности группового времени запаздывания - НГВЗ), малые вносимые потери в полосе пропускания по сравнению с фильтрами с каскадно соединенными резонаторами с такой же крутизной скатов АЧХ и такой же полосой пропускания, определяемой по такому же уровню коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН).

Эквивалентная схема (см. фиг. 2,б) была проанализирована с помощью ЭВМ, в результате чего были получены ожидаемые характеристики. По крутизне скатов АЧХ предлагаемый СВЧ-фильтр с двумя резонаторами соответствует фильтру с чебышевской характеристикой (ЧХ) из трех каскадно соединенных резонаторов при одинаковых ширине полосы пропускания и уровню КСВН в полосе пропускания, при этом предлагаемый СВЧ-фильтр дает значение НГВЗ в полосе пропускания в 10 - 30 раз меньше, чем у трехрезонаторного фильтра с чебышевской характеристикой.

Для создания предлагаемых СВЧ-фильтров могут использоваться круглые и квадратные волноводы, а так же волноводы овального прямоугольного сечений для облегчения обеспечения резонанса резонансных частот (E1 и E2).

Для обеспечения широкой полосы области III частотной характеристики предлагаемого СВЧ-фильтра без паразитных полос пропускания могут быть использованы, например, крестообразные диэлектрические резонаторы.

В качестве соединительных линий в предлагаемом СВЧ-фильтре могут использоваться любые известные линии: волноводы, коаксиалы, микрополоски в любых комбинациях по входу и выходу, а в качестве элементов связи могут использоваться любые известные элементы: отверстия связи, электрические зонды, магнитные петли в любых комбинациях по входу и выходу.

Исследования частотных характеристик нескольких макетов предлагаемых СВЧ-фильтров показали следующие результаты:
1. В области I крутизна ската АЧХ предлагаемого СВЧ-фильтра равна крутизне ската АЧХ аналогичного трехрезонаторного фильтра с чебышевской характеристикой (ЧХ) с такой же полосой пропускания.

2. В области II ослабление, вносимое предлагаемым СВЧ-фильтром в полосе пропускания, примерно в два раза меньше, чем у аналогичного трехрезонаторного фильтра с ЧХ, а характеристика НГВЗ оказалась ниже минимального предела измерения измерительного прибора, в то время как аналогичного трехрезонаторного фильтра с ЧХ - около 2 нс. При каскадно соединении двух одинаковых макетов предлагаемого СВЧ-фильтра характеристика НГВЗ оказалась около 0,1 нс.

3. В области III крутизна ската АЧХ предлагаемого СВЧ-фильтра оказалась существенно ниже из-за близости паразитных полос пропускания на высших типах колебаний.

4. Габариты предлагаемого СВЧ-фильтра в 2 раза меньше, чем у аналогичного трехрезонаторного фильтра с ЧХ.

При исследовании макетов предлагаемого СВЧ-фильтра была проверена возможность создания двухполосных фильтров, характеристики которых имеют вид, показанный на фиг. 7. Такие характеристики легко получают посредством перестройки резонаторов (R1 и R2) с помощью элементов регулировки (P1 и P2), причем изменение резонансной частоты (Fp) одного из резонаторов не оказывает заметного влияния на ту часть характеристики фильтра, которая определяется резонансом второго резонатора. При этом крутизна ската АЧХ каждой из полос пропускания за счет сужения в несколько раз меньше, чем у резонатора, охватывающего обе рабочие полосы пропускания одной общей полосой пропускания.

Такие фильтры могут найти применение в трактах с двумя или несколькими разнесенными по частоте сигналами, при этом требуемые характеристики будут получаться при помощи меньшего количества резонаторов, чем у однополосных фильтров, и будет обеспечиваться независимое регулирование в каждой из полос пропускания.

Кроме того, предлагаемый СВЧ-фильтр вместе с парой вентилей на входе и выходе может эффективно использоваться как проходной корректор АЧХ.

Высокие технические характеристики предлагаемого СВЧ-фильтра при простоте его конструктивного выполнения обуславливают практическую применимость изобретения.

Похожие патенты RU2111583C1

название год авторы номер документа
СВЧ ФИЛЬТР 1998
  • Кисляков Ю.В.
  • Осипов П.А.
  • Рожков В.Н.
RU2150769C1
Микрополосковый полоснопропускающий фильтр 1985
  • Исаенко Владимир Николаевич
  • Бражник Николай Константинович
  • Пасиякас Ионас Иозович
SU1261032A1
МУЛЬТИПЛЕКСОР 1998
  • Кисляков Ю.В.
  • Осипов П.А.
  • Рожков В.Н.
RU2150770C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ 2015
  • Совлуков Александр Сергеевич
RU2579359C1
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИЕМНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ 1998
  • Яровиков В.И.
  • Баженов А.А.
RU2159427C2
СВЧ-мультиплексор 2017
  • Мещанов Валерий Петрович
  • Царев Владислав Алексеевич
  • Шалаев Павел Данилович
  • Кац Борис Маркович
RU2645033C1
ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ СВЧ-ФИЛЬТР 2000
  • Хрусталев В.А.
  • Востряков Ю.В.
  • Разинкин В.П.
  • Рубанович М.А.
RU2174737C2
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ 2010
  • Совлуков Александр Сергеевич
RU2427851C1
МИНИАТЮРНЫЙ ПОЛОСКОВЫЙ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР 2018
  • Беляев Борис Афанасьевич
  • Сержантов Алексей Михайлович
  • Лексиков Александр Александрович
  • Савишников Максим Олегович
  • Бальва Ярослав Федорович
  • Лексиков Андрей Александрович
  • Дмитриев Дмитрий Дмитриевич
RU2710386C2
УПРАВЛЯЕМЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ 2010
  • Беляев Борис Афанасьевич
  • Лексиков Александр Александрович
  • Сержантов Алексей Михайлович
  • Изотов Андрей Викторович
  • Лемберг Константин Вячеславович
RU2431221C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 111 583 C1

Реферат патента 1998 года СВЧ-ФИЛЬТР

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано при создании частотно-селективных приборов (фильтров) и корректоров амплитудо-частотных характеристик. СВЧ-фильтр содержит двухмодовый резонатор, выполненный на волноводе круглого сечения, два элемента связи и в виде овальных отверстий, соединенных соответственно с соединительными линиями, выполненными в виде двухпрямоугольных волноводов, и два элемента регулирования резонансных частот двух типов колебаний, выполненных в виде винтов. Элементы связи расположены под углом около 90o друг к другу и под углом около 45o к регулировочным элементам, причем элементы регулирования резонансных частот расположены также под углом около 90o друг к другу. Резонаторы СВЧ-фильтра настроены на разные резонансные частоты. Предлагаемый СВЧ-фильтр имеет высокую линейность фазочастотной характеристики (низкий уровень неравномерности группового времени запаздывания -НГВЗ) и малые вносимые потери в полюсе пропускания по сравнению с фильтрами с каскадно соединенными резонаторами с такой же крутизной скатов АЧХ и такой же полосой пропускания, при этом габариты предлагаемого СВЧ-фильтра в 2 раза меньше, чем у аналогичного трехрезонаторного фильтра ЧХ. 7 ил.

Формула изобретения RU 2 111 583 C1

СВЧ фильтр, содержащий два резонатора, образующих ряд звеньев фильтра в одном общем резонансном объеме, работающем на двух взаимоортогональных типах колебаний, входные и выходные элементы связи, соединенные соответственно с соединительными линиями, и два элемента регулирования резонансной частоты каждого типа колебаний, отличающийся тем, что входной и выходной элементы связи электрически связаны с обоими резонаторами, причем входной и выходной элементы связи расположены под углом около 90o друг к другу и под углом около 45o к элементам регулирования резонансной частоты каждого типа колебаний.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1998 года RU2111583C1

US, патент, 4167713, кл
Печь для непрерывного получения сернистого натрия 1921
  • Настюков А.М.
  • Настюков К.И.
SU1A1
SU, авторское свидетельство, 1317524, кл
Печь для непрерывного получения сернистого натрия 1921
  • Настюков А.М.
  • Настюков К.И.
SU1A1

RU 2 111 583 C1

Авторы

Рожков Владимир Николаевич

Даты

1998-05-20Публикация

1995-03-10Подача