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

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 90^o друг к другу и под углом около 45^o 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 90^o друг к другу и под углом около 45^o к регулировочным элементам, причем элементы (P₁ и P₂) регулирования резонансных частот расположены также под углом около 90^o 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 (E_вх), поступающим из входной соединительной линии (Вх) через входной элемент связи (B₁), и режим возбуждения выходного поля (E_вх) в выходной соединительной линии (Вых) через выходной элемент связи (B₂) двумя типами колебаний (E₁ и E₂).

Частотная характеристика коэффициента передачи (K_п) (см. фиг. 4,а) при совпадении резонансных частот (F_p1 и F_p2) 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 (E_вх), перпендикулярной входному отверстию - входному элементу связи (B₁). Колебание (E_вх) 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 (F_p1 и F_p2) 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 (K_п) равен нулю на любой частоте - сплошная линия характеристики (см. фиг. 4,а).

При различии резонансных частот (F_p1 и F_p2) 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 (F_p1 и F_p2) 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 (F_p1 и F_p2)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 (F_p1 и F_p2) 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 90^o, что при сложении дает значение по модулю больше, чем каждый из складываемых векторов. При этом коэффициент передачи (К_п) 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 180^o 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 (К_п) 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 (F_p) 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.

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 90^o друг к другу и под углом около 45^o к регулировочным элементам, причем элементы регулирования резонансных частот расположены также под углом около 90^o 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.

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 90^o друг к другу и под углом около 45^o к элементам регулирования резонансной частоты каждого типа колебаний.