ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ СВЧ-ФИЛЬТР Российский патент 2001 года по МПК H03H7/12 H01P1/20 

Предлагаемое изобретение относится к селективным цепям и может быть использовано для фильтрации СВЧ-колебаний большой мощности.

Полосно-пропускающие фильтры, используемые в современной технике СВЧ, из сложного сигнала, поданного на выход, выделяют полезные спектральные составляющие. Побочные спектральные составляющие фильтром отражаются или поглощаются дополнительными нагрузками.

Известны полосно-пропускающие СВЧ-фильтры [Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е. М. Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, т.2. Связь, 1972. 493 с., ил.(стр.70)], в которых используется четвертьволновая связь между отдельными резонаторами. Такие фильтры удобны в настройке, однако труднореализуемы и при полосе пропускания менее 10% имеют значительные прямые потери.

Кроме того, известны полосно-пропускающие СВЧ-фильтры с непосредственной связью между резонаторами [Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, т.2, 493 с., ил. (стр. 86)]. Конструктивно резонаторы могут быть как полуволновыми, так и четвертьволновыми. Эти фильтры имеют полосу пропускания 1...20%. Основным недостатком таких фильтров является наличие значительных отражений вне рабочей полосы частот, что препятствует их применению на больших мощностях. При этом для получения большой крутизны ската амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) необходимо выбирать большой порядок фильтра, что в свою очередь приводит к возрастанию прямых потерь.

Известен также полосно-пропускающий СВЧ-фильтр [Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е. М. Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, т.2 493 с., ил. (cтр. 321, рис. 15.01.3. а)], являющийся прототипом предлагаемого изобретения, содержащий два каскадно соединенных трехдецибельных направленных ответвителя, два согласованных в рабочей полосе частот полосовых фильтра, включенных в рабочие плечи направленных ответвителей, и две поглощающие нагрузки, подключенные к балластным выходам направленных ответвителей.

Используя теорию матриц и ориентированных графов [Силаев М.А., Брянцев С. Ф. Приложение матриц и графов к анализу СВЧ-устройств. - М.: Сов. Радио, 1970. 248 с., ил.], нетрудно показать, что рассматриваемое устройство оказывается достаточно хорошо согласованным лишь в рабочей полосе частот направленного ответвителя.

Действительно, выражение для входного коэффициента отражения фильтра имеет вид

где


S₁₂, S₁₃ - элементы матрицы рассеяния направленного ответвителя на связанных линиях;
θ - электрическая длина связанных линий;
k - коэффициент связи линий (при переходном ослаблении ответвителя 3 дБ k=0.707);
Г_пф - коэффициент отражения полосовых фильтров, включенных в рабочие плечи направленных ответвителей;

Из последнего выражения следует, что в случае Г_пф ≈ 0 в рабочей полосе частот входной коэффициент отражения Г_вх также будет равен 0.

В полосе запирания, при θ < 60^° и θ > 120^°, Г_вх существенно увеличивается, поскольку в этом диапазоне частот не равно нулю. Это приводит к значительному отражению мощности. Таким образом, полоса частот качественного согласования фильтра определяется полосой рабочих частот направленного ответвителя, которая обычно не превышает октавы.

Крутизна скатов АЧХ в данном устройстве определяется свойствами полосовых фильтров. Как уже было отмечено, получить большую крутизну ската при порядке полосовых фильтров 3...5 не представляется возможным.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение согласования в широкой полосе частот и повышение крутизны скатов АЧХ.

Поставленная задача достигается тем, что в известном полосно-пропускающем СВЧ-фильтре, содержащем трехдецибельный направленный ответвитель, две поглощающие нагрузки и два фильтра, входы которых подключены к рабочим плечам направленного ответвителя, поглощающие нагрузки соединены с выходами фильтров, которые выполнены в виде чебышевской режекторной структуры, а выходом устройства является балластное плечо направленного ответвителя.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на фиг. 1 представлена электрическая принципиальная схема предлагаемого устройства, а на фиг. 2 - график его АЧХ. На фиг. 3 изображен график АЧХ чебышевского режекторного фильтра.

Предлагаемый полосно-пропускающий СВЧ-фильтр (фиг. 1) содержит трехдецибельный направленный ответвитель 1, поглощающие нагрузки 2, чебышевские режекторные фильтры 3.

Входы чебышевских режекторных фильтров -3 соединены соответственно с выходными рабочими плечами трехдецибельного направленного ответвителя 1. Поглощающие нагрузки 2 подключены соответственно к выходам чебышевские режекторных фильтров 3. Выходом устройства является балластное плечо направленного ответвителя - 1.

Полосно-пропускающий СВЧ-фильтр работает следующим образом. Спектральные составляющие входного сигнала, попавшие в полосу пропускания фильтра, поступают на выходы рабочих плеч направленного ответвителя 1 и отражаются от входов чебышевских режекторных фильтров 3, полоса режектирования которых точно соответствует полосе пропускания предлагаемого устройства. Отраженные от чебышевских режекторных фильтров 3 спектральные составляющие попадают на выход устройства.

Спектральные составляющие входного сигнала, находящиеся вне полосы пропускания, не отражаются от чебышевских режекторных фильтров 3 и поступают в поглощающие нагрузки 2. Высокое качество согласования в широком диапазоне частот определяется только частотными свойствами поглощающих нагрузок 2 и не зависит от частотных свойств трехдецибельного направленного ответвителя 1, так как чебышевские режекторные фильтры 3 хорошо согласованы в широкой полосе частот (за исключением полосы режектирования), значительно превышающей полосу рабочих частот направленного ответвителя 1. При этом полоса рабочих частот поглощающих нагрузок 2 обычно в несколько раз превышает полосу рабочих частот направленного ответвителя 1. Вне полосы рабочих частот направленного ответвителя в каждую из нагрузок 2 будут поступать сигналы неодинаковой амплитуды, но тем не менее они не будут отражаться.

Увеличение крутизны скатов АЧХ происходит за счет того, что чебышевский режекторный фильтр имеет монотонную АЧХ в полосе режекции (которая соответствует полосе пропускания предлагаемого фильтра), и пульсирующую вне полосы режекции (см. фиг. 3). Пульсирующая АЧХ чебышевского режекторного фильтра вне полосы режекции преобразуется направленным ответвителем в АЧХ полосового фильтра с нулями коэффициента передачи, близко расположенными к рабочей полосе частот, как показано на фиг. 2 и 3.

Строгий анализ работы предлагаемого полосно-пропускающего СВЧ-фильтра проведем с помощью S-параметров СВЧ-устройств, входящих в его состав.

Как известно, коэффициент передачи и коэффициент отражения трехдецибельного направленного ответвителя по отношению к его балластному плечу описываются следующими соотношениями [Силаев М.Л., Брянцев С.Ф. Приложение матриц и графов к анализу СВЧ-устройств. - М.: Сов. Радио, 1970. 248 с., ил.]:
K = 2S₁₂ • S₁₃ • Г_рф, (1)

где Г_рф - коэффициент отражения чебышевского режекторного фильтра, на выходе которого включена согласованная нагрузка.

Поскольку чебышевский режекторный фильтр имеет Г_рф ≈ 1 в полосе режектирования и Г_рф ≈ 0 вне этой полосы, то в соответствии с выражением (2) следует, что вне полосы режектирования. В полосе режектирования также будет равен 0 за счет того, что в этом случае (см. формулу (2) и выражения для S₁₂ и S₁₃, приведенные выше).

Таким образом, данное устройство оказывается согласованным в полосе частот, значительно превышающей рабочую полосу частот направленного ответвителя. Практически качество согласования и полоса рабочих частот предлагаемого фильтра определяются качеством согласования и полосой рабочих частот поглощающих нагрузок, которые, как правило, являются сверхширокополосными устройствами.

Далее проведем определение крутизны ската АЧХ рассматриваемого полосно-пропускающего СВЧ-фильтра.

Основным элементом чебышевского режекторного фильтра, входящим в состав предлагаемого устройства, является последовательный колебательный контур (либо разомкнутый отрезок линии передачи длиной λ/4).

Для последовательного контура, включенного в тракт СВЧ, величина коэффициента передачи будет равна [Силаев М.А., Брянцев С.Ф. Приложение матриц и графов к анализу СВЧ-устройств. - М.: Сов. Радио, 1970. 248 c., ил.]

- нормированное сопротивление последовательного контура;
L_p, C_p - соответственно индуктивность и емкость последовательного контура;
R₀ - сопротивление нагрузки.

Далее находим крутизну ската АЧХ

Определяем первый сомножитель последнего соотношения

Находим второй сомножитель

Таким образом, искомое выражение имеет вид

Если чебышевский режекторный фильтр состоит из n-режекторов, то можно записать:

В последнем выражении определяем функцию режектора при небольших расстройках от резонансной частоты

Здесь введено обозначение - постоянная времени режектора.

Далее доказательство повышения крутизны проведем на примере узкополосного фильтра со следующими параметрами: f₀ = 480 МГц; Δf = 10 МГц; n = 3. Расчет чебышевского режекторного фильтра в виде трех последовательных контуров, разделенных четвертьволновыми отрезками линий передачи с указанными выше параметрами, был проведен по методике (Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, т.2, Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т., 1971, стр. 194 -198]. В результате расчета были получены следующие значения параметров: L₁ = L₃ = 720 нГ L₂ = 554 нГ; R₀ = 75 Ом.

По рассчитанному τ_p= L₁/R₀= 10•10^-9 определяем величину :

Как известно, АЧХ чебышевского режекторного фильтра имеет вид, показанный на фиг. 3. Соотношение между частотами в таком фильтре удовлетворяет следующему очевидному соотношению:

По соотношению для ω_1,2 находим соответственно ω_1,p и ω_2,p (см. фиг. 2 и 3)


где К₁ - коэффициент передачи чебышевского режекторного фильтра на краях полосы пропускания предлагаемого полосно-пропускающего фильтра (см. фиг. 3).

С помощью последних выражений находим Δω_p

Далее проводим нормирование

В последнее выражение подставим: n=3;
После вычислений получим следующее значение:

Для сравнения, оценим разность между частотами режекции в кауэровском полосно-пропускающем фильтре третьего порядка при тех же исходных данных.

Как известно [Ханзел Г. Е. Справочник по расчету фильтров. США, 1969. Пер. с англ. под ред. Л.Е.Знаменского. М., Сов. Радио, 1974.], для кауэровского фильтра справедливы следующие соотношения:


где Δω_p=Ω_p•Δω;
Δω = ω₂ - ω₁ - полоса пропускания полосового фильтра;
Ω_p - нормированная частота режекции.

Для ε = 0,05 дБ, n = 3, Ω_p= 4.75 , Δf = 10•10⁶ Гц находим
Сравнивая два значения, для видно, что предлагаемый фильтр имеет выигрыш по крутизне ската АЧХ в .

Физически это означает, что предложенное устройство соответствует свойствам мостового фильтра. Функцию фазоинвертирующего трансформатора, являющегося основным элементом мостовых фильтров, при указанных в формуле изобретения связях между элементами выполняет направленный ответвитель. Отметим, что в СВЧ-диапазоне реализовано лишь несколько типов чебышевских и кауэровских фильтров. При этом мостовые фильтры СВЧ в настоящее время не разработаны, однако именно они обладают максимально возможной крутизной ската АЧХ.

Кроме теоретического доказательства, приведенного выше, было проведено моделирование частотных свойств предлагаемого фильтра в среде PSPICE для значений f₀ = 480 МГц и Δf = 10 МГц. В качестве чебышевских режекторных фильтров были взяты симметричные фильтры в виде трех последовательных контуров, разделенных четвертьволновыми отрезками линий передачи с рассчитанными выше параметрами. Результаты моделирования представлены в таблице.

Как следует из таблицы, f_1p = 470 МГц, f_2p = 490 МГц. Далее находим . Это значение вполне удовлетворительно соответствует значению, полученному выше теоретически.

Кроме того, отметим, что достоинством предложенного фильтра является большая нагрузочная способность по уровню подводимой мощности, так как мощность входного сигнала делится поровну между двумя рабочими плечами направленного ответвителя.

Изобретение относится к устройствам СВЧ и может быть использовано для фильтрации высокочастотных колебаний большой мощности, что обеспечивает минимальный уровень внеполосного излучения радиопередающих устройств различного назначения. Полосно-пропускающий СВЧ-фильтр содержит трехдецибельный направленный ответвитель, две поглощающих нагрузки, два чебышевских режекторных фильтра, входы которых подключены к рабочим плечам направленного ответвителя, а выходы соединены с поглощающими нагрузками, при этом выходом устройства является балластное плечо направленного ответвителя. Техническим результатом является обеспечение высокой крутизны скатов амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и высокого качества согласования как в полосе пропускания, так и в полосе фильтрации. Это обусловлено трансформацией АЧХ двух чебышевских режекторных фильтров с помощью направленного ответвителя в АЧХ полосно-пропускающего типа. 3 ил., 1 табл.

Полосно-пропускающий СВЧ-фильтр, содержащий 3дБ направленный ответвитель, две поглощающие нагрузки и два режекторных фильтра, входы которых подключены к рабочим плечам направленного ответвителя, отличающийся тем, что поглощающие нагрузки соединены с выходами режекторных фильтров, которые имеют чебышевскую амплитудно-частотную характеристику, а выходом устройства является балластное плечо направленного ответвителя.