УЗКОПОЛОСНЫЙ СВЧ ФИЛЬТР Российский патент 2002 года по МПК H01P1/20 H01P7/00 

Изобретение относится к частотно-избирательным устройствам и может быть использовано для фильтрации узкополосных высокочастотных колебаний.

Полосно-пропускающие фильтры, используемые в радиотехнических устройствах и системах, из сложного сигнала, поданного на вход, выделяют полезные спектральные составляющие. Внеполосные спектральные составляющие фильтром отражаются и в нагрузку не поступают.

Известны узкополосные цепочечные фильтры на сосредоточенных LC-элементах [Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М., 1990. - 256 с., ил. (с.29-44)]. Эти фильтры применяются в диапазоне частот до нескольких сотен МГц и имеют хорошую физическую реализуемость катушек индуктивности и конденсаторов для полосы рабочих частот V_п = (10-20)%. Для более узкой полосы V_п добротность LC-элементов оказывается недостаточной, что приводит к существенному увеличению прямых потерь, особенно в многоконтурных фильтрах. Это следует из известного соотношения неопределенности [Справочник по элементам полосковой техники/ Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.И., Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р./ Под ред. А.Л. Фельдштейна. - М.: Связь, 1979. - 336 с., ил. (с.212)]:
(а_о/n)•V_п=А_о, (1)
где a_о - прямые потери фильтра; n - количество контуров фильтра; А_о - постоянная величина, обратно пропорциональная собственной добротности контуров
Известны также узкополосные фильтры на основе параллельных контуров с частичным включением [Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, Блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М., 1990. - 256 с., ил. (с.40, рис.1.45)]. При выборе оптимальных коэффициентов включения контуров удается реализовать фильтр с полосой пропускания V_п = (5-10)%. Для фильтров с полосой пропускания V_п = (1-5)% метод частичного включения параллельных контуров не позволяет обеспечить приемлемый уровень прямых потерь. При этом паразитные монтажные емкости искажают частотные характеристики, особенно в многоконтурных фильтрах.

Кроме того, известен узкополосный СВЧ фильтр, являющийся прототипом предлагаемого изобретения, содержащий два или три каскадно включенных полосно-пропускающих фильтра [Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М., 1990. - 256с., ил. (с.153-154)] Анализ этой структуры позволяет сделать вывод о том, что в данном случае упрощается настройка, обеспечивается лучшая равномерность АЧХ (амплитудно-частотная характеристика), однако прямые потери имеют значительную величину из-за низкого волнового сопротивления параллельных контуров

где R - сопротивление нагрузки фильтра; g₁ - первый нормированный элемент низкочастотного прототипа.

Параллельные контура с низким волновым сопротивлением имеют небольшую величину собственной добротности Q, что приводит согласно (1) к увеличению прямых потерь
Задачей предлагаемого изобретения является создание узкополосного СВЧ фильтра с малым уровнем прямых потерь.

Поставленная задача достигается тем, что в известном фильтре, состоящем из трех каскадов, первый и третий каскады выполнены в виде режекторных фильтров, при этом полоса режекции первого фильтра расположена ниже полосы рабочих частот, полоса режекции третьего фильтра расположена выше полосы рабочих частот, а полоса пропускания второго полосно-пропускающего фильтра равна сумме полосы рабочих частот и частотных полос режекции первого и третьего режекторных фильтров.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на фиг. 1 изображена структурная схема узкополосного СВЧ фильтра, а на фиг.2 графики АЧХ каскадно включенных устройств.

Предлагаемый узкополосный СВЧ фильтр содержит: режекторные фильтры 1 и 2, выполненные, например, на последовательных контурах, расположенных соответственно на расстоянии четверти длины волны средней частоты полосы режекции; полосно-пропускающий фильтр 3, выполненный, например, на параллельных контурах, расположенных на расстоянии четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона.

Режекторный фильтр 1, полосно-пропускающий фильтр 3 и режекторный фильтр 2 включены каскадно.

Узкополосный СВЧ фильтр работает следующим образом.

Режекторный фильтр 1 с полосой режекции Δω_p1 формирует левый склон АЧХ для полосы рабочих частот Δω (см. фиг.2). Режекторный фильтр 2 с полосой режекции Δω_p2 формирует правый склон АЧХ для полосы рабочих частот Δω (см. фиг. 2). Полосно-пропускающий фильтр 3 выполнен с полосой пропускания Δω_п= Δω+Δω_p1+Δω_p2, что обеспечивает заданный уровень фильтрации во всей полосе запирания. Уменьшение прямых потерь обеспечивается за счет значительного расширения полосы пропускания фильтра 3, в результате чего в соответствии с (2) волновое сопротивление его параллельных контуров существенно возрастает, что повышает собственную добротность контуров. Это в свою очередь уменьшает в (1) величину А_о, что приводит к уменьшению а_о. Кроме того, собственная добротность последовательных контуров режекторных фильтров 1 и 2 оказывается в несколько раз выше, чем собственная добротность параллельных контуров узкополосных полосовых фильтров. Таким образом, фильтры 1, 2, 3 имеют хорошую физическую реализуемость и малый уровень прямых потерь, что обеспечивает малый уровень прямых потерь всего устройства в целом.

Количественный расчет прямых потерь в полосно-пропускающем и режекторном фильтрах проведем по соотношениям, приведенным в работах:
1. Нанзел Г.Е. Справочник для расчета фильтров. США, 1969: Пер. с англ., под ред. А.Е. Знаменского. - М.: Сов. радио, 1974 (с.240).

2. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Т.2/ Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е. М.Т.: Пер. с англ., под общ. ред. Л.В. Алексеева и Ф.В. Кушнира. - М.: Связь, 1972 (с.184).

Для полосно-пропускающего фильтра прямые потери а_оп определяются соотношением

где Q_оп - собственная добротность параллельных контуров фильтра; ω_оп- центральная частота полосы пропускания.

Для режекторного фильтра прямые потери вне полосы режекции определяются соотношением

где Q_op - собственная добротность последовательных контуров; Δω_p - полоса режекции фильтра; ω_op- центральная частота полосы режекции.

При условии g₀=1 последнее выражение преобразуется к виду

Для собственной добротности Q_оп запишем выражение

где - емкость параллельного контура; - индуктивность параллельного контура; r_п - сопротивление диссипативных потерь индуктивности L_п.

Заметим, что волновое сопротивление контура равно

что соответствует соотношению (2).

Выражение, аналогичное (5), для собственной добротности Q_ор имеет вид

где - индуктивность последовательного контура режекторного фильтра; r_р - сопротивление диссипативных потерь индуктивности L_p.

Далее, с помощью выражений (3) и (4) определяем соотношение между а_ор и а_оп при равенстве полосы пропускания и полосы режекции
(Δω_p= Δω_п= Δω; ω_op= ω_оп= ω_o)

Подставляя в последнее выражение (5) и (6), получим следующее соотношение

Так как индуктивность последовательных контуров режекторных фильтров много больше индуктивности параллельных контуров полосно-пропускающих фильтров, то обычно на практике за счет разницы в числе витков катушек индуктивности имеет место соотношение
Экспериментальные результаты и данные, приведенные в технической литературе, показывают, что для полосно-пропускающего фильтра третьего порядка (g_i = 0,853) на трех параллельных контурах с четвертьволновыми связями и с полосой пропускания в дециметровом диапазоне прямые потери составляют а_оп ≈ 3 дБ. Тогда, в соответствии с (2), переход к режекторному фильтру дает следующую величину прямых потерь

Полоса пропускания фильтра 2 для случая Δω = Δω_p1= Δω_p2, как видно из фиг. 2, должна быть равна Δω_п= 3Δω. Тогда в соответствии с (1) прямые потери а_оп уменьшатся в три раза и будут иметь величину 1 дБ. Общие прямые потери в предлагаемом полосно-пропускающем фильтре будут равны

Таким образом, в данном устройстве обеспечивается выигрыш более чем в два раза по величине прямых потерь. Кроме того, предложенный фильтр за счет режектирующих свойств фильтров 1 и 2 имеет АЧХ кауэровского типа и обеспечивает значение коэффициента прямоугольности не хуже, чем прототип.

Изобретение относится к частотно-избирательным цепям и может быть использовано для фильтрации узкополосных высокочастотных колебаний. Узкополосный СВЧ-фильтр содержит два режекторных фильтра и полосно-пропускающий фильтр, включенные каскадно в виде последовательной структуры. Режекторные фильтры формируют скаты амплитудно-частотной характеристики узкополосного фильтра, а полосно-пропускающий фильтр обеспечивает фильтрацию вне полосы режекции фильтров. Техническим результатом является существенное уменьшение прямых потерь за счет использования высокодобротных режекторных фильтров. 2 ил.

Узкополосный сверхвысокочастотный фильтр, выполненный в виде каскадного соединения первого режекторного фильтра, полосно-пропускающего фильтра и второго режекторного фильтра, полоса режекции которого находится выше полосы рабочих частот, отличающийся тем, что полоса режекции первого режекторного фильтра находится ниже полосы рабочих частот, при этом полосно-пропускающий фильтр выполнен с полосой пропускания, равной сумме полосы рабочих частот и частотных полос режекции обоих режекторных фильтров.