ВОЛНОВОДНЫЙ СВЕРХУЗКОПОЛОСНЫЙ ФИЛЬТР СВЧ-ДИАПАЗОНА Российский патент 2023 года по МПК H01P1/20 

Изобретение относится к устройствам сверхузкополосной фильтрации электромагнитных (ЭМ) сигналов микроволнового диапазона и предназначено для использования в радиоэлектронных системах наземной и космической связи, а также спутниковой навигации. Изобретение обладает высоким уровнем надежности при эксплуатации в условиях сильных внешних воздействий и может применяться, например, в составе устройств мультиплексирования сигналов.

В выходных мультиплексорах бортовых радиоэлектронных комплексов спутниковых систем связи и глобального позиционирования чаще всего находят применение СВЧ-фильтры, выполненные на стандартных прямоугольных волноводах (ПрВ) или на объемных прямоугольных или цилиндрических резонаторах с неоднородностями в виде диафрагм, металлических штырей или ребер с подстроечными элементами [СВЧ-фильтры и мультиплексоры для систем космической связи / Под ред. В.П. Мещанова - М.: Радиотехника, 2017]. При этом они могут иметь как волноводные, так и коаксиальные элементы связи с внешними СВЧ-цепями. Наличие волноводных элементов ввода и вывода электромагнитной (ЭМ) энергии является важнейшим фактором успешного использования таких СВЧ-фильтров в выходных мультиплексорах систем космической связи. Известно несколько технических решений таких высокоизбирательных фильтров.

К примеру, известна конструкция СВЧ-фильтра с волноводными элементами связи [US Patent №5012211. Low-loss wide-band microwave filter / F.A. Young, R.K. Rikimaru, 1991], реализованного в виде каскадного соединения нескольких цилиндрических резонаторов с металлическими диафрагмами между ними, имеющими крестообразную апертуру. Как показано в [Cogollos S., et al. A systematic design procedure of classical dual-mode circular waveguide filters using an equivalent distributed model // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2012. V.60. N 4. P. 1006-1017], двухрезонаторная конструкция данного фильтра демонстрирует полосу пропускания 27 МГц вблизи центральной частоты 10.5 ГГц. Хотя такой фильтр обладает высокой добротностью, но для подстройки его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) приходится использовать специальные металлические штыри, предусмотренные в его конструкции. Кроме того, для согласования цилиндрических резонаторов с волноводными элементами связи необходимы дополнительные резонансные диафрагмы.

Еще одна конструкция узкополосного фильтра Х-диапазона на базе стандартного ПрВ с размерами поперечного сечения (а × b=23 × 10 мм, где а и b - размеры широкой и узкой стенки волновода соответственно) описанная в [Shang X., Lancaster M.J., Dimov S. Microwave waveguide filter with broadside wall slots // Electronics Letters. 2015. V.51. N 5. P. 401-403] с шестью индуктивными диафрагмами и продольной щелью шириной 2 мм, прорезанной в широкой стенке ПрВ, обладает относительной полосой пропускания 2%. Данный фильтр прост в реализации и имеет хорошие электродинамические характеристики, но при передаче сигналов высокого уровня мощности из-за продольной щели могут иметь место паразитные излучения, для предотвращения которых требуется дополнительная экранировка устройств.

Другая структура узкополосного СВЧ-фильтра для выходных мультиплексоров с относительной полосой пропускания 0.47% и коэффициентом стоячей волны по напряжению КСВН=1.9 и вносимыми потерями порядка 1 дБ на центральной частоте 11.483 ГГц описана в [Qian L., et al. A narrowband 3-D printed invar spherical dual-mode filter with high thermal stability for OMUXs // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2022. V.70. N 4. P. 2165-2173]. Несмотря на компактные размеры и весьма узкую полосу пропускания, тем не менее, фильтр не обеспечивает необходимый уровень согласования и потерь.

Узкополосный фильтр на ПрВ WR90 (а × b=23 × 10 мм) длиной 68 мм с несколькими цилиндрическими штырями одинакового радиуса разработанный для X-диапазона частот в [Tomassoni С., Sorrentino R. A new class of pseudo-elliptic waveguide filters using resonant posts // IEEE/MTT-S International Microwave Symposium Digest. 2012. Montreal, Canada. P. 1-3] с центральной частотой 8.5 ГГц показал уровень согласования КСВН=1.1 и вносимые потери на уровне 0.4 дБ, а также относительную полосу пропускания 2.3%. При этом часть штырей являются емкостными, что ограничивает уровень рабочих мощностей из-за опасности возникновения пробоя в зазорах образованных стенкой волновода и штырями.

Структура волноводного полосового фильтра и ряд его модификаций с центральной частотой 10 ГГц предложенный в [Zhao P., Wu K. Waveguide filters with central-post resonators // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2020. V.30. N 7. P. 657-660] включает в себя три резонатора на базе стандартного ПрВ WR90, один из которых имеет емкостной прямоугольный штырь, сформированных индуктивными диафрагмами. Имея компактные размеры х × у × z=41 × 60 × 10 мм и полосу пропускания 200 МГц, данный фильтр, тем не менее, не обладает необходимой электрической прочностью для передачи мощных СВЧ-сигналов из-за наличия емкостного штыря в его конструкции. Кроме того, полоса пропускания 200 МГц не позволяет отнести его к категории высокоизбирательных фильтров.

Известна структура сверхузкополосного волноводного фильтра [Fedi G. et al. Design of cylindrical posts in rectangular waveguide by neural network approach // IEEE Antennas and Propagation Society Symposium Digest. 2000. Salt-Lake City. USA. P. 1054-1057], реализованного на ПрВ с двумя индуктивными штырями большого радиуса, ориентированными вдоль продольной оси волновода и смещенными к одной из его боковых стенок. Обладая малыми размерами, такой фильтр позволяет получать один высокодобротный резонанс, формирующий его АЧХ, но для перестройки центральной частоты приходится менять все его внутренние размеры.

Наиболее близким к заявляемому устройству можно считать пятирезонаторный полосовой фильтр на стандартном волноводе WR112 (а × b=28.5 × 12.2 мм) с металлическими вставками в Е-плоскости [СВЧ-фильтры и мультиплексоры для систем космической связи / Под ред. В.П. Мещанова - М.: Радиотехника, 2017]. Фильтр предназначен для передачи сигналов высокого уровня мощности в полосе частот 7949.5…7535 МГц (относительная полоса пропускания 0.5%) в составе трехканального выходного мультиплексора. Отражение сигнала в полосе пропускания не превышает 17.8 дБ, а затухание сигнала составляет 1.7 дБ. Общая длина фильтра 190 мм. Для обеспечения необходимых электродинамических характеристик конструкция прототипа предусматривает наличие элементов подстройки в виде металлических штырей. Главными недостатками прототипа являются: большой продольный размер фильтра, составляющий 4.57λ, где λ - длина волны на центральной частоте, высокое отражение в полосе пропускания (КСВН=1.3), высокий уровень затухания сигнала и наличие элементов подстройки.

Задачей изобретения является создание компактного волноводного СВЧ-фильтра без элементов подстройки с улучшенным уровнем согласования и передачи СВЧ-сигналов высокого уровня мощности в более узкой полосе частот.

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение продольного размера фильтр до величины 2.3λ, обеспечение относительной полосы пропускания менее 0.1% и улучшение согласования в полосе пропускания, а также возможность выбора центральной частоты без элементов подстройки.

Поставленная задача достигается тем, что в волноводном фильтре, включающем регулярный отрезок прямоугольного волновода, индуктивную диафрагму и цилиндрический индуктивный штырь в центре волновода, а также два дополнительных цилиндрических индуктивных штыря, расположенные между центральным штырем и концами волновода симметрично относительно центрального штыря. Согласно предлагаемому решению, все три штыря располагаются на одной оси вдоль направления распространения основной электромагнитной волны прямоугольного волновода, радиус центрального штыря больше радиусов периферийных штырей, а расстояние от одной из боковых стенок прямоугольного волновода до центра каждого штыря меньше аналогичного расстояния до другой боковой стенки. Кроме того, все три штыря имеют прямоугольные ребра, регулярные вдоль высоты волновода и расположенные вдоль продольной оси, проходящей через центры штырей, причем центральный штырь имеет два симметричных ребра вдоль этой оси, а периферийные штыри имеют по одному ребру, расположенному напротив первого или второго ребра центрального штыря соответственно.

Предлагаемая совокупность признаков решения позволяет возбудить два высокодобротных колебания и сформировать чебышевскую АЧХ, соответствующую сверхузкополосному фильтру второго порядка с низкими потерями на отражение в полосе пропускания и высокими потерями в полосе отражения. При этом радиус центрального штыря может определяться соотношением: 0.34а≤R≤0.36а, где а - размер широкой стенки ПрВ, а радиус периферийных штырей - соотношением: 0.28а≤r≤0.29а. Расстояние между осями периферийных штырей вдоль направления распространения электромагнитной волны ПрВ может составлять: 0.651≤s≤0.75Z, L - длина фильтра. Ширина каждого из двух элементов индуктивной диафрагмы в направлении перпендикулярном направлению распространения волны может определяться из соотношения: 0.2а≤h≤0.22а. Расстояние от боковой стенки волновода до линии, на которой располагаются оси всех трех индуктивных штырей радиусом r и R может составлять величину d, определяемую из соотношения: 0.52а≤d≤0.54а. В общем случае металлические ребра всех трех штырей могут быть выполнены разного размера: w₁ ≠ w₂ ≠ w₃, и определяться из соотношений:

Диафрагма может быть выполнена толщиной t, определяемой из соотношения: 0.03≤t≤0.04.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами. На Фиг. 1 показана трехмерная структура фильтра, а на Фиг. 2 - размеры фильтра в плоскости xz. Фиг. 3 демонстрирует один из вариантов конструкции фильтра с полыми цилиндрами в качестве индуктивных штырей вместо сплошных цилиндров.

Позициями на Фиг. 1 обозначены:

1 - регулярный отрезок ПрВ;

2 - центральный индуктивный штырь;

3 - металлические ребра штырей;

4 - периферийные штыри;

5 - металлические ребра штырей;

6 - индуктивная диафрагма.

Буквенные обозначения на Фиг. 2:

r - радиус периферийного штыря;

w - ширина ребра штыря;

l - длина ребра штыря;

h - длина индуктивной диафрагмы; t - ширина индуктивной диафрагмы;

d - расстояние от узкой стенки волновода до центра металлических штырей;

L - длина фильтра;

S - расстояние между центрами переферийных штырей;

а - длина широкой стенки волновода.

Волноводный фильтр включает регулярный отрезок прямоугольного волновода 1, центральный индуктивный штырь 2 с металлическими ребрами 3, два периферийных индуктивных штыря 4 с металлическими ребрами 5, расположенных на одной оси с центральным индуктивным штырем 2 и индуктивную диафрагму 6. При этом периферийные индуктивные штыри 4 выполняются одинаковыми и расположенными на одной оси вдоль направления распространения основной волны ПрВ с центральным индуктивным штырем 2 на расстоянии от боковой стенки не равном половине размера широкой стенки прямоугольного волновода. Центральный индуктивный штырь 2 и индуктивная диафрагма 6 выполняются в центре ПрВ. Центральный индуктивный штырь 2 имеет два металлических ребра 3 симметричных относительно его вертикальной оси и расположенных на одной линии с периферийными штырями 4, имеющих по одному металлическому ребру 5.

Заявляемое устройство работает следующим образом. На входе фильтра распространяется основная волна Ню прямоугольного волновода 1, которая после многократных переотражений от неоднородностей в виде индуктивных штырей 2 и 4, а также индуктивной диафрагмы 6 и поступает на выход, возбуждая в фильтре два колебания, резонансы которых формируют чебышевскую АЧХ. При этом для перестройки центральной частоты фильтра достаточно выполнить ребра с размерами, определяемыми соотношениями, указанными ранее.

Для подтверждения достижения технического результата было проведено численное моделирование методом конечных элементов заявляемого фильтра на базе стандартного волновода WR112 (а=28.5 мм, b=12.6 мм) и были установлены геометрическое параметры устройства, определяемые соотношениями: r=0.2877а, R=0.3509а, s=0.7L, L=2.807а, h=0.2105а, d=0.5263а, s=1.965а, t=0.035а (Фиг. 4). При этом длина волны на центральной частоте: l=1.2208а, а продольный размер фильтра вдоль оси z составил: L=2.3L В данном случае был рассмотрен частный случай конструкции фильтра, у индуктивных штырей которого отсутствуют ребра: w₁=w₂=w₃=0, В результате численного анализа было показано, что такой фильтр обеспечивает согласование в относительной полосе частот 0.06% (5.17 МГц) на уровне КСВН=1.17 и потери на затухание не хуже, чем 0.9 дБ.

Конечно-элементное моделирование другой модификации фильтра того же размера с металлическими ребрами на индуктивных штырях: w_1…3=0.03509а, показало (Фиг. 5) увеличение центральной частоты на 82.9 МГц. При этом данный фильтр демонстрирует максимальное значение КСВН=1.12 в полосе пропускания, относительная величина которой составляет 0.059%, а затухание на центральной частоте не хуже, чем 0.96 дБ, то есть его электродинамические параметры остаются практически без изменений.

Таким образом, заявляемое техническое решение характеризуется улучшенными по сравнению с прототипом электродинамическими характеристиками, обеспечивает высокую надежность при эксплуатации под действием сильных внешних воздействий и передачу в сверхузкой полосе частот СВЧ энергии высокого уровня мощности, а также имеет простую конструкцию без элементов подстройки и более компактные, чем у прототипа размеры.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к фильтрам. Волноводный фильтр содержит регулярный отрезок прямоугольного волновода, индуктивную диафрагму и цилиндрический индуктивный штырь в центре волновода, а также два дополнительных цилиндрических индуктивных штыря, расположенных между центральным штырем и концами волновода симметрично относительно центрального штыря. Все три штыря располагаются на одной оси вдоль направления распространения основной электромагнитной волны прямоугольного волновода, радиус центрального штыря больше радиусов периферийных штырей, а расстояние от одной из боковых стенок прямоугольного волновода до центра каждого штыря меньше аналогичного расстояния до другой боковой стенки. Кроме того, все три штыря имеют прямоугольные ребра, регулярные вдоль высоты волновода и расположенные вдоль продольной оси, проходящей через центры штырей, причем центральный штырь имеет два симметричных ребра вдоль этой оси, а периферийные штыри имеют по одному ребру, расположенному напротив первого или второго ребра центрального штыря соответственно. Технический результат - снижение продольного размера фильтр до величины 2,3λ, обеспечение относительной полосы пропускания менее 0,1% и улучшение согласования в полосе пропускания, а также возможность выбора центральной частоты без элементов подстройки. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Волноводный сверхузкополосный фильтр микроволнового диапазона, включающий регулярный отрезок прямоугольного волновода, центральный индуктивный штырь с двумя прямоугольными ребрами, два периферийных индуктивных штыря, каждый с одним ребром, ориентированные вдоль одной линии в направлении распространения электромагнитной волны в волноводе, симметрично относительно центрального штыря, и центральную индуктивную диафрагму, отличающийся тем, что радиус центрального индуктивного штыря больше радиусов периферийных штырей, расстояние от одной из боковых стенок волновода до центра каждого штыря меньше аналогичного расстояния до другой боковой стенки и ребра периферийных штырей располагаются напротив ребер центрального штыря.

2. Волноводный сверхузкополосный фильтр микроволнового диапазона по п. 1, отличающийся тем, что все три индуктивных штыря, входящих в его конструкцию, выполняются в виде полых цилиндров.

3. Волноводный сверхузкополосный фильтр микроволнового диапазона по п. 1, отличающийся отсутствием металлических ребер всех трех индуктивных штырей, входящих в его конструкцию.

4. Волноводный сверхузкополосный фильтр микроволнового диапазона по п. 2, отличающийся отсутствием металлических ребер всех трех индуктивных штырей, входящих в его конструкцию.