Терагерцовый полосно-запирающий волноводный фильтр Российский патент 2024 года по МПК H01P1/20 

Изобретение относится к пассивным компонентам СВЧ-техники и предназначено для использования в волноводных трактах приемопередающих систем, а также может быть применено в телекоммуникационных системах нового поколения в коротковолновых диапазонах частот, включая терагерцовый. Предлагаемая конструкция режекторного фильтра может быть использована для диагностики в системах нагрева плазмы и визуализации скрытых объектов, спектроскопии.

К настоящему времени известно достаточно большое разнообразие конструкций полосно-запирающих (режекторных) фильтров. Чаще всего полосно-запирающие фильтры на основе прямоугольного волновода реализуются с помощью одного или нескольких объемных резонаторов, связанных с волноводом с помощью щелей или отверстий.

Известна конструкция волноводного полосно-запирающего фильтра на основе прямоугольного волновода, связанного щелью с объемным цилиндрическим резонатором (Радиотехнический справочник. Том 1. Перевод с немецкого. Государственное Энергетическое Издательство. М. 1961. с. 269). К основным преимуществам указанного фильтра-аналога можно отнести высокую добротность внешнего объемного резонатора и малую полосу режекции. Однако фильтр данного типа обладает рядом недостатков, таких как: сложностью изготовления в сантиметровом, миллиметровом диапазонах длин волн, определяемой размерами щели связи и толщиной стенки между волноводом и резонатором (резонаторами).

Узкая полоса режекции требуется в различных приложениях, в том числе, в системах СВЧ нагрева плазмы для диагностики ее параметров, основанной на приеме сигналов на частотах, близких к частоте СВЧ источника (статья Т. Saito et al. «Oscillation Characteristics of a High Power 300 GHz Band Pulsed Gyrotron for Use in Collective Thomson Scattering Diagnostics» // Plasma and Fusion Research: Regular Articles Volume 14, 1406104, 2019, DOI: 10.1585/pfr.14.1406104). Для этого требуются режекторные фильтры, предназначенные для защиты чувствительной диагностической аппаратуры, подавляющие паразитный сигнал СВЧ источника в полосе его генерации и пропускающие диагностические сигналы вне данной полосы. Кроме того, ряд технических задач требует разработки систем диагностики в терагерцовом и субтерагерцовом диапазонах частот.

В качестве прототипа выбран перестраиваемый полосно-запирающий волноводный фильтр (RU 2740684 «Перестраиваемый полосно-запирающий (режекторный) волноводный фильтр», МПК Н01Р 1/20, публ. 19.01.2021 г.), который состоит из отрезка прямоугольного волновода с фланцами, втулки, сопряженной с одной из широких сторон волновода, подстроечного поршня, сопряженного с втулкой с помощью резьбового соединения и образующего вместе с ней короткозамкнутую коаксиальную линию. Отличительной особенностью предлагаемого фильтра является форма его резонатора, позволяющая управлять электродинамическими характеристиками в достаточно широких пределах по сравнению с режекторными фильтрами - аналогами на основе объемных резонаторов. Подстроечный поршень выполнен с дополнительной согласующей частью, расположенной между резьбовой и настроечной частями, размеры которой по отношению к размерам настроечной части подобраны таким образом, чтобы осуществлялось дроссельное соединение. Кроме того, очевидными достоинствами фильтра являются простота и компактность, а также его повышенная селективность при работе в субтерагерцовом диапазоне частот. К недостаткам указанной конструкции фильтра - прототипа следует отнести наличие паразитного резонанса в рабочей полосе частот и сложность изготовления узла подстройки частоты фильтра.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка перестраиваемого терагерцового полосно-запирающего волноводного фильтра с узкой полосой режекции, высоким коэффициентом прохождения по мощности вне полосы режекции, обеспечивающего высокую селективность во всем диапазоне рабочих частот, а также простого и относительно дешевого в изготовлении.

Технический результат достигается тем, что разработанный перестраиваемый полосно-запирающий волноводный фильтр, так же как и фильтр - прототип, состоит из металлического корпуса, включающего отрезок прямоугольного волновода с фланцами, и резонатор, выполненный как полость в металлическом корпусе и имеющий электродинамическую связь с отрезком прямоугольного волновода через элемент связи в виде щели, расположенной на широкой стенке отрезка прямоугольного волновода перпендикулярно его ребрам. Также фильтр содержит подстроечный поршень, вводимый в фильтр посредством втулки со стороны широкой стенки отрезка прямоугольного волновода и сопряженный с втулкой с помощью резьбового соединения, который выполнен с дополнительной согласующей частью, расположенной между резьбовой и настроечной частями, размеры которой по отношению к размерам настроечной части подобраны таким образом, чтобы осуществлялось дроссельное соединение. Корпус фильтра составлен из двух половин, зеркально симметричных относительно плоскости, проходящей через середины широких стенок отрезка прямоугольного волновода и резонатора, и соединенных резьбовыми и штифтовыми соединениями.

Новым в разработанном перестраиваемом полосно-запирающем волноводном фильтре является то, что резонатор имеет форму эллиптического цилиндра, основания которого расположены в плоскостях узких стенок отрезка прямоугольного волновода, при этом соотношение полуосей эллипса выбрано для возбуждения моды с двумя вариациями поля вдоль направления большой полуоси эллипса, а подстроечный поршень, осуществляющий подстройку резонансной частоты путем изменения рабочего объема резонатора, выполнен без возможности изменения объема эллиптической части резонатора.

Изобретение поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 а представлена конструкция разработанного механически перестраиваемого полосно-запирающего терагерцового волноводного фильтра. На фиг. 1 б представлена конструкция подстроечного поршня.

На фиг. 2 представлено трехмерное изображение упрощенной конфигурации фильтра без механизма подстройки и структура электрического поля на рабочей частоте, полученная в рамках FDTD метода.

Предлагаемый перестраиваемый полосно-запирающий волноводный фильтр представляет собой (фиг. 1) металлический корпус 1, включающий отрезок прямоугольного волновода 2 с фланцами, а также выполненный как полость в металлическом корпусе 1 резонатор 3, имеющий вид эллиптического цилиндра, основания которого расположены в плоскостях узких стенок отрезка прямоугольного волновода 2, и имеющий электродинамическую связь с волноводом 2 через элемент связи в форме щели 4, расположенной на широкой стенке отрезка прямоугольного волновода 2 перпендикулярно плоскостям оснований эллиптического цилиндра. В конструкцию фильтра также входят втулка 5, соединенная с помощью резьбового соединения с корпусом 1, и подстроечный поршень 6, который сопряжен с втулкой 5 с помощью резьбового соединения. Корпус 1 составлен из двух половин, зеркально симметричных относительно плоскости, проходящей через середины широких стенок отрезка прямоугольного волновода 2 и резонатора 3, и соединенных резьбовыми и штифтовыми соединениями.

Предлагаемый терагерцовый перестраиваемый полосно-запирающий волноводный фильтр работает следующим образом. Зависимость частоты режекции фильтра от его геометрических параметров можно пояснить следующим образом. Чем больше зазор Δ1 между поршнем 6 и щелью 4, тем больше объем резонатора 3, и тем ниже частота режекции. И соответственно чем меньше зазор Δ1 между поршнем 6 и щелью 4, тем меньше объем резонатора 3, и тем выше частота режекции фильтра.

Ширина Δ2 щели 4, осуществляющей связь резонатора 3 и отрезка прямоугольного волновода 2, определяет нагруженную добротность резонатора 3 и полосу его режекции. При увеличении размера Δ2 щели 4 нагруженная добротность резонатора 3 уменьшается, соответственно, при уменьшении размера Δ2 щели 4 -возрастает.

Утечка мощности в паразитную ТЕМ-волну, возникающую в зазоре между подстроечным поршнем 6 и внутренним отверстием во втулке 5, предотвращается наличием в предлагаемой конструкции фильтра дроссельного соединения подстроечного поршня 6 и втулки 5, что обеспечивает высокий коэффициент прохождения по мощности (0,95-0,98) вне полосы режекции. Дроссельное соединение (фиг. 1 б) обеспечивается определенным соотношением размеров настроечной части 7 и согласующей части 8 подстроечного поршня 6, расположенной между резьбовой частью 9 и настроечной частью 7. Обеспечить необходимую величину перемещения настроечной части 7 позволяет втулка 5, которая выступает над внешней поверхностью корпуса 1.

В связи со стремительным развитием технологии 3D печати различных электродинамических систем и отсутствием необходимости в широкой подстройке и перестройке частоты режекции предлагаемого фильтра возможно осуществлять настройку рабочей частоты без введения подстроечного поршня 6 в объем эллиптической части резонатора 3. Это приводит лишь к незначительному искажению структуры поля в резонаторе 3 и одновременно упрощает механизм подстройки частоты режекции фильтра.

Разработанный фильтр включает объемный резонатор 3, выполненный как полость в металлическом корпусе 1 и имеющий форму эллиптического цилиндра, основания которого расположены в плоскостях узких стенок отрезка прямоугольного волновода. При этом соотношение полуосей эллипса выбрано для возбуждения моды с двумя вариациями поля вдоль направления большой полуоси эллипса. В экспериментальной конструкции отношение величины большой полуоси эллипса к малой полуоси составляет 8,7:1. Однако это значение может варьироваться в достаточно широких пределах. Необходимость разработки резонатора на основе эллиптического цилиндра и с рабочим колебанием на моде с двумя вариациями вдоль направления большой полуоси (см. фиг. 2) обусловлена получением более добротного резонанса по сравнению с работой на низшей моде резонатора. Это свойство отличает предлагаемый фильтр от фильтра - аналога, работающего на низшей моде. В примере реализации в качестве волновода 2 используют отрезок прямоугольного волновода стандарта WR3 (рабочий диапазон частот 220-325 ГГц) с фланцами. Резонатор 3 имеет электродинамическую связь с прямоугольным волноводом 2 через элемент связи в форме щели 4, через которую осуществляется возбуждение рабочей моды резонатора 3, структура которой показана на фиг. 2. Указанная мода имеет индексы 1, 2, 1 в декартовой системе координат. Электродинамические характеристики разработанного терагерцового фильтра были исследованы экспериментально на панорамном источнике Agilent при милливаттном уровне мощности в диапазоне частот 300-320 ГГц. Продемонстрировано хорошее соответствие результатов расчетов с экспериментальными данными, включая частоту режекции 303 ГГц, величину подавления на частоте режекции (~20 дБ) и величину подавления вне полосы (~2 дБ), при этом возможность перестройки центральной частоты подавления составляет доли процента (~0,2% от центральной частоты режекции фильтра).

Таким образом, предлагаемый фильтр характеризуется возможностью перестройки центральной частоты режекции, наличием лишь одной полосы режекции в рабочем диапазоне частот, высокой (≤20 дБ) величиной подавления (в зависимости от рабочего диапазона частот), достаточно узкой полосой режекции и высоким коэффициентом прохождения вне полосы режекции.

Фильтр предназначен для использования в терагерцовом диапазоне частот. Устройство может быть изготовлено методами 3D печати, фрезерования на станке с ЧПУ, а также методом эрозии.

Ряд научных и технических приложений требует разработки и создания полосно-запирающих фильтров с характерной величиной подавления более 90 дБ, а также существенного расширения полосы режекции до нескольких процентов. Указанная задача может быть решена путем каскадного соединения фильтров, подобных заявленному, каждый из которых обеспечивает подавление порядка 20 дБ в рассматриваемом частотном диапазоне.

Таким образом, разработанный терагерцовый перестраиваемый полосно-запирающий волноводный фильтр, имеющий простую в изготовлении конструкцию, позволяет обеспечить высокую селективность во всем диапазоне рабочих частот и узкую полосу режекции, за счет использования резонатора в виде эллиптического цилиндра, в котором возбуждается мода с двумя вариациями поля вдоль большой полуоси эллипса, а также малые потери вне полосы режекции. Конструкция подстроечного поршня позволяет осуществлять перестройку резонансной частоты без существенного искажения структуры поля в резонаторе.

Изобретение относится к СВЧ-технике, в частности к фильтрам. Перестраиваемый полосно-запирающий волноводный фильтр, состоящий из металлического корпуса, включающего отрезок прямоугольного волновода с фланцами, и резонатор, выполненный как полость в металлическом корпусе и имеющий электродинамическую связь с отрезком прямоугольного волновода через элемент связи в виде щели, расположенной на широкой стенке отрезка прямоугольного волновода перпендикулярно его ребрам, а также подстроечного поршня, вводимого в фильтр посредством втулки со стороны широкой стенки отрезка прямоугольного волновода и сопряженного с втулкой с помощью резьбового соединения, который выполнен с дополнительной согласующей частью, расположенной между резьбовой и настроечной частями, размеры которой по отношению к размерам настроечной части подобраны таким образом, чтобы осуществлялось дроссельное соединение, а корпус фильтра составлен из двух половин, зеркально симметричных относительно плоскости, проходящей через середины широких стенок отрезка прямоугольного волновода и резонатора, и соединенных резьбовыми и штифтовыми соединениями, отличающийся тем, что резонатор имеет форму эллиптического цилиндра, основания которого расположены в плоскостях узких стенок отрезка прямоугольного волновода, при этом соотношение полуосей эллипса выбрано для возбуждения моды с двумя вариациями поля вдоль направления большой полуоси эллипса, а подстроечный поршень, осуществляющий подстройку резонансной частоты путем изменения рабочего объема резонатора, выполнен без возможности изменения объема эллиптической части резонатора. Технический результат - повышение добротности, сужение полосы режекции, высокое прохождение по мощности вне полосы режекции, а также упрощение фильтра. 2 ил.

Перестраиваемый полосно-запирающий волноводный фильтр, состоящий из металлического корпуса, включающего отрезок прямоугольного волновода с фланцами, и резонатор, выполненный как полость в металлическом корпусе и имеющий электродинамическую связь с отрезком прямоугольного волновода через элемент связи в виде щели, расположенной на широкой стенке отрезка прямоугольного волновода перпендикулярно его ребрам, а также подстроечного поршня, вводимого в фильтр посредством втулки со стороны широкой стенки отрезка прямоугольного волновода и сопряженного с втулкой с помощью резьбового соединения, который выполнен с дополнительной согласующей частью, расположенной между резьбовой и настроечной частями, размеры которой по отношению к размерам настроечной части подобраны таким образом, чтобы осуществлялось дроссельное соединение, а корпус фильтра составлен из двух половин, зеркально симметричных относительно плоскости, проходящей через середины широких стенок отрезка прямоугольного волновода и резонатора, и соединенных резьбовыми и штифтовыми соединениями, отличающийся тем, что резонатор имеет форму эллиптического цилиндра, основания которого расположены в плоскостях узких стенок отрезка прямоугольного волновода, при этом соотношение полуосей эллипса выбрано для возбуждения моды с двумя вариациями поля вдоль направления большой полуоси эллипса, а подстроечный поршень, осуществляющий подстройку резонансной частоты путем изменения рабочего объема резонатора, выполнен без возможности изменения объема эллиптической части резонатора.