Полосно-пропускающий волноводный фильтр терагерцового диапазона Российский патент 2024 года по МПК H01P1/20 

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к субмиллиметровому диапазону длин волн, и может быть использовано в волноводных трактах для измерения частоты излучения мощных СВЧ-приборов, например релятивистских генераторов поверхностной волны (ГПВ) и мощных импульсных гиротронов, а также для подавления внеполосных паразитных колебаний.

Известна конструкция волноводного полосно-пропускающего фильтра (CN 102856615 «Waveguide band-pass filter suitable for 380 – 390 GHz frequency range», МПК H01P1/208, H01P11/00, публ. 02.01.2013 г.), выполненного из диоксида кремния, покрытого золотом. Резонатор волновода состоит из входной секции, выходной секции и 3-7 резонансных полостей, расположенных между входной и выходной секциями. Длины резонансных полостей в центре фильтра больше, чем длины резонансных полостей, расположенных на входном и выходном краях фильтра. Ширины резонансных полостей в центре фильтра меньше, чем ширины резонансных полостей, расположенных на входном и выходном краях фильтра. Волноводный полосовой фильтр предназначен для работы в диапазоне частот 380 – 390 ГГц. Существенными недостатками данного фильтра являются малый рабочий диапазон частот (10 ГГц), низкая добротность и сложность изготовления данного устройства.

В качестве прототипа выбран полосно-пропускающий фильтр (US 11223095 «Waveguide filter», МПК H01P1/20, H01P1/208, H01P1/211, H01P1/213, публ. 11.01.2022 г.), обеспечивающий по сравнению с указанной выше конструкцией фильтра работу в более широком диапазоне рабочих частот. Фильтр реализован в K-band и W-band диапазонах частот. В W-band диапазоне фильтр состоит из двух резонансных диафрагм, шести заужений волновода стандартного сечения и трех вертикально установленных прямоугольных резонаторов. В K-band диапазоне конструкция фильтра основана на двух резонансных диафрагмах и трех прямоугольных резонаторах. Существенными недостатками данного фильтра являются низкая добротность, сложность изготовления данного устройства и работа в см и мм диапазонах.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка полосно-пропускающего волноводного фильтра терагерцового диапазона, обеспечивающего наличие лишь одного рабочего резонанса в требуемой полосе частот и достаточно высокий коэффициент прохождения на резонансной частоте.

Технический результат достигается благодаря тому, что разработанный фильтр, так же, как и фильтр-прототип представляет собой резонансную систему, составленную из нескольких селективных элементов: отрезок прямоугольного волновода, соединенный с помощью каналов связи с двумя резонаторами. Характерные размеры всех элементов составляют порядка длины волны. Новым в разработанном фильтре является то, что электродинамические характеристики фильтра настраиваются с помощью параметров этих резонаторов и длины участка центрального волновода. Каждый резонатор имеет форму эллиптического цилиндра, основания которого расположены в плоскостях узких стенок основных отрезков прямоугольного волновода, при этом соотношение полуосей эллипса выбрано таким, что обеспечивается единственный резонанс в полосе пропускания. Длина центрального участка выбирается таким образом, чтобы в рабочей полосе частот присутствовал только один резонанс, соответствующий рабочей моде TE1,0,1. Причем последовательно расположенные первый основной отрезок прямоугольного волновода, первый резонатор, участок центрального волновода, второй резонатор и второй основной отрезок прямоугольного волновода имеют электродинамическую связь через зауженные отрезки прямоугольного волновода, ширина широкой стенки которых равна ширине широкой стенки основных отрезков прямоугольного волновода, а высота узкой стенки зауженных отрезков составляет не более 20% от высоты узкой стенки основных отрезков прямоугольного волновода. При этом все элементы устройства выполнены в виде полостей в общем металлическом корпусе фильтра. Корпус фильтра составлен из двух зеркально симметричных относительно плоскости, проходящей через середины широких стенок основных отрезов прямоугольного волновода, половин, соединенных резьбовыми и штифтовыми соединениями.

Изобретение поясняется следующими фигурами.

На фиг.1 представлена конструкция предлагаемого полосно-пропускающего волноводного фильтра.

На фиг.2 представлены распределения магнитного поля на боковой поверхности фильтра, полученные в рамках метода конечных элементов: а) структура поля на частоте резонанса, б) структура поля в полосе непропускания.

На фиг.3 показаны результаты измерений частотных зависимостей: а) коэффициента прохождения T, б) коэффициента отражения R полосно-пропускающего фильтра.

Предлагаемый терагерцовый полосно-пропускающий волноводный фильтр (фиг.1) включает металлический корпус 1 с фланцами 2, представляющий собой две зеркально симметричные половины, соединенные резьбовыми и штифтовыми соединениями. В корпусе 1 фильтра выполнены полости, представляющие собой последовательно расположенные первый основной отрезок 3 прямоугольного волновода, первый резонатор 4 в форме эллиптического цилиндра, участок центрального волновода 5, второй резонатор 6, второй основной отрезок 7 прямоугольного волновода, соединенные зауженными отрезками 8 прямоугольного волновода. При этом каждый из резонаторов 4 и 6 имеет форму эллиптического цилиндра, основания которого расположены в плоскостях узких стенок основных отрезков 3 и 7 прямоугольного волновода, при этом соотношение полуосей эллипса выбрано таким, что в полосе пропускания обеспечивается единственный резонанс. Указанная система образует общий высокоселективный резонатор, состоящий из вышеперечисленных элементов. Длина центрального волновода 5 выбрана таким образом, чтобы обеспечить селективное возбуждение низшей моды общего резонатора.

Принцип работы предлагаемого полосно-пропускающего волноводного фильтра можно пояснить следующим образом.

Ширина широкой стенки зауженных отрезков 8 равна ширине широкой стенки основных отрезков 3 и 7 прямоугольного волновода. Высота узкой стенки зауженных отрезков 8 составляет не более 20% от высоты узкой стенки основных отрезков 3 и 7 прямоугольных волноводов.

Размер высоты $$\Delta$$1 зауженных отрезков 8, осуществляющих связь резонаторов 4 и 6 в форме эллиптического цилиндра с центральным волноводом 5 и двумя основными отрезками 3 и 7 прямоугольного волновода, определяет нагруженную добротность общей системы и полосу пропускания. Ключевым компонентом предложенного фильтра является использование селективных элементов (резонаторов 4, 6), которые при оптимально подобранных параметрах обеспечивают эффективное отражение рабочей волны. Таким образом, поле рабочего колебания сосредоточено в области участка центрального волновода 5. В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве используется всего 3 элемента, что делает разработанное устройство более компактным и привлекательным с точки зрения потенциальных приложений и простоты реализации.

Длина центрального участка выбирается таким образом, чтобы в рабочей полосе частот присутствовал только один резонанс, соответствующий рабочей моде TE1,0,1.

Разрабатываемый полосно-пропускающий волноводный фильтр терагерцового диапазона частот предназначен для проведения экспериментальных исследований спектральных характеристик генераторов различных типов. Например, для изучения механизмов селекции мод в черенковских источниках излучения, основанных на сверхразмерных электродинамических системах, необходимо проводить детальные исследования режимов генерации, в том числе с применением вышеуказанного фильтра. Подобные измерения также востребованы с целью определения модового состава излучения в импульсных коротковолновых гирорезонансных приборах.

Фиг.2 демонстрирует амплитудное распределение магнитного поля на боковой поверхности фильтра при решении стационарной задачи на основе метода конечных элементов. Возбуждение системы осуществлялось с помощью волноводного порта, расположенного на торце слева (см. фиг.2). Регистрация прошедшего сигнала осуществлялась ответным портом, расположенным справа на фиг.2. Как следует из фиг.2 а на резонансной частоте в рассматриваемой электродинамической системе поле в основном сосредоточено между двумя резонаторами в форме эллиптических цилиндров, что соответствует возбуждению рабочей объемной моды. Также на этом рисунке в областях первого и второго основных отрезков наблюдаются поля с меньшей интенсивностью, соответствующие прошедшим и отраженной волнам. Из фиг.2 б видно, что в полосе непропускания поле во втором основном отрезке почти отсутствует, а в первом представляет собой ярко выраженную стоячую волну, что свидетельствует о достаточно большом коэффициенте отражения.

Электродинамические характеристики разработанного терагерцового фильтра были исследованы экспериментально на панорамном источнике Agilent в частотном диапазоне 220 – 325 ГГц. Показано, что в этом диапазоне присутствует единственный резонанс, соответствующий возбуждению рабочей моды (см. фиг.3). Продемонстрировано хорошее соответствие результатов расчетов с экспериментальными данными, включая частоту пропускания 312 ГГц и величину подавления вне полосы пропускания менее 25 дБ. На фиг.3 синяя сплошная кривая соответствует экспериментальным данным, а красная пунктирная кривая соответствует 3D моделированию в рамках метода конечных элементов.

Таким образом, предлагаемый фильтр характеризуется наличием лишь одного резонанса в полосе пропускания в рабочем диапазоне частот, что достигается выбором характерных размеров устройства сопоставимых с длиной волны, малой величиной потерь на рабочей частоте, достаточно узкой полосой пропускания (порядка 0,25%) и высоким коэффициентом прохождения в полосе пропускания (порядка -4 дБ).

Фильтр предназначен для диагностики излучения терагерцового диапазона частот. Система может быть изготовлена методами 3D печати, фрезерования на станке с ЧПУ, а также методом эрозии.

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к фильтрам. Терагерцовый полосно-пропускающий волноводный фильтр, включающий два основных отрезка прямоугольного волновода, соединенных с двумя резонаторами. Фильтр содержит участок центрального волновода. Каждый резонатор имеет форму эллиптического цилиндра, основания которого расположены в плоскостях узких стенок основных отрезков прямоугольного волновода. Соотношение полуосей эллипса выбрано для обеспечения единственного резонанса в полосе пропускания. Длина центрального участка выбирается таким образом, чтобы в рабочей полосе частот присутствовал только один резонанс, соответствующий рабочей моде TE_1,0,1. Последовательно расположенные первый основной отрезок прямоугольного волновода, первый резонатор, участок центрального волновода, второй резонатор и второй основной отрезок прямоугольного волновода имеют электродинамическую связь через зауженные отрезки прямоугольного волновода. Ширина широкой стенки которых равна ширине широкой стенки основных отрезков прямоугольного волновода, а высота узкой стенки зауженных отрезков составляет не более 20% от высоты узкой стенки основных отрезков прямоугольных волноводов. Основные отрезки прямоугольного волновода, резонаторы, участок центрального волновода и зауженные отрезки прямоугольного волновода выполнены как полости в металлическом корпусе. Технический результат – обеспечения наличия лишь одного рабочего резонанса в требуемой полосе частот и повышение коэффициента прохождения на резонансной частоте. 3 ил.

Терагерцовый полосно-пропускающий волноводный фильтр, включающий два основных отрезка прямоугольного волновода, соединенных с двумя резонаторами, отличающийся тем, что включает участок центрального волновода, при этом каждый резонатор имеет форму эллиптического цилиндра, основания которого расположены в плоскостях узких стенок основных отрезков прямоугольного волновода, при этом соотношение полуосей эллипса выбрано для обеспечения единственного резонанса в полосе пропускания, при этом длина центрального участка выбирается таким образом, чтобы в рабочей полосе частот присутствовал только один резонанс, соответствующий рабочей моде TE_1,0,1, причем последовательно расположенные первый основной отрезок прямоугольного волновода, первый резонатор, участок центрального волновода, второй резонатор и второй основной отрезок прямоугольного волновода имеют электродинамическую связь через зауженные отрезки прямоугольного волновода, ширина широкой стенки которых равна ширине широкой стенки основных отрезков прямоугольного волновода, а высота узкой стенки зауженных отрезков составляет не более 20% от высоты узкой стенки основных отрезков прямоугольных волноводов, при этом основные отрезки прямоугольного волновода, резонаторы, участок центрального волновода и зауженные отрезки прямоугольного волновода выполнены как полости в металлическом корпусе в волноводном исполнении, причем корпус фильтра составлен из двух зеркально симметричных относительно плоскости, проходящей через середины широких стенок основных отрезов прямоугольного волновода, половин, соединенных резьбовыми и штифтовыми соединениями.