Фильтр для выделения моды TE-типа высокого порядка в волноводе круглого сечения Российский патент 2024 года по МПК H01P1/207 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в металлических волноводах круглого сечения для выделения волноводной моды ТЕ-типа высокого порядка или в объемных резонаторах, реализованных на отрезках волноводов, для ее исключения.

Применение металлических сверхразмерных волноводов круглого сечения, радиус которых превышает максимально допустимый радиус, соответствующий одномодовому режиму, в некоторых задачах требует выделения конкретного типа колебания электромагнитной волны (моды) на фоне остального ансамбля распространяющихся волн.

Для этих целей может быть использован модовый фильтр на основе объемных резонаторов. В работе (SU 1518839 «Волноводный двухмодовый фильтр», МПК Н01Р1/207, публ. 30.10.1989 г. ) показан волноводный двухмодовый фильтр на волноводе круглого сечения, содержащий последовательно три резонатора, где каждый из резонаторов возбуждается на своей резонансной частоте в одной и другой независимых ортогональных модах. Связь между резонаторами обеспечивается диафрагмами с крестообразными щелями, содержащими дополнительные пары щелей, формирующих дополнительные полосы затухания, настраиваемые регулировочными винтами. Такая конфигурация применима к низшей (основной) моде волновода круглого сечения TE_1,1, но для мод высших типов геометрия диафрагмы будет рассогласованной со структурой поля, что приведет к резкому снижению эффективности фильтра.

Другим примером является двухмодовый фильтр, содержащий полый гофрированный участок волновода круглого сечения (М. Guglielmi, R.C. Molina, A. A. Melcon «Dual-mode circular waveguide filters without tuning screws» in IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol. 2, no. 11, pp. 457-458, Nov. 1992), в котором настройка выделения заданных типов мод производится подбором размеров основных настроечных гребней и гребня связи. В отличие от предыдущего данный фильтр не требует наличия регулировочных винтов и дополнительных ручных подстроек, но основным его недостатком является невозможность однозначного выделения конкретной моды с помощью полого гофрированного участка на фоне остальных с достаточной (более 10 дБ) развязкой. Кроме того, описанный метод требует значительных вычислительных ресурсов для решения оптимизационной задачи подбора размеров настроечных гребней и гребней связи.

Известен способ фильтрации излучения с помощью перфорированной пластины с круглыми отверстиями одинакового диаметра, расположенными по гексагональной сетке (Chao-Chun Chen transmission of Microwave Through Perforated Flat Plates of Finite Thickness» in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 21, no. 1, pp. 1-6, Jan. 1973). Радиус отверстий подбирается исходя из рабочей частоты падающего излучения, чтобы их возбуждение производилось только в одномодовом режиме TE_1,1. Данное решение является аналогом к указанному изобретению. Основными преимуществами фильтра, реализованного на перфорированной пластине, являются его нечувствительность к поляризации, нестрогость позиционирования круглых отверстий относительно распределения поля, возможность падения волны на перфорированную поверхность под углом к ее нормали. Однако из-за несогласованности круглых отверстий с конкретным распределением поля электромагнитной волны коэффициент отражения, во-первых, будет не минимален, а, во-вторых, с помощью такого фильтра отсутствует возможность модовой селекции. Кроме того, малая толщина пластины допускает передачу активной мощности через отверстия посредством реактивно затухающих волн, частоты которых лежат ниже критических.

Существует фильтр для отделения волны типа ТЕ_0,1 от других волн ТЕ-типа в волноводе круглого сечения (SU 130074 «Фильтр для отделения волны типа H₀₁ от других волн типа Н в круглом волноводе», публ. 17.11.1966 г. ). Фильтр выполнен в виде поперечной диэлектрической пластины, на которой на расстоянии 0,63 радиуса от центра, т.е. в области, где продольное магнитное поле аксиально-симметричной моды ТЕ_0,1 волновода круглого сечения равно нулю, нанесены проводящие колечки или иные замкнутые фигуры, развитые в азимутальном направлении. При достаточно малом диаметре они не возбуждаются полем моды ТЕ_0,1, в то время как для иных мод возбуждаются волны того же типа, и происходит частичное отражение. Рассмотренный фильтр принят за прототип.

Перечисленные выше аналог и прототип обладают рядом характерных признаков, но не способны произвести эффективное выделение моды ТЕ-типа высокого порядка на фоне остальных мод волновода круглого сечения.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка конструкции волноводного фильтра, позволяющего выделить моды ТЕ-типа высокого порядка в волноводе круглого сечения с возможностью подбора коэффициента ее развязки с другими модами.

Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство, как и устройство-прототип, представляет собой диск, радиус которого соответствует внутреннему радиусу волновода круглого сечения, содержащий электродинамическую систему, согласованную с полем падающей волны. Новым является то, что диск изготовлен из металла, в диске для выделения моды типа TE_m,n выполнены круглые сквозные отверстия, расположенные концентрическими (2n-1) рядами. При этом в каждом ряду расположены 2m отверстий, радиусы которых равны между собой и находятся из условия обеспечения одномодового режима распространения низшей моды ТЕ_1,1 вдоль этих отверстий. Центры отверстий соответствуют локальным максимумам электрического поля моды типа TE_m,n, настройка величины развязки выделяемой моды типа TE_m,n с остальными модами осуществляется подбором толщины металлического диска. Толщина диска подбирается таким образом, чтобы исключить передачу активной мощности через отверстия посредством реактивно затухающих волн, но не допустить снижения коэффициента прохождения выделяемой моды типа TE_m,n ниже требуемого значения.

Фильтр для выделения моды ТЕ-типа высокого порядка в волноводе круглого сечения поясняется следующими фигурами:

фиг. 1 эскиз секторального выреза фильтра для выделения моды ТЕ-типа высокого порядка, поясняющий его топологию;

фиг. 2 - распределение модуля электрического поля моды TE_4,2 в волноводе круглого сечения;

фиг. 3 эскиз фильтра для выделения моды TE_4,2 в волноводе круглого сечения;

фиг. 4 - расчетный коэффициент прохождения S₂₁ моды TE_4,2 на частоте 30 ГГц в зависимости от толщины фильтра в волноводе круглого сечения радиусом 20 мм;

фиг. 5 расчетный коэффициент отражения S₁₁ моды TE_4,2 на частоте 30 ГГц в зависимости от толщины фильтра в волноводе круглого сечения радиусом 20 мм.

На фиг. 1 представлен эскиз секторального выреза предлагаемого фильтра. Фильтр для выделения моды типа TE_m,n высокого порядка в волноводе круглого сечения представляет собой металлический диск радиусом R₀, соответствующим внутреннему радиусу волновода круглого сечения, с 2n-1 концентрически расположенными рядами отверстий с радиусами R₁...R_2n-1, центры которых отстоят от продольной оси на расстояниях L1. L_2n-1.- Количество отверстий в каждом ряду одинаково и равно 2m, а угол между двумя соседними образующими L_i и L_i+1 равен θ=π/2m. Коэффициенты m и n соответствуют числу вариаций поля по азимутальной ϕ и радиальной r координатам моды типа TE_m,n, на выделение которой рассчитан разработанный фильтр.

Выделение интересующей моды типа TE_m,n с помощью предлагаемого изобретения происходит, когда геометрия расположения отверстий в металлическом диске соответствует распределению электрического поля Е по сечению волновода. Центры отверстий размещены в локальных максимумах поля Е, что удовлетворяет уравнению

где для нечетных индексов i=1, 3... 2n-1: ϕ_i=0, для четных i=2, 4... 2(n-1): ϕ_i=±0.

Подбор радиусов отверстий осуществляется исходя из условия их работы в качестве волноводов круглого сечения только на низшей (основной) моде TE_1,1, поэтому радиус каждого отверстия находится в пределах от

где λ - длина волны,

μ_1,1 = 1,84118 - первый корень уравнения J'₁(μ)=0 для моды TE_1,1,

ν_0,1 = 2,40483 - первый корень уравнения J₀(ν)=0 для моды ТM_0,1,

J_m - функция Бесселя m-го порядка,

J'_m - производная функции Бесселя m-го порядка.

Дополнительное ограничение на выбор значений радиусов, исключающее деструктивную интерференцию в соседних отверстиях, накладывается из условий

для всех рядов отверстий, кроме индексов 2(n - 1), 2n - 1;

и

для оставшихся индексов,

где σ_i - расстояние от центра соответствующего i-го отверстия до локального минимума электрического поля Е вдоль прямой обозначенной пунктиром на фиг. 1, соединяющей центры двух соседних отверстий.

Значения σ_i удовлетворяют уравнению

где при и

для нечетных i, для четных i,где

В ситуации, когда максимальный из двух радиусов отверстий должен быть уменьшен до выполнения условия исключающего перекрытие соседних отверстий.

Фильтр для выделения моды ТЕ-типа высокого порядка в волноводе круглого сечения работает следующим образом. Совокупность электромагнитных волн, распространяющихся по волноводу круглого сечения, при нормальном падении на металлический диск с концентрически расположенными рядами круглых отверстий возбуждает низшие моды TE_1,1 в каждом из его отверстий на частотах выше их критических частот, в то время как для более низких частот данные отверстия являются закритическими и не возбуждаются. Для эффективного возбуждения низших мод в отверстиях положение каждого ряда отверстий согласовано с распределением электрического поля по сечению волновода для конкретной выделяемой моды ТЕ-типа высокого порядка. Для электромагнитных волн, частоты которых лежат выше критических частот низших мод в круглых отверстиях, но распределение электрического поля не согласовано с геометрией расположения отверстий, данный фильтр является неоптимальным и не обеспечивает высокого значения коэффициента прохождения при низком значении коэффициента отражения. Величина развязки выделяемой моды ТЕ-типа с другими волнами обеспечивается за счет подбора толщины металлического диска, когда исключается передача активной мощности через отверстия посредством реактивно затухающих волн, частоты которых лежат ниже критических, но не допускается снижение коэффициента прохождения за счет различной дисперсии в круглых отверстиях у разных уровней рядов, вызывающей деструктивную интерференцию на выходе фильтра, ниже требуемого значения.

Был проведен численный расчет методом конечных разностей во временной области фильтра для выделения моды TE_4,2 в волноводе круглого сечения радиусом 20 мм на частоте 30 ГГц. В качестве примера на фиг. 2 показано распределение модуля электрического поля по сечению круглого волновода для моды TE_4,2. Оптимальные параметры фильтра были подобраны следующие: R₀=20 мм, L₁=10,4 мм, L₂=15,9 мм, L₃=R₀=20 мм, R₁=3,8 мм, R₂=3,5 мм, R₃=3,1 мм, толщина фильтра варьировалась в пределах от 0,1 до 10 мм. На фиг. 3 представлен эскиз фильтра, согласованного с электрическим полем моды TE_4,2 в волноводе круглого сечения, начерченный по оптимальным параметрам. На фиг. 4 и фиг. 5 представлены зависимости коэффициента прохождения S₂₁ и отражения S₁₁ от толщины фильтра, полученные в результате численного расчета, согласно которым наиболее оптимальная толщина фильтра составляет приблизительно 5 мм, что соответствует половине длины волны на частоте 30 ГГц.

Таким образом, разработана конструкция волноводного фильтра в виде размещаемого в волноводе диска с круглыми сквозными отверстиями, расположенными концентрическими рядами. Радиусы отверстий в каждом ряду равны между собой и обеспечивают одномодовый режим распространения низшей моды TE_1,1 вдоль этих отверстий. Центры отверстий соответствуют локальным максимумам электрического поля моды ТЕ-типа, а настройка величины развязки выделяемой моды ТЕ-типа с остальными модами осуществляется подбором толщины металлического диска. Такая конструкция фильтра позволяет выделить моды высокого порядка в волноводе круглого сечения с возможностью подбора коэффициента ее развязки с другими модами.

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности к фильтрам. Волноводный фильтр, представляющий собой диск, радиус которого соответствует внутреннему радиусу волновода круглого сечения, содержащий электродинамическую систему, согласованную с полем падающей волны. При этом диск изготовлен из металла, при этом в диске для выделения моды типа TЕ_m,n выполнены круглые сквозные отверстия, расположенные концентрическими (2n-1) рядами, при этом в каждом ряду расположены 2m отверстий, радиусы которых равны между собой и находятся из условия обеспечения одномодового режима распространения низшей моды TE_1,1 вдоль этих отверстий, при этом центры отверстий соответствуют локальным максимумам электрического поля моды типа TЕ_m,n, а настройка величины развязки выделяемой моды типа TЕ_m,n с остальными модами осуществляется подбором толщины металлического диска, исключающей передачу активной мощности через отверстия посредством реактивно затухающих волн, но не допускающей снижения коэффициента прохождения выделяемой моды типа TЕ_m,n ниже требуемого значения. Технический результат – выделение мод высокого порядка в волноводе круглого сечения с возможностью подбора коэффициента ее развязки с другими модами. 5 ил.

Волноводный фильтр, представляющий собой диск, радиус которого соответствует внутреннему радиусу волновода круглого сечения, содержащий электродинамическую систему, согласованную с полем падающей волны, отличающийся тем, что диск изготовлен из металла, при этом в диске для выделения моды типа TЕ_m,n выполнены круглые сквозные отверстия, расположенные концентрическими (2n-1) рядами, при этом в каждом ряду расположены 2m отверстий, радиусы которых равны между собой и находятся из условия обеспечения одномодового режима распространения низшей моды TE_1,1 вдоль этих отверстий, при этом центры отверстий соответствуют локальным максимумам электрического поля моды типа TЕ_m,n, а настройка величины развязки выделяемой моды типа TЕ_m,n с остальными модами осуществляется подбором толщины металлического диска, исключающей передачу активной мощности через отверстия посредством реактивно затухающих волн, но не допускающей снижения коэффициента прохождения выделяемой моды типа TЕ_m,n ниже требуемого значения.