3.2.5.10Фильтры свч

Классификация фильтров.

Под идеальным фильтром понимают четырехполюсник, модуль коэффициента затухания = которого равен единице в заданной полосе частот (полосе пропускания) и бесконечно велик на всех частотах вне этой полосы (полосе заграждения). По взаимному расположению полос пропускания и заграждения делятся на фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры (ПФ) и режекторные фильтры (РФ). Характеристики идеальных фильтров

Рис.5.15, а, б, в, г

каждого типа приведены на рис. 5.15, а, б, в, г (полоса пропускания выделена штриховкой). В полосе заграждения энергия электромагнитной волны либо отражается от входа фильтра (фильтр отражающего типа), либо поглощается в элементах фильтра (фильтр поглощающего типа). Реализация фильтров с идеальными характеристи-ками невозможна, поэтому частотные характеристики всегда имеют вид плавных кривых. Затухание фильтров обычно выражают в децибеллах:

(5.2)

Полная величина потерь, вносимых фильтром, складываются из тепловых потерь, вызванных отражением от входа фильтра.

Эквивалентная схема фильтра отражающего типа.

Фильтры отражающего типа состоят из реактивных элементов, сопротивление ко-торых подбирается таким образом, чтобы на частотах полосы пропускания волны, отраженные от этих элементов, компенсировали друг друга на входе фильтра. Входное сопротивление фильтра в полосе пропускания близко к волновому сопро-тивлению линии. В пределах полосы заграждения компенсация отсутствует. Ослабление сигнала на выходе фильтра определяется почти полным отражением энергии от его входа. Входное сопротивление фильтра в полосе заграждения близко к чисто реактивному.

Широкое применение в технике сверхвысоких частот получили так называемые лестничные отражающие фильтры. Эквивалентная схема таких фильтров совпа-дает со схемой лестничных фильтров , выполненных из рективных элементов с сосредоточенными постоянными (рис.5.20, а, б, в, г). Для реализациилестничныхфильтров необходимы элементы линии передачи, эквивалентные по своим па-раметрам сосредоточенным индуктивностям, емкостям, последовате-льным и па-раллельным контурам. В предыдущем разделе было показано, что элементом, со-ответствующим параллельному контуру, может служить проходной резонатор. Элементами, соответствующими сосредоточенным индуктивностям и емкостям, являются диафрагмы, штыри (см. предущие разделы) и др.

Рис. 5.14, а, б, в, г

В связи с этим синтез лестничного фильтра сводится к решению двух задач:

- синтезу низкочастотной эквивалентной схемы фильтра, обладающей требуемы-ми характеристиками;

- реализации полученной эквивалентной схемы , т. е. замене сосредоточенных индуктивностей и емкостей эквивалентной схемы отрезками линий передачи , резонаторами, штырями, диафрагмами и другими неоднородностями. Синтез фильтров по низкочастотной эквивалентной схеме дает хорошие результаты только для сравнительно узкополосных систем, так как близкая аналогия между неоднородностями и эквивалентными схемами из сосредоточенных постоянных сохраняется в относительно узкой полосе частот.

Методы синтеза низкочастотной эквивалентной схемы по заданным характерис-тикам фильтра , подробно рассматриваются в курсе теории цепей.

Реализация лестничного фильтра.

Методы реализации низкочастотной эквивалентной схемы:

- в качестве индуктивного элемента можно использовать индуктивную диафраг-му, индуктивный штырь, короткозамкнутый отрезок линии передачи короче чет-верти длины волны;

- в качестве емкостного элемента – емкостную диафрагму, емкостной штырь,ко-роткозамкнутый отрезок линии передачи короче половине длины волны, но длин-нее четветри длины волны.

В любом случае при выборе метода необходимо стремиться к простоте кон-струкции, малым потерям в его элементах, простотой настройки и пр.

Для примера ограничимся рассмотрением одного широко применяемого на прак-тике полосового фильтра, выполненного из отрезков волновода прямоугольного сечения, эквивалентная схема которого приведена на рис.5.14,в.Основным эле-ментом такого фильтра является, рассмотренный в разделе 3.2.5.9 проходной резонатор, эквивалентный параллельному контуру, включенному в линию пере-дачи параллельно (см. рис.5.11).В качестве последовательного контура, включенного в линию последовательно, также используется проходной резонатор, ко входу и выходу которого подключены отрезки линии, имеющие длину в четверть волны на центральной частоте полосы пропускания фильтра( рис. 5.15 ).

В волноводных фильтрах чаще всего применяют резонаторы, на входе и выходе которых включены решетки из индуктивных штырей. Диаметры штырей чаще

Рис. 5.15

всего определяют из экспериментальной зависимости величины от числа штырей и их диаметра. При величине нагруженной добротности резонатора до 35 решетку целесообразно выполнить из двух штырей. При больших значениях число стержней соответственно увеличивается. Общий вид трехзвенного полосового фильтра с четвертьволновыми отрезками и его эквивалентная схема показаны на рис.5.16. Фильтр выполняется в виде отрезка волновода, в котором на определен-

Рис.5.16

ных расстояниях друг от друга размещаются решетки из индуктивных штырей. Внутренняя поверхность волновода часто покрывается слоем серебра, что умень-шает потери. Для настройки на резонансную частотуиспользуются настроечные емкостные штыри.

В коаксиальных и полосковых линиях в качестве проходного резонатора использется резонатор, изображенный на рис. 5.17. Нагруженная добротность

подобного резонатора зависит от величины зазора между отрезками внутренних проводников линии.Чем меньше величина зазора, тем больше емкость между

торцами резонаторов и тем сильнее связь резонаторов с линией,т.е. с уменьше-нием величины зазора добротность резонатора падает. Так как площадь торцевой поверхности мала, то для получения большой емкости требуется обеспечить ма-

Рис.5.17

лые зазоры, что затрудняет процесс производства и настройки фильтра. Поэтому чаще применяют полосковые фильтры, в которых проходные резонаторы, выпол-

Рис.5.18

ненные в полосковом исполнении,расположены параллельно друг другу и основ-ной линии (рис. 5.18)- так называемые фильтры на встречных стержнях. На рису-нке не показаны диэлектрические пластины, поддерживающие полосковые эле-менты. Область связи в таких конструкциях полосковых резонаторах сущест-веннее протяженной, что позволяет оставлять достаточно большой зазор между проводниками. И это, естественно, более технологичная конструкция. В фильтре, изображенном на рисунке 5.18, резонаторами являются разомкнутые на обоих концах полуволновые отрезки линии.В фильтре на встречных стержнях приме-нены резонаторы , нагруженные на одном конце на емкость ( образованную между элементами стержней) и замкнутые на коротко на другом конце. Эта емкость влияет на длину резонатора, обычно не превышающую четверти длины волны.

В качестве основного элемента волноводных режекторных фильтров часто применяют объемный резонатор, подключенный к основному волноводу, как

показано на рис. 5.19. Из рисунка видно, что в резонаторе параллельно инду-ктивной стержневой диафрагме включен короткозамкнутый отрезок линии длиной . Эквивалентная схема резонатора имеет вид, изображенный на рис.5.19,б. Резонанс имеет место, когда входное сопротивление короткозам-кнутого отрезка линии передачи противоположно по знаку и равно по величине

реактивному сопротивлению индуктивной диафрагмы. Поэтому короткозамкнутый отрезок линии передачи должен обладать емкостным входным сопротивлением и, соответственно, его длина больше четверти длины, но меньшеполуволны в волно-

Рис.5.19,а,б

воде. Если на входе резонатора включено емкостное реактивное сопротивление

(например, емкостная диафрагма), длина короткозамкнутого отрезка не превы-шает четверти длины волны в волноводе. На резонансной частоте, если прене-бречь потерями в резонаторе, его входное сопротивление в качестве параллель-ного контура равно бесконечности, что соответствует разрыву цепи между сече-ниями, ограниченными линиями пересечения резонатора с широкими стенками основного волновода рис. 5.19,а, в результате чего происходит почти полное отражение энергии. Путем включения подобных резонаторов на расстоянии, равном , можно получить многозвенный режекторный фильтр, эквива-лентная схема которого изображена на рис. 5.14,г.