книги из ГПНТБ / Ильченко, М. Е. Твердотельные СВЧ фильтры

частотной намагниченности по объему резонатора. Наряду с этим, возможны и высшие виды колебаний, характеризу­ ющиеся неоднородным распределением упомянутых ампли­ туд и фаз. Резонансная частота однородной прецессии опре­ деляется формой резонатора и приложенным полем подмагничивания. Для сферического ФР резонансная частота является линейной функцией подмагничивающего поля и в первом приближении определяется формулой (5).

Собственная добротность является одним из основных параметров ФР, характеризующим его частотно-избира­ тельные свойства, и для резонатора в форме эллипсоида вращения с осью вращения, направленной вдоль поля подмагничивания, связана с параметром а соотношением Q0 = 1/(2а). Зависимость собственной добротности ФР от частоты можно учесть формулой [11]

где Q„ — собственная добротность, измеренная на частоте сои; N, — размагничивающий фактор вдоль направления поля подмагничивания (для сферического ФР Nz = 1/3). Собственная добротность уменьшается на низких частотах, достигая нулевого значения на граничной частоте согр = = Л'гсот . Собственная добротность зависит также от гео­ метрической формы резонатора. Для диска, намагничен-

*ного касательно, и цилиндра, намагниченного продольно, величина Q0 больше, чем для сферы.

Магнитная восприимчивость при резонансе %р представ­ ляет собой отношение намагниченности насышения к шири­ не резонансной кривой ненагруженного резонатора и на­ ряду с его объемом является основным параметром, определяющим степень связи резонатора с цепями СВЧ.

Ферритовые резонаторы характеризуются также зна­ чением порогового СВЧ магнитного поля, определяющим в конечном счете интенсивность СВЧ сигнала, выше которой

11

резонатор становится нелинейным, что одновременно умень­ шает его добротность. Приближенная теория, основанная на объяснении нелинейных явлений в предположении па­ раметрического возб>ждения в ФР спиновых волн, впервые разработана Сулом [391. Нелинейные эффекты в ФР ограни­ чивают рабочие уровни мощности фильтров, в то же время они используются для создания ограничителей и других нелинейных устройств СВЧ.

2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ФИЛЬТРОВ НА МОНОКРИСТАЛЛАХ ФЕРРИТОВ

Одним из наиболее распространенных применений ре­ зонаторов на монокристаллах ферритов является использо­ вание их в фильтрах, электрически перестраиваемых в диапазоне частот. Принцип работы таких фильтров осно­ ван на явлении связи ФР с линиями передачи.

В полосно-прэпускающих фильтрах входную и выходную передающие линии (одинакового или различного типа) сое­ диняют таким образом, чтобы обеспечить требуемое затуха­ ние потока электромагнитной энергии через конструктив­ ные элементы связи при отсутствии поля подмагничивания. Конструктивные элементы представляют собой отверстия связи, отрезки запредельных волноводов, витки или полувитки из проволоки малого диаметра. ФР располагают так, чтобы обеспечить требуемую степень его взаимодействия с магнитным полем СВЧ как входной, так и выходной линии передачи. Резонатор подмагничивают внешним управ­ ляющим полем, создаваемым при помощи электромагнита. В режиме ферромагнитного резонанса электромагнитная энергия, поступающая на вход фильтра, переизлучается в выходную линию передачи.

При конструктивном выполнении фильтров необходимо соблюдать следующее.

1. Для максимальной связи ФР с линиями передачи е следует располагать в области максимального СВЧ магнит­ ного поля.

12

2. При перестройке фильтра в широкой полосе частот магнитное поле СВЧ в месте расположения ФР не должно сильно изменяться.

3. Для уменьшения габаритных размеров, массы и по­ требляемой мощности цепи управления необходимо, чтобы воздушный зазор магнитной системы, где расположен ре­ зонатор, был минимальным.

На основе этих принципов в настоящее время разрабо­ тано множество конструкций ферритовых СВЧ фильтров. В табл. 2 приведена классификация фильтров по различ­ ным критериям.

Таблица 2

Классификация ферритовых фильтров на монокристаллах

Тип фильтра

Узкодиапазонные (с перестройкой в диапазо не меньше октавы), широкодиапазонные (с пе­ рестройкой в пределах октавы и больше)

Однорезонаторные, двухрезонаторные и т. д Волноводные, коаксиальные, полосковые, витковые

Число выполняемых функ­ Однофункциональные, многофункциональные ций Связь с линиями передачи Фильтры с ферромагнитной резонансной или

резонансной и дополнительной реактивной связью

Рассмотрим типичные варианты конструктивного выпол­ нения различных фильтров и их основные особенности. При построении однорезонаторных полосно-пропускающих фильтров используется одна из следующих схем [14]: 1) включение ферритового резонатора в качестве элемента связи и неоднородности в согласованные или короткозамкнутые линии передачи; 2) включение ФР в качестве проходного элемента между двумя линиями передачи. Схема­ тическое изображение взаимного однорезонаторного полоснопропускающего фильтра на основе волновода, разделенного перегородкой с отверстием, в которое помещен резонатор,

13

показано на рис. 1, а. Аналогично могут быть построены фильтры на коаксиальных или полосковых линиях переда­ чи. В ряде случаев целесообразно использовать подключе­ ние коаксиальных или полосковых линий к витковым (или полувитковым) элементам связи с резонатором. При парал­

лельном расположении вит­ ков (рис. 1, в) полностью реализуются взаимные ха­ рактеристики фильтра, тог­ да как фильтр на ортого­ нальных витках (рис. 1, б) имеет невзаимные фазовые характеристики и его мож­ но использовать на гораздо более высоких частотах [24]. Ортогональные витковые элементы связи наиболее удобны при построении, фильтров, перестраиваемых в диапазоне нескольких октав.

В однокаскадном фильт­ ре (рис. 2) резонатор рас­ положен в отверстии связи, выполненном в области круговой поляризации СВЧ магнитного поля двух орто­ гонально расположенных прямоугольных волноводов [9, 59]. Несмотря на

большую величину воздушного зазора магнитной си­ стемы по сравнению с фильтром, показанным на рис. 1, а, эта конструкция представляет особый практический ин­ терес, поскольку в ней реализованы невзаимные свойства феррита. В результате фильтр, наряду с частотной селек­ цией, выполняет одновременно функции вентиля и цирку*

14

лятора. Аналогичный эффект можно получить при исполь­ зовании полосковых или коаксиальных линий передачи с частичным диэлектрическим заполнением [14]. Воздушный зазор магнитной системы невзаимных фильтров можно уменьшить, если использовать включение волновода с ре­ зонатором в мостовые схемы [14] или в фильтрах на сов­ мещенных линиях передачи, например, при расположении

кая подложка полосковых линий.

внутри прямоугольного волновода полосковой линии, в которой искусственно создана область с круговой поляри­ зацией СВЧ магнитного поля.

Иногда применяются электрически перестраиваемые фильтры с регулируемой полосой пропускания. Этим свой­ ством обладает фильтр [6], выполненный на основе короткозамкнутой металлической трубы (рис. 3), внутри которой на ее оси расположен сферический ФР. Входная и вы­ ходная линии передачи фильтра представляют собой несимметричные полосковые линии, которые образованы внутренней поверхностью упомянутой трубы и двумя лен­ точными проводниками, расположенными диаметрально

15

противоположно на цилиндрической диэлектрической подло­ жке. Изменяя угол между направлением поля подмагничивания и вектором СВЧ магнитного поля полосковых линий, добиваются изменения степени связи ФР с линиями пере­ дачи и регулирования полосы пропускания фильтра.

Отметим, что элементы конструкции фильтра, находя­ щиеся вблизи ФР и необходимые для связи с ним, приво­ дят к неоднородному распределению СВЧ магнитного по­ ля по объему резонатора. Следствием этого, а также не­ однородности приложенного подмагничивающего поля в месте расположения резонатора, является интенсивное возбуждение магнитостатических высших видов колеба­ ний, которые ухудшают характеристики фильтров и, в частности, приводят к появлению дополнительных полос пропускания. Эти полосы пропускания с затуханием 15— 20 дБ, а также низкая частотная селективность в ряде случа­ ев ограничивают применение фильтров с одним резонато­ ром, стимулируя разработку многорезонаторных фильтров,

Все многорезонаторные ферритовые фильтры можно раз­ делить на две группы по характеру связи между резонато­ рами. К первой группе относятся фильтры на связанных резонаторах, работа которых основана на явлении взаим­ ной связи между резонаторами посредством их электромаг­ нитных полей излучения. Ко второй группе относятся филь­ тры, в которых непосредственная взаимная связь между ре­ зонаторами не является определяющей, а передача энергии от одного резонатора к другому осуществляется через от­ резки линий передачи — каскадные фильтры.

При конструировании полосно-пропускающих фильт­ ров на взаимно связанных резонаторах (рис. 4) в качестве элементов связи могут быть использованы диафрагмы [151 или отрезки запредельных волноводов [20, 57]. Известны также фильтры, в которых взаимная связь осуществляет­

16

ся через свободное пространство [2]. Входная и выходная линии передачи могут быть волноводными, коаксиальны­ ми или полосковыми. Степень

Поэтому представляют интерес фильтры, в которых повыше­ ние избирательности достигается не только увеличением числа резонаторов, а и введением дополнительных реактив­ ных связей между линиями передачи. При этом работа

17

фильтров основана на передаче электромагнитной энергии из входной линии передачи в выходную как за счет резонанс­ ной связи через феррит, так и за счет реактивной связи. Это обусловливает специфический вид амплитудно-частот­ ной характеристики (АЧХ) фильтра: при некоторой рас­ стройке выше и ниже частоты ферромагнитного резонанса

Из всех возможных способов связи монокристаллических ферритовых резонаторов с цепями СВЧ следует выде­ лить связь при помощи витков, охватывающих резонатор [7, 22, 42]. Этот вид связи: 1) обеспечивает высокую кон­ центрацию СВЧ магнитного поля в месте расположения резонатора, причем напряженность этого поля мало изменя­ ется в широком диапазоне частот; 2) позволяет удачно со­ четать ферритовые резонаторы с полупроводниковыми эле­

18

ментами (транзисторами, диодами, варакторами и др.); 3) обеспечивает минимальную величину воздушного зазора магнитной системы, а следовательно, минимальные габарит­ ные размеры и массу фильтра. Все это является причиной наиболее широкого применения витковой связи при кон­ струировании малогабаритных фильтров на монокристал­ лах ферритов в диапазоне 0,1—20 ГГц.

Рассмотрим особенности построения широкодиапазон­ ных полосно-пропускающих фильтров с витковыми элемен­ тами связи (ВЭС) сферических ферритовых резонаторов. Характерной особенностью фильтров с ВЭС является нали­ чие индуктивности элементов связи резонаторов друг с другом и с подводящими линиями передачи. Индуктивность элементов связи, прежде всего, ограничивает верхнюю час­ тоту рабочего диапазона фильтра, что увеличивает вноси­ мые потери и сужает полосу пропускания фильтра. Иссле­ дования показывают, что в длинноволновой части диапазо­ на СВЧ, вплоть до частот 6—8 ГГц, элементы связи можно выполнять в виде почти замкнутых витков диаметром по­ рядка 1,5—2 мм при диаметрах сферических ферритовых резонаторов 0,8—1 мм. В более коротковолновой части диа­ пазона целесообразно использовать элементы связи в виде полувитков диаметром около 1 мм при одновременном уменьшении диаметра резонатора до 0,5—0,6 мм. Такие же соотношения диаметров полувитков и резонаторов следует применять при построении фильтров, перестраиваемых в диапазоне 1—20 ГГц.

Для исключения заметного ухудшения характеристик каскадных фильтров в коротковолновой части диапазона длина отрезков проволочных линий, соединяющих ВЭС с коаксиалами и друг с другом, должна быть минимальна. Наряду с этим, нежелателен изгиб плоскости витка относи­ тельно оси подключаемой коаксиальной линии, поскольку он увеличивает резонансные потери фильтра.

Конструкции различных СВЧ систем фильтров, удов­ летворяющие изложенным требованиям, показаны на рис. 6.

19