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

8

Рис. 6. Конструкции СВЧ систем полосно-пропускающих фер­ ритовых фильтров с ВЭС:

а — однорезонаторный; 6 — двухрезонаторный; в— трехрезонаторный; г —четырехрезонаторный; о — схема крепления витка меж­ каскадной связи.

Основой СВЧ системы фильтра является корпус 1, в ко­ тором закреплены входная и выходная коаксиальные ли­ нии передачи 3 с СВЧ разъемами 4 и держатели 2 с ферри­ товыми резонаторами 6. Металлические перегородки 5 с диэлектрическими втулками 9, сквозь которые пропущены проводники межкаскадной связи 8, обеспечивают разделе-

20

ние отдельных каскадов, исключая непосредственную вза­ имную связь резонаторов через их поля излучения. Витки связи 7 резонаторов с коаксиальными линиями передачи и проводники межкаскадной связи 8 охватывают феррито­ вые резонаторы и расположены ортогонально друг к дру­ гу в каждом каскаде фильтра. Корпус СВЧ системы изго­

магнита обеспечивает надежную экранировку фильтра. СВЧ корпус расположен в воздушном зазоре электромагни­ та, величина зазора составляет несколько миллиметров и определяется в основном сечением применяемых коакси­ альных линий. Для уменьшения мощности, потребляе­ мой магнитной системой, применяют смещающие постоян­ ные магниты в виде дисков из самарийкобальтового соста­ ва. Эти диски следует располагать в магнитной системе вдали от воздушного зазора (рис. 7), что обеспечивает од­ нородность постоянного магнитного поля в месте располо­ жения ферритовых резонаторов. Напряженность смещаю­ щего поля подмагничивания должна соответствовать нас­ тройке фильтра либо на нижнюю, либо на среднюю частоту

21

рабочего диапазона. Последний случай предпочтителен с точки зрения экономичности перестройки, однако требу­ ет применения источника тока, позволяющего изменять по­ лярность управляющего поля подмагничивания при пере­ стройке фильтра.

3. ПАРАМЕТРЫ ФЕРРИТОВЫХ ФИЛЬТРОВ

Для оценки различных конструкций фильтров и их тех­ нических возможностей можно использовать систему па­ раметров, приведенную в табл. 3, в которой все параметры электрически перестраиваемых ферритовых фильтров клас­ сифицированы по нескольким группам. Рассмотрим пара­ метры, представляющие наибольший практический интерес.

Таблица 3

Классификация параметров СВЧ фильтров

22

Продолжение табл. 3

Параметры цепей управ­ Активное сопротивление ления Индуктивность

Постоянная времени Крутизна перестройки Нелинейность перестройки Гистерезис Характеристики нагревателя

Допустимые механические воздействия в ра­ бочем и нерабочем состоянии фильтра Допустимые климатические воздействия (вла­ га и т. п.) в рабочем и нерабочем состояни­ ях фильтра Магнитная экранировка фильтра

Конструктивные парамет­ Сечение входной и выходной линий передачи ры Тип разъема

Волновое сопротивление линий передачи Габаритные размеры Масса

Дополнительные парамет­ Срок службы

23

Диапазон частот перестраиваемых фильтров на моно­ кристаллах ферритов зависит от ряда факторов. Посколь­ ку рабочая частота фильтра прямо пропорциональна на­ пряженности поля подмагничивания, то верхняя граница диапазона частот определяется магнитной системой. Ниж­ няя граница зависит от величины намагниченности насыще­ ния используемого монокристалла, которую можно умень­ шить, подбирая состав кристалла или подогревая его. Ниж-

,нюю границу можно также изменять, используя эффект анизотропии формы. Так, применение резонатора в форме нормально намагниченного диска позволяет снизить гра­ ничную частоту почти в 10 раз по сравнению со сферичес­ ким ФР из того же кристалла. С учетом отмеченных фак­ торов можно считать, что в настоящее время реально создание перестраиваемых фильтров на монокристаллах в диапазоне от 0,1 до 50 ГГц. При этом в диапазоне от 0,1 до 18—20 ГГц целесообразно использовать витковую (полувйтковую) связь с ФР, а в более коротковолновом диапазоне — связь ФР с волноводами. Волноводные конструкции приме­ няются и на частотах ниже 18 ГГц, если необходимо реали­ зовать невзаимные свойства ферритов для создания много­ функциональных фильтров, а также при конструировании измерительных устройств с ФР [14, 20, 21].

Рассмотрим основные параметры АЧХ полосно-пропус­ кающего фильтра (рис. 8). Минимальные вносимые потери в полосе пропускания (Ьмт) в основном определяются сте­ пенью связи резонаторов с линиями передачи СВЧ. В за­ висимости от числа резонаторов в фильтре и диапазона перестройки потери составляют от 0,5 дБ для однорезона­ торных до 6—8 дБ для многорезонаторных широкодиапа­ зонных фильтров. Для уменьшения вносимых фильтром потерь целесообразно использовать витковую связь или линии передачи замедленных электромагнитных волн, например заполненные диэлектриком волноводы и коак­ сиальные линии.

Полоса пропускания на уровне 3 дБ (2А/3) зависит от

24

величины собственной добротности резонаторов, степени их связи с линиями передачи и лежит в пределах 10—70 МГц в зависимости от числа резонаторов и диапазона частот фильтра. С увеличением числа резонаторов полоса пропус­ кания фильтра на связанных резонаторах расширяется.

Рис. 8. Амплитудно-частотная характеристика полоснопропускающего фильтра.

Частотная избирательность определяется как измене­ ние вносимого затухания при заданной расстройке, напри­ мер, на величину полосы пропускания фильтра. При этом для каскадных фильтров с ВЭС получают следующие зна­ чения избирательности: для однокаскадных 6 дБ, двух­ каскадных — 12 дБ, трехкаскадных — 18 дБ, четырех­ каскадных — 24 дБ при расстройке на величину полосы пропускания.

25

Избирательность иногда удобно оценивать коэффици­ ентом прямоугольности, представляющим собой отношение полос пропускания на уровне 3 дБ и на некотором другом уровне, например, на уровне 20 дБ

Кир = 2Af3/2AfL.

Развязка фильтра (Lc) представляет собой степень затухания потока электромагнитной энергии через фильтр при отсутствии поля подмагничивания. Она зависит от кон­ струкции фильтра, числа используемых резонаторов, диапа­ зона частот и обычно лежит в пределах от 30 дБ для одноре­ зонаторных до 80—90 дБ для четырехрезонаторных фильтров.

Уровень паразитных резонансов вне полосы пропуска­ ния (Ln.p) зависит от степени связи линий передачи маг­ нитостатическими высшими видами колебаний. В трех - и че­ тырехрезонаторных фильтрах удается снизить этот уровень до 50—70 дБ. В ряде случаев магнитостатические высшие виды колебаний могут ухудшать характеристики фильтра и в полосе пропускания, проявляясь в виде высоко­ добротных пиков поглощения, увеличивая вносимые поте­ ри дополнительно на ALMHH= 1...2 дБ и перемещаясь по полосе пропускания при изменении частоты настройки фильтра. Неравномерность АЧХ в полосе пропускания может быть обусловлена взаимной расстройкой резонато­ ров в отдельных каскадах, а также сильной взаимной свя­ зью ФР в многорезонаторных фильтрах.

При работе необходимо учитывать возможныеизмене­ ния параметров фильтров и особенно температурные не­ стабильности. Влияние температуры проявляется, прежде всего, в изменении резонансной частоты фильтра. Соответ­ ствующим расположением сферических резонаторов уда­ ется уменьшить изменение резонансной частоты до 6...

8 МГц в диапазоне температур от —20 до +60° С. При этом возможны также изменения вносимых потерь, полосы пропускания и уровня паразитных резонансов как в полосе пропускания, так и за ее пределами.

26

Характеристики управления резонансной частотой филь­ тров близки к линейным. Отклонение от линейности зависит от качества магнитной системы фильтра и прежде всего от гистерезиса и составляет ±0,1% - Крутизна перестройки характеризуется смещением резонансной частоты при изме­ нении управляющего тока магнитной системы и обычно составляет 10—20 МГц/мА. Скорость перестройки резонанс­ ной частоты существенно зависит от характеристик используемой магнитной си­ стемы.

Допустимая рабочая мощ­ ность фильтров ограничена не­ линейными эффектами при ферромагнитном резонансе. Выше порогового значения увеличиваются вносимые поте­ ри и резко уменьшается доб­ ротность резонаторов. Поро­

говая мощность ферритовых фильтров на монокристаллах зависит от параметров материала, рабочей частоты, формы резонатора, степени связи его с линиями передачи и других факторов. В зависимости от связи однородной прецессии и спиновых волн различают несколько характерных об­ ластей частот СВЧ фильтров (рис. 9). Область / соответству­ ет ненасыщенному состоянию феррита. В режиме совпаде­ ния основного и дополнительного резонансов (область //) пороговая мощность ЖИГ фильтров обычно составляет

10~45 Вт. В режиме насыщения основного резонанса (об­ ласть III) пороговая мощность фильтров 0,01—0,1 Вт.

4.РАСЧЕТ ФЕРРИТОВЫХ ФИЛЬТРОВ

СВИТКОВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СВЯЗИ

Для создания малогабаритных фильтров и других уст­ ройств на их основе очень широко используется связь ФР с витками или иолувитками, которые определенным

27

образом соединяют друг с другом и с внешними цепями СВЧ. В основе инженерного расчета таких устройств лежат ре­ зультаты теоретического анализа связи ФР с системой витковых элементов [24]. В обобщенном виде такая система со­ держит п скрещенных элементов связи, каждый из которых представляет собой отрезок проводника, изогнутого по ду­ ге окружности радиуса Rk (k = 1, 2, 3, ...,« ) в плоскости, перпендикулярной хОу (рис. 10, б для п = 3). В общем гео­ метрическом центре этих элементов связи расположен

сферический ФР с радиусом Rc. Поле подмагничивания Нр направлено вдоль оси г.

Анализ исследуемой системы проведем при следующих предположениях: а) учитываем только однородную пре­ цессию переменной намагниченности феррита; б) предпо­ лагаем, что магнитное поле СВЧ в месте расположения ФР однородно и при Rc < (0,3—0,4)#ft равно полю в центре витка [22]; в) пренебрегаем активным сопротивлением вит­ ков; г) рассматриваем только гармонический режим СВЧ сигналов. С учетом этих допущений задачу решаем в ли­ нейном приближении. На первом этапе вычислим полные магнитные потоки, сцепленные с каждым витком связи и обусловленные как токами в витках, так и полями излуче­

ния ФР. Токи в витках создают магнитные поля Лв*, кото­ рые, в свою очередь, вызывают колебания намагниченнос­ ти ФР. Поле излучения ФР в квазистатическом приближении совпадает с полем точечного диполя [13]

Зг0 (тсг0) — тс

К4пг3

Уф ii X — соответственно объем и тензор магнитной воспри­ имчивости ФР, определяемый формулами (2) — (4).

После вычислений полных магнитных потоков рассчи­ тываем матрицу полных сопротивлений, устанавливающую

Рис. 10. Сферический ферритовый резонатор в системе витковых элементов связи (а) и проекция системы на плос­ кость хОу (б).

связь между токами и напряжениями на зажимах исследуе­ мого многополюсника:

менту связи; х0, у0 — орты осей х и у соответственно; пм —

29