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

ного материала резонатора можно путем его подогрева или охлаждения, что однако не всегда практически применимо. При использовании сегнетоэлектрических материалов из­ менять е, а следовательно, и резонансную частоту можно, регулируя напряженность приложенного электрического поля. Однако большие потери в сегнетоэлектрических мате­ риалах не позволяют в настоящее время реализовать на их основе электрически перестраиваемые резонаторы с высо­ кой добротностью.

Магнитная перестройка частоты ОДР становится воз­ можной при расположении вблизи или внутри диэлектри­ ческого резонатора образца из феррита (рис. 21, б, в). При слабых полях подмагничивания вследствие изменения магнитной проницаемости феррита происходит изменение резонансной частоты такого составного феррито-диэлектри­ ческого резонатора. В этом режиме характеристики пере­ стройки ФДР определяются в основном параметрами ди­ электрика и намагниченностью насыщения феррита. Маг­ нитные потери в феррите не играют существенной роли и поэтому могут быть использованы поликристаллические фер­ риты. Для расширения полосы перестройки целесообразно применять ферриты с возможно большей величиной намаг­ ниченности насыщения.

Перестройка частоты составного ФДР основана на связи между диэлектрическим объемным резонансом в ОДР и ферромагнитным резонансом в ФР. При сильной взаимной связи ФДР имеет две резонансные частоты, что позволяет использовать его при создании многочастоткых фильтров. Другой практически важной особенностью составного ФДР является возможность регулирования порогового уровня мощности фильтров на основе ФДР, что более подробно будет рассмотрено ниже.

Характеристики ФДР существенно зависят от напряжен­ ности поля подмагничивания и степени взаимной связи ОДР и ФР. Эта взаимная связь увеличивается с ростом объ­ ема феррита и будет максимальной, если весь образец

51

резонатора целиком изготовлен из феррита. Вследствие того, что ферриты обладают диэлектрической проницаемостью порядка 10— 15, при выполнении условий полного внутрен­ него отражения электромагнитной волны возникает объем­ ный резонанс аналогично, как в обычных ДР. Объемные ферритовые резонаторы, подобно ДР, могут быть открыты­ ми, полуоткрытыми и закрытыми. В открытых ферритовых резонаторах собственная добротность в значительной сте­ пени определяется величиной не магнитных, а диэлектри­ ческих потерь в феррите. В силу этого для их создания целе­ сообразно применять поликристаллические ферриты, зна­ чительно более технологичные и дешевые по сравнению с монокристаллическими. В табл. 5 приведены основные пара­ метры при комнатной температуре [41] выпускаемых се­ рийно поликристаллов иттриевых феррогранатов, пригод­ ных для ОФР.

Поведение объемного ферритового резонатора при изме­ нении напряженности поля подмагничивания во многом ана­ логично ФДР. В режиме слабых управляющих магнитных полей, много меньших напряженности поля, соответствую­ щей ферромагнитному резонансу, вследствие изменения маг­ нитной проницаемости феррита возможна частотная пере-

44стройка ОФР в полосе 10—15%. Аналогично можно обес­ печить частотную перестройку ОФР при полях, значительно

52

превышающих значение, соответствующее частоте ферро­ магнитного резонанса. Этот зарезонансный режим целесо­ образно использовать при построении перестраиваемых фильтров лля диапазона частот в несколько сотен мегагерц, а также для фильтров, работающих при повышенных мощ­ ностях СВЧ. Повышение рабочих мощностей можно обес­ печить использованием явления взаимной связи колебаний однородной прецессии намагниченности и объемных коле­ баний в ОФР. Характеристики резонатора, как это будет показано ниже, при определенных условиях не подвергают­ ся влиянию спин-волновых нестабильностей, что служит объективной предпосылкой для повышения рабочих мощ­ ностей фильтров.

Учитывая изложенные особенности резонансных явле­ ний, габаритные размеры, диапазон перестройки и рабочие мощности СВЧ твердотельных ОДР, ФДР и ОФР, отметим, что рассматриваемые фильтры на диэлектриках и поли­ кристаллах ферритов логично дополняют класс существую­ щих и разрабатываемых твердотельных фильтров на моно­ кристаллах ферритов и наряду с ними могут быть успешно использованы в технике СВЧ.

2. ФИЛЬТРЫ НА ОТКРЫТЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРАХ

Для построения малогабаритных СВЧ устройств могут быть использованы ОДР различной формы: цилиндрические (дисковые), прямоугольные, сферические и др. Применение этих резонаторов в частотных фильтрах основано на воз­ буждении преимущественно основных видов колебаний ОДР. В цилиндрическом ОДР основным магнитным колебанием является ДЕшб• Этот вид колебаний возбуждается магнит­ ной составляющей СВЧ поля, совпадающей с осью цилинд­ рического резонатора. Составляющие электрического и маг­ нитного полей этого вида колебаний внутри резонатора при | г\ < LJ2 в цилиндрической системе координат с началом в

53

геометрическом центре резонатора и осью г, направленной вдоль оси резонатора, приближенно представляются в виде:

Ев = /cop0tfoprVo (Р/) cos (fV) е~'ю‘;

Нг = - РЛРГ’Л ( М sin (IV) e~ia\

/ / 2 = //0./0(fV) COS (pz) e~iat.

Н0— амплитуда СВЧ магнитного поля внутри ОДР; б — па­ раметр, показывающий, какая часть полуволны укладывает­ ся по толщине резонатора вдоль оси г. Параметр б и вели­ чину Рог Для изотропного ОДР вычисляют по формулам:

Ориентировочный расчет /р можно провести, восполь­ зовавшись табл. 6, где приведена зависимость произведения LaIр V е от отношения LA/D.

Таблица 6

В прямоугольном ОДР распределение электрического и магнитного полей основного вида колебаний ТЕ иь имеет конфигурацию, аналогичную конфигурации в цилиндриче­ ском ОДР с колебаниями ТЕон- Причем для кубической

54

формы резонатора возможны три независимые ориентации колебаний ТЕ\\а, соответствующие трем возможным ориен­ тациям магнитного поля, параллельным осям резонатора. Резонансную частоту основного вида колебаний ТЕиь ОДР можно вычислить приближенно по формуле (19) при подстановке в нее диаметра D3 эквивалентного цилиндри­ ческого резонатора той же толщины Рд согласно соотноше­ нию

D3 = 1,53АВ,У А2 + В2 ,

где Л, В — поперечные размеры прямоугольного резонатора. В сферическом ОДР низшим видом является колебание

ТЕ\т\, резонансная частота которого

где R — радиус резонатора. Это колебание в сферическом ОДР аналогично кубическому имеет также три независимые ориентации распределения электрического и магнитного полей на одной и той же частоте fp, т. е. является трижды

вырожденным колебанием: т = 0,1, I.

При расчете фильтров взаимодействие ОДР с цепью СВЧ оценивается [14] коэффициентом связи, представляю­ щим собой отношение собственной добротности резонатора к его внешней добротности. Для расчета коэффициента свя­ зи удобно воспользоваться эквивалентным дипольным пред­ ставлением ОДР и формулой

К = 60я2 (РА,)-1 M JiBcos ф,

где Р — мощность, переносимая по линии передачи электро­ магнитной волной; ф — угол между направлением диполь­ ного момента Мд резонатора и направлением магнитного поля СВЧ hn линии передачи в месте расположения ОДР.

Определим коэффициент связи резонатора с согласован­ ным. прямоугольным волноводом по поперечной составляю­ щей поля (рис. 22):

65

ческой связи между амплитудой Н0 поля внутри резонатора и уровнем передаваемой по линии передачи мощности СВЧ можно воспользоваться результатами [281. Так, например, при связи квадратного (А — В) ОДР с согласованным пря­ моугольным волноводом при а = 90°

56

сложным образом зависит от положения ОДР в волноводе. Значение максимальной амплитуды СВЧ магнитного поля в резонаторе | Н0 | макс при заданном уровне передаваемой мощности Р достигается при со = со0 идля такого положения ОДР в волноводе, при котором К = 1, т. е. для критической связи ОДР с волноводом

реализуется также при критической с е я з и ОДР с волново­ дом /<к.з = 1. Анализ соотношений (24), (25) свидетельству­ ет о возможности существенной концентрации СВЧ маг­ нитного поля внутри ОДР, что может быть использовано для регулирования порогового уровня мощности фильтров и ограничителей мощности на составных феррито-диэлект­ рических резонаторах.

Полосно-заграждающие фильтры (ПЗФ). В большинст­ ве практических случаев для построения ПЗФ использует­ ся связь ДР с согласованной линией передачи. Для одно­

57

обобщенная расстройка резонатора; 2Д/0 — полоса про­ пускания ненагруженного ДР. При сильной связи пере­ дача электромагнитной энергии уменьшается за счет от­ ражения ее ко входу устройства.

Конструктивно фильтр можно построить на основе лю­

резках печатных несимметричных полосковых линий [26]. Использование дополнительной термокомпенсации резона­ тора позволяет при этом реализовать стабильность пара­ метров, сравнимую со стабильностью в фильтрах на полых резонаторах из инвара.

Для оценки степени связи малого по сравнению с гео­ метрическими размерами линии передачи цилиндрического ОДР с несимметричной полосковой линией можно восполь­ зоваться формулой

\2,8VllD4Q0F2fi2J(^dlnG),

где йл — расстояние между ленточным проводником и за­ земленной пластиной; кл — составляющая СВЧ магнитно­ го поля линии передачи в приведенной к геометрическому центру резонатора координате его расположения в линии;

58

параметр ц рассчитывается по формулам, приведенным в работе [18].

Реально достижимая степень режекдии в однорезонатор­ ных ПЗФ на основе согласованной линии передачи с ОДР обычно составляет 20—25 дБ. При этом добротность одно­ резонаторного фильтра почти в 10 раз меньше по сравнению с добротностью ненагруженного резонатора. В однорезона­ торных ПЗФ можно также использовать связь ОДР с ко­ роткозамкнутой линией передачи одновременно с приме­ нением мостовых схем или ферритовых циркуляторов. В этом случае при связи ОДР с короткозамкнутой линией передачи, близкой к критической /Скр.к.з = 2К — 1, реа­ лизуется значительное затухание на резонансной частоте при добротности фильтра примерно в 3 раза меньше собст­ венной добротности используемого ОДР.

Существенное повышение частотной избирательности и степени затухания ПЗФ можно получить при каскадном включении нескольких ОДР. В некоторых случаях целесо­ образно использовать связь отдельных резонаторов с лини­ ей передачи по различным составляющим СВЧ магнитного поля. При использовании прямоугольного волновода, на­ пример, такая связь достигается ориентацией плоских резонаторов вдоль поперечной и продольной составляющих магнитного поля, что позволяет регулировать степень взаимной связи отдельных ОДР и, следовательно, частот­ ную избирательность фильтра.

На рис. 23 показан двухрезонаторный ПЗФ на основе несимметричной полосковой линии передачи с дисковыми ОДР. В этом фильтре при высоте линии d„ = 2 мм, проницае­ мости подложки е = 2,5, ширине ленточного проводника b = 7 мм и дисковыми резонаторами, имеющими!) = 12 мм, 1д = 2,5 мм, е = 120 и расстояний между ОДР, равном 40 мм, реализованы следующие характеристики: затухание на резонансной частоте 2,7 ГГц равно 28 дБ, полоса загражде­ ния на уровне 3 дБ равна 5 МГц и полоса заграждения на уровне 20 дБ равна 30 МГц.

69

Для анализа характеристик ПЗФ на основе каскадно включенных ОДР при отсутствии взаимной связи между от­ дельными резонаторами можно использовать соотношения, описывающие однорезонаторный фильтр, и матричный ап­ парат расчета цепей СВЧ. Анализ показывает, что наиболь­ шая эффективность каскадного включения ОДР наблюда­ ется при расстоянии между резонаторами (2п 4- 1) А./4, н = 0, 1, 2,... При превышении некоторой взаимной рас­ стройки отдельных резонаторов АЧХ фильтра может иметь

несколько экстремумов, что

быть волноводы, коаксиальные или полосковые линии пере­ дачи. Связь с ОДР можно осуществить также посредством витков или полувитков.

При анализе связи линий передачи твердотельными резо­ наторами необходимо учитывать реактивную связь линий через конструктивные элементы связи —- отверстия, отрез­ ки запредельных волноводов, открытое пространство и т. п. Рассмотрим этот вопрос более подробно на примере одноре­ зонаторного фильтра на прямоугольном волноводе / с диа­ фрагмой 2 и ОДР 3 (рис. 24). Основные закономерности передачи электромагнитной энергии в таком фильтре не­ трудно выявить при следующих упрощающих предполо­ жениях: плоский резонатор расположен симметрично в от­ верстии, выполненном в тонкой металлической перегородке, и геометрические центры круглого отверстия и ОДР совпа­

60