книги из ГПНТБ / Негурей, А. В. Конструкции и техника СВЧ учебное пособие

В полосковых или коаксиальных линиях конструктивно более удобны последовательные резонансные контуры в па­ раллельных ветвях ПЗФ, образованные либо замкнутыми на

Рис. 28. Конструкция волноводного ПЗФ трехсантиметрового диапазона волн.

рис. 29, а. ПЗФ с двумя-тремя элементами можно спроекти­ ровать на основе преобразования Ричардса путем размеще­ ния двух или трех шлейфов в одном сечении линии. Такой фильтр получается исключительно компактным, но следует считаться с неизбежным искажением его характеристик из-за взаимодействия ближних полей шлейфов.

Очень удобны с конструктивной точки зрения ПЗФ на свя­ занных полосковых линия^ представляющие собой систему из нескольких четвертьволновых резонаторов (режекторных контуров), связанных с основной линией распределенной индуктивно-емкостной связью. Конструктивный расчет таких фильтров подобен расчету направленных ответвителей на свя­ занных линиях [14], [16].

90

Схематичеокое изображение внутренних проводников ПЗФ на связанных полосковых линиях дано рис. 29, б. Короткозамыкающие пластины каждого четвертьволнового резона­

Рис. 29. Варианты конструктивных схем коаксиального ПЗФ с четвертьволновыми связями (а) и полоскового ПЗФ на связанных линиях (б).

Пр и ме р 3. Рассчитать волноводный ПЗФ с четверть­ волновой связью между резонаторами по следующим дан­ ным: частота бесконечного затухания f0= 10,0 ГГц; затухание

дартный волновод 3-сантиметрозого диапазона с размерами аХ Ь = 23x10 мм2. Вычисляем длину волны в волноводе

Выбираем в качестве фильтра-прототипа чебышевский фильтр с пульсациями в полосе пропускания АМИН — 0,5 дБ и находим нормированные частоты Qi и П0 (причем £2 i = l).

91

Так как закон преобразования частоты для ПЗФ обратен закону преобразования для ППФ, то Qa может быть найдена из формулы (44)

Находим требуемое число элементов фильтра-прототипа по формуле (36)

- I

arch

- 1

п >

arch-§r

= 2,6.

arch 2,5

Берем я = 3.

По формулам (34) находим вспомогательные коэффициенты

Так как Q& > 1, то изменение добротности из-за частотной зависимости соединительных отрезков можно не учитывать.

92

Выбираем за основу конструкцию фильтра рис. 26, в и определим длины резонансных камер /р и размеры индук-' тивных щелей в широкой стенке волновода. Из (47) реактив­ ная проводимость контура

Для отыскания размеров щелей выбираем высоту волновода резонансной камеры Ь\ равной высоте основного волно­ вода Ь, и по формуле (47) вычислим магнитную поляризуе-

93

а их ширина

w.® 3 = 0,33-1,54 = 0,50 см.

Длина второй щели оказывается равной 1,43 см, а ширина — 0,47 см. Удобнее взять все три щели одинаковой ширины,

W

поэтому выберем для второй щели —j- =0,35, после чего

с помощью графика рис. 28 находим

/ щ = М 2 см; ш2= 0,50 см .

С целью предотвращения взаимного влияния ближних полей резонаторов выбираем расстояние между резонаторами равным 3/4 Хво, т. е. 0,75-39,6 = 30 мм. Общая длина фильтра без учета фланцев равна 3-30 = 90 мм.

Конструктивный чертеж фильтра показан на рис. 29. Для обеспечения точной подстройки каждый резонатор фильтра снабжен настроечными винтами, как показано на том же рисунке.

§ 6. Фильтры нижних и верхних частот

Проектирование фильтров нижних частот осуществляется на основании известных характеристик фильтра-прототипа путем трансформации частотного масштаба вида Q= co/coi с последующим расчетом L& и (Д по формулам табл. 3.

94

Наибольшее распространение получили фильтры нижних ча­ стот на полосковых и коаксиальных линиях передачи, у кото­ рых последовательной индуктивностью служит короткий от­ резок линии с большим волновым сопротивлением, а парал­ лельной емкостью — короткий отрезок линии с малым волно­ вым сопротивлением (рис. 30). Если длины отрезков ли-

Рис. 30. Фильтр нижних частот иа отрезках линии передачи с перио­ дически изменяющимся волновым сопротивлением.

ний lh много меньше самой короткой длины волны рабочего диапазона А,ь то с достаточной степенью точности

Для коаксиальной линии с диаметрами внутреннего и наруж­ ного проводников d'и D соответственно

В формулах (49) и (50) емкость Си выражается в пикофара­ дах, индуктивность Lfe— в наногенри, а длина отрезков в сан­ тиметрах.

Первая паразитная полоса пропускания ФНЧ на отрезках линии лежит в области частот, где отрезки становятся полу­ волновыми, поэтому желательно длины отрезков выбирать как можно меньше. Но с уменьшением длин Д требуется уве­ личение Z0 индуктивных звеньев и уменьшение Z0 емкостных звеньев. Так как диапазон практически реализуемых волно­ вых сопротивлений в линии передачи ограничен, то длины отрезков не могут быть слишком малыми. Укорочению длин препятствует также возможное взаимное влияние двух сосед-

95

них емкостных отрезков. Исходя из этого длины отрезков

ной точки зрения удобно волновые сопротивления всех индук­ тивных отрезков брать одинаковыми и равными 120— 180 Ом, волновые сопротивления емкостных отрезков также одинако­ выми и равными 10—20 Ом, а длины звеньев 4 находить по формулам (49) или (50) по вычисленным значениям Lh и С;,.

f>6.95

ФНЧ из индуктивных емкостных отрезков легко реали­ зуются как на коаксиальной, так и на полосковой линии передачи. Изменение волнового сопротивления звеньев ФНЧ в коаксиальном исполнении чаще всего достигается за счет изменения диаметра внутреннего проводника коаксиальной линии, а диаметр внешнего проводника сохраняется неиз­ менным. Между внутренним и внешним проводником емкост­ ных звеньев обычно вводят диэлектрические кольца, что уменьшает волновое сопротивление емкостного звена и уве­ личивает жесткость конструкции, так как кольца служат эле­ ментами крепления внутреннего проводника. Внутренним проводником индуктивных отрезков часто служит тонкий мед­ ный или латунный провод, продеваемый в отверстия в центре емкостных проводников. Места соединения должны пропаи­ ваться для обеспечения надежного контакта. Вариант конст­ рукции коаксиального ФНЧ показан на рис. 31. Фильтры нижних частот в полосковом исполнении могут изготавли­ ваться в виде печатных схем методом фототравления или другими способами, обеспечивающими необходимую точность. Примерная конструкция печатного полоскового ФНЧ пока­ зана на рис. 32.

Строго говоря, создание волноводных фильтров нижних частот невозможно, так как волновод по существу является

96

фильтром верхних частот с.частотой среза, соответствующей критической длине волны основного типа колебаний. Но уст­ ройства, аналогичные фйльтрам нижних частот, могут проек­ тироваться и на волноводах. Они отличаются от полосовых фильтров очень щирокой полосой заграждения, доходящей до

Рис. 32. Конструкция полоскового фильтра нижних частот.

частоты, равной (8-н10) /о. Часто такие фильтры представ­ ляют собой отрезки прямоугольного волновода с периоди­ чески изменяющейся высотой, причем размер ступеньки в продольном направлении много меньше длины волны (рис. 33,а). Изменение высоты волновода эквивалентно из­ менению его волнового сопротивления, поэтому такие фильтры, называемые гофрированными, для волны H w ана­

логичны фильтрам нижних частот рис. 30, если частотную

переменную f заменить на . . Значительно лучшими харак-

теристиками обладает так называемый вафельный фильтр, отличающийся от гофрированного тем, что высота волновода периодически изменяется не только в направлении продоль­ ной оси волновода, но и вдоль широкой стенки (рис. 33,6). Работу вафельного фильтра можно объяснить, если пред­ ставить волну Нто в прямоугольном волноводе в виде суммы двух поперечных электромагнитных волн, распространяю-

щихся в волноводе под некоторым углом к его продольной оси. Так как размеры выступов и впадин вафельного фильтра значительно меньше длины волны, то эти волны будут рас­ пространяться как бы в линии с периодически изменяющимся волновым сопротивлением, независимо от угла падения вол­ ны на стенки волновода. Благодаря этсшу вафельный фильтр является фильтром нижних частот для всех волн Нт0, а его характеристики описываются частотной переменной /,

а не — , как у'гофрированного фильтра. Вследствие сильно

уменьшенной высоты вафельного волновода критические частоты волн Етп и Нтп резко возрастают, и такие волны не могут распространяться в вафельном волноводе даже на высоких гармониках рабочей частоты. Приближенный расчет вафельных фильтров может производиться путем вычисления волновых сопротивлений и размеров ступенек гофрирован­ ного волновода аналогично тому, как это делается для ФНЧ на полосковых и коаксиальных линиях. Затем вдоль гофри­

98

рованного волновода делаются продольные пазы, ширина которых выбирается равной ширине поперечных пазов. Так как емкость участков с малым волновым сопротивлением при этом уменьшается, то высота волновода Ь" несколько умень­ шается по сравнению с высотой Ь' соответствующего участка гофрированного волновода (рис. 33,6). Комбинация не­ скольких последовательно включенных вафельных фильтров с разными частотами среза позволяет получить исключи­ тельно широкую полосу заграждения при малых потерях в полосе пропускания, приближающейся к рабочей полосе частот прямоугольного волновода данного сечения. Переход от вафельного волновода к прямоугольному осуществляется с помощью ступенчатых или плавных переходов.

Фильтры нижних частот находят широкое применение в схемах умножителей частоты, для подавления гармоник СВЧ передатчиков и др., причем волноводные фильтры спо­ собны работать со значительными уровнями мощности, до­ ходящими до нескольких мегаватт в длинноволновой части сантиметрового диапазона.

Проектирование фильтров верхних частот может произво­ диться на основе элементов схемы фильтра-прототипа транс-

раллельные емкости фильтра-прототипа преобразуются в па­ раллельные индуктивности, а последовательные индуктивно­ сти— в емкости, как это показано в табл. 3. В коаксиальных и полосковых линиях практически реализация параллельных индуктивностей осуществляется с помощью короткозамкну-

довательные емкости образуются разрывом внутреннего про­ водника линии, как показано, например, на рис. 20, б, в. Примерная конструкция коаксиального ФВЧ дана на рис. 34, а.

Прямоугольный или цилиндрический волновод является естественным фильтром верхних частот, поэтому ФВЧ, на­ пример на прямоугольном волноводе, может представлять собой просто отрезок волновода с уменьшенными размерами, соединяемый с основным волноводом через четвертьволновые трансформаторы, как показано на рис. 34,6. Основная труд­ ность при проектировании подобных фильтров состоит в рас­ чете трансформаторов импеданса вблизи критической частоты