книги из ГПНТБ / Андреев Д.П. Механически перестраиваемые приборы СВЧ и разделительные фильтры
.pdfД . П. Андреев, И. И. Гак, И. И. Цнмблер
МЕХАНИЧЕСКИ
ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ И РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ФИЛЬТРЫ
Под общей редакцией А. И. С о б о л е в а
Издательство «Связь» Москва 1973
А?і/
Л
ОГЛАВЛЕНИЕ
|
Стр. |
4 |
|
Предисловие . . . |
......................................................................... |
||
|
Глава 1. Основные понятия |
п |
соотношения |
для расчета евч фильтров |
1.1. Классификация |
евч |
ф и л ьтр о в |
.....................................................с четвертьволновыми связями |
1.2. Методика щасчетя евч фильтров |
|||
,1.3. Всшяніие диссипативных потерь |
на характеристики фильтра . |
1.4.Способ ^уменьшения диссипативных потерь ,в фильтре. Вы
бор оптимального числя зв е н ь е в ..............................................
'1.5. Расчет фазовых характеристик ф ильтров.................................
il.ß. О точности изготовления и паст,ройки многозвенных фильтров
с четвертьволновыми с в я зя м и .....................................................
Глава 2. Перестраиваемые коаксиальные евч фильтры
2.1.Принципы построения резонаторов..............................................
2.2.Четвертьволновый резонатор, перестраиваемый изменением,
длины центрального с т е р ж н я .....................................................
2.3. Резонатор с ішуін-тмрующей емкостью, перестранва’емый изме
нением .длины 'центрального стер ж н я .......................................
2.4. Четвертьволновый резонатор, перестраиваемый концевой
ем костью ...............................................................................
2.5.Малогабаритный многозвенный фильтр, перестраиваемый ем костью ......................................................................................
2.6.Дщухзяемный фильтр из резонаторов с шунтирующей ем костью ............................................................................................
2.7.Механизм точной перестройки многозвенного фильтра .
Глава 3. Перестраиваемые-волноводные фильтры евч |
|
3.1. Способы построения и перестройки резонаторов волноводных |
|
ф ильтров............................................................ |
75 |
3.2. Перестраиваемый -индуктивный резонатор............................... |
81 |
3.3. Перестраиваемый емкостный р езо н ато р ............................... |
89 |
3.4.Перестраиваемый индуктивно-емкостный резонатор. . .
3.5.Выбор способа перестройки резонатора. Расчет размеров
элемента перестройки резонатора................................. |
, |
3.6. (Перестраиваемые многозвенные ф и л ь т р ы .............................. |
121 |
Глава 4. Разделительные фильтры с параллельным выделением стаолоз
4.1. Схемы |
построения |
.........................................................................143 |
4.2. Фильтры с симметричной характеристикой в схемах парал |
||
лельной |
с е л е к ц и и ...................................................................... |
146 |
5
9
19
25
31
37
45
50
56
59
61
69
72
101
Ш
4.3.Перестраиваемые фильтры в схемах параллельной селекции '. 163
4.4.Фильтры с несимметричной -характеристикой в схемах па
раллельной селекции........................................................................ |
|
|
|
166 |
4.5. Разделительный фильтр для селекции двух -различных диапа |
185 |
|||
зонов частот . . . . |
.............................................. ...... |
. |
||
4.6. Фильтры на уменьшенном сечении................................. |
. |
. ■ |
188 |
|
4.7. Фильтры гармоник отражательно^поглощающего типа . |
. 1. |
197 |
||
Глава 5. Элементы евч тракта |
|
|
203 |
|
5.1. Переменные аттеню аторы ........................................................ |
|
связью . . . |
211 |
|
5.2. Направленные ответвители -с переменной |
. |
|||
5.3. П ереклю чатели ............................................................... |
|
|
219 |
|
5.4. Ф азовращ атели ............................................................................ |
|
|
227 |
|
Список литературы ................................................................................................... |
|
|
228 |
|
3
.ПРЕДИСЛОВИЕ
В книге рассмотрены вопросы расчета, конструирования и применения некоторых типов полосовых коаксиальных и волновод ных перестраиваемых фильтров (гл. 1—3), разделительных фильт ров с параллельной селекцией для объединения нескольких высо кочастотных стволов на общий тракт (гл. 4), переменных аттенюа торов, направленных ответвителей, фазовращателей и переключате лей (гл. 5) свч диапазона.
Основное внимание уделено специфике перестраиваемых прибо ров свч. Исходным при этом является предельный случай работы на фиксированной частоте. Основы синтеза и расчета фильтров на фиксированной частоте подробно изложены в работах Фельдштей-
ва А. Л., Явича Л. Р., Модели А. М.
Книга построена на основе работ авторов и поэтому не претен дует на полное и всеобъемлющее освещение темы. В книге помеще ны некоторые материалы общего теоретического характера из ра-
бот| Когана С. Х.,1 Герценштейна М. Е. и др.
В настоящее время не имеется инженерных методов расчета от дельных элементов свч устройств, приведенных в книге. Это связа но с трудностью решения сложных электродинамических задач. Однако авторы сочли целесообразным привести описание некото рых новых свч приборов, имеющих практическую ценность, и дать рекомендации по их конструированию и экспериментальной отра ботке.
Авторы выражают большую благодарность профессору Маш ковцеву Б. М. и инженеру Егорову В. К. за внимательный просмотр рукописи и ряд важных критических замечаний.
Авторы приносят также благодарность инженеру Козлову В. К.,
Никоновой Л. Ф., Орловой И. И., Козлову Г. А., оказавшим помощь при работе над книгой.
Отзывы и замечания по книге следует направлять в издательст во «Связь» (Москва-центр,, Чистопрудный бульвар, 2).
Г л а в а
Основные понятия и соотношения
для расчета свч фильтров
1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СВЧ ФИЛЬТРОВ
Фильтром называется устройство, предназначенное для вы деления из состава сложного электрического колебания, подведен ного ко входу фильтра, частотных составляющих, расположенных в заданной частотной области, называемой полосой пропускания фильтра, и подавления частотных составляющих, расположенных в другой, также заданной частотной области, называемой полосой заграждения фильтра.
В зависимости от требований, предъявляемых к взаимному рас положению полосы пропускания и полосы заграждения, фильтры могут быть разделены на следующие классы.
1. Фильтры нижних частот. Полоса пропускания фильтра {рис. 1.1а) занимает область от і/= 0 до /=і/г. Все частоты f> fT от носятся к полосе заграждения.
2. Фильтр верхних частот. Полоса заграждения фильтра (рис. 1.16) расположена между частотами /= 0 и ,/=ifr. Частоты f> fr со ответствуют частотам полосы пропускания.
3.Полоснопропускающий, или полосовой фильтр. Фильтр имеет полосу .пропускания, ограниченную частотами /-п и /п (рис. 1,1«).
4.Полоснозаграждающий, или режекторный фильтр. Фильтр
имеет |
полосу заграждения, ограниченную частотами ;/_3 и f3 |
(рис. |
1.1 г). |
Кроме этих основных классов, существует класс более сложных фильтров, характеризующихся наличием нескольких полос пропус кания или заграждения. Эти фильтры могут быть условно названы фильтрами с несимметричной частотной характеристикой.
Из всех указанных выше классов фильтров наибольшее распро странение в технике свч получили полосовые фильтры, предлагае мая классификация которых схематически показана на рис. 1.2.
В зависимости от отношения ширины полосы пропускания к не сущей частоте фильтры могут быть разделены на широкополосные и узкополосные. Примем условно, что широкополосные фильтры имеют полосу пропускания порядка 2% и более, узкополосные
5
фильтры имеют полосу пропусканиия імшее 2%. 'Поскольку в 'кшмпе ратоматриіваются іпереетра.ивіа.емые приборы ■сівч, а іширокополоіаньге фильтры ів ка честве перестраиваемых, как праівило, не используются, то ів дальнейшем 'бу дут р,аісіс.м-атріиіВ'атБся только узкопо лосные фильтры.
|
|
іВ ізаівиіоиімоістн іот вида |
чаістотнюй |
|||||
|
|
х-араікте'ристіи'ии ів полосе пропускания |
||||||
|
|
фильтры .могут быть разделены на не |
||||||
|
|
сколько типов. |
|
|
|
Ф |
||
|
|
1. |
|
|
|
|
||
|
|
стикой, 'выраженной іполиініО'МіОім Чебы |
||||||
|
|
шева nepiBio.no рода л-mo порядка |
||||||
|
|
(фильтры |
іс чебышевекой |
характери- |
||||
|
|
стикой). |
Хар актерной |
особенностью |
||||
|
|
этих фильтров |
явліяется то, |
что они |
||||
|
|
имеют наибольшую крутизну скатов по |
||||||
|
|
сравнению с друпими фильтрами (при |
||||||
|
|
равном числе звеньев) или .обеспечи |
||||||
|
оо |
вают заданную |
крутизну |
скатов при |
||||
|
Ж |
меньшем числе звеньев. Это определя |
||||||
|
ет их использование там, где необхо |
|||||||
|
Ж |
димо обеспечить |
меньшие |
габариты |
||||
|
системы. Недостатками этих фильтров |
|||||||
0 |
являются нелинейность фазовой харак |
|||||||
Я |
теристики |
и неравномерность |
ампли |
|||||
|
тудно-частотной характеристики, ко |
|||||||
|
|
|||||||
Рис. 1.1. Идеализированные |
торая носит периодический |
осцилли |
||||||
частотные |
характеристики |
рующий характер. Максимальное зна |
||||||
фильтров: |
частот; б) верх |
чение неравномерности характеристи |
||||||
а) нижних |
ки, а значит, и максимальное значение |
|||||||
них частот; в) полоснопро- |
||||||||
коэффициента отражения |
от фильтра |
|||||||
пускающих; |
г) полоснозаг- |
|||||||
раждающих |
будет иметь место в нескольких точках |
|||||||
|
|
полосы пропускания. Фильтры |
подоб |
ного типа обычно применяются, когда требования, предъявляемые
ксогласованию фильтра в полосе пропускания, невысоки.
2.Фильтры с максимально-плоской частотной характеристикой.
Характерной особенностью этих фильтров является равномерность амплитудно-частотной характеристики вблизи резонанса и моно тонность ее изменения в пределах полосы пропускания. Кроме то го, эти фильтры обладают наибольшей линейностью фазовой ха рактеристики.
3. Фильтры с частотной характеристикой, выраженной полино мом Чебышева второго рода п-го порядка. Эти фильтры обладают относительно большой неравномерностью амплитудно-частотной характеристики. Преимуществом таких фильтров является про-
Рис. 1.2. Классификация фильтров
стота изготовления и технологии. Однако они находят ограниченное применение.
Вдальнейшем будут рассматриваться фильтры с чебышевской
имаксимально-плоской частотными характеристиками в полосе пропускания.
Взависимости от требований, предъявляемых к фильтру в отно шении его габаритов и веса, а также в зависимости от диапазона использования, фильтры могут быть волноводными, коаксиальными или полосковыми !) .
') Полосковые фильтры в печатном исполнении применяются в основном в качестве неперестранваемых, а также в качестве электрически перестраиваемых.
7
-J*
В зависимости от того, каким образом связаны между собой ре зонаторы, образующие фильтр в целом, различают: а) фильтры с непосредственной связью между резонаторами; б) фильтры с чет вертьволновой связью между резонаторами.
Фильтры с непосредственной связью представляют существен ный интерес, поскольку их вес и габариты могут быть сделаны зна чительно меньше, чем вес и габариты фильтров с четвертьволновы ми связями. Кроме того, параметры этих фильтров при перестройке
в широком диапазоне частот (более 10%) меняются |
меньше, чем |
у фильтров с четвертьволновыми связями. Однако |
применение |
фильтров с непосредственными связями для больших значений на груженных добротностей (Q = 200-^-300) приводит к необходимости реализации высоких проводимостей. Так, например, нормированная реактивная проводимость для фильтра с полосой 0,3% составит около 100—150. Для воспроизведения таких реактивностей требует ся чрезвычайно высокая точность изготовления фильтра. Кроме то го, возникает ряд дополнительных конструктивных и технологичес ких трудностей, связанных с обеспечением чистоты внутренних по верхностей резонатора и надежности контактов (в случае разбор ной конструкции), а также с обеспечением пайки и антикоррозий ного покрытия. Применение фильтров с четвертьволновыми связя ми частично устраняет эти трудности, поэтому они находят более широкое распространение.
Перестраиваемые фильтры применяются там, где требуется быстрая смена частоты настройки фильтра. Существуют фильтры с
электрической и механической перестройкой. Первые из них пере страиваются с помощью изменения электрических и магнитных по лей, управляющих свойствами диэлектриков и ферритов, помещен ных в резонатор. Фильтры с электрической перестройкой использу ются там, где определяющими факторами являются высокая ско рость и большой диапазон перестройки частоты. Однако имеющие ся в настоящее время материалы и существующая технология из готовления обусловливают значительные недостатки этих фильтров,, ограничивающие их применение.
В фильтрах с механической перестройкой частоты перестройка осуществляется путем изменения геометрических размеров резона торов или путем изменения электрической длины резонатора с по
мощью переменных реактивностей. Перестройка фильтра может осуществляться скачками на заранее известные фиксированные волны или плавно во всем частотном диапазоне. В зависимости от этого используются различные конструкции механизмов перестрой ки. Таким образом, по способу перестройки могут быть указаны, три основные группы фильтров: а) неперестраиваемые; б) пере страиваемые дискретно, т. е. на фиксированные частоты; в) пере страиваемые плавно во всем заданном частотном диапазоне.
В книге рассматриваются механически перестраиваемые поло совые фильтры с четвертьволновыми связями.
6
1.2.МЕТОДИКА РАСЧЕТА СВЧ ФИЛЬТРОВ С ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫМИ СВЯЗЯМИ
Обычно расчет фильтров свч базируется на отождествле нии фильтров свч и фильтров LCR. При этом не учитываются такие особенности свч цепей, как наличие распределенных постоянных, наличие высших типов волн. Это затрудняет построение закончен ной, строгой теории расчета свч фильтров.
Обычно расчет свч фильтров основывается на синтезе (нахож дении конструктивных параметров фильтра по частотной характе ристике) по рабочим параметрам, в отличие от фильтров LOR, рас
чет которых ведется как по характеристическим, так и по рабочим параметрам. Чтобы объяснить это отличие, коротко напомним об основных характеристических параметрах:
1) собственная постоянная передачи gc:
Bz =z ^z ~"Ь І
где bc — собственное затухание, равное половине натурального ло гарифма отношения кажущихся мощностей на входе и выходе че тырехполюсника, т. е.
bc = - L |
l n ^ , |
2 |
U2I2 |
ас — собственная фазовая постоянная; |
|
2) характеристическое сопротивление zc. |
Понятие характеристическое сопротивление можно пояснить сле
дующим образом. Если у нас имеется схема, |
изображенная на |
|||||
рис. 1.3, то отражения в плоскостях I я II будут отсутствовать, если |
||||||
попарно выполняются такие |
|
|
||||
условия: |
|
|
|
|
||
|
2Г = ^ВХІ |
= |
2ВЫХ- |
|
|
|
Если выразить zBXи вВых |
/ V |
Z ft |
||||
ZHN |
||||||
через |
соответствующие эле |
|
ZH |
|||
менты |
классической |
матри |
|
|
||
цы передачи [а], то |
можно |
|
|
|||
получить выражения для оп |
Рис. 1.3. Схема согласования четырех- |
|||||
тимальных значений zHи zr, |
||||||
полюсника |
|
при которых отсутствуют от ражения на обоих концах системы [1]. Эти оптимальные значения
сопротивления называются характеристическими сопротивлениями четырехполюсника и играют такую же роль, как характеристическое сопротивление длинной линии. Физический смысл характеристичес кого сопротивления — это входное сопротивление бесконечной це почки одинаковых четырехполюсников, включенных навстречу друг другу (рис. 1.4). Из определения характеристического сопротивле ния видно, что оно условно и практически носит приближенный ха рактер, поскольку нельзя реализовать бесконечную цепочку четы-
9