книги из ГПНТБ / Андреев Д.П. Механически перестраиваемые приборы СВЧ и разделительные фильтры

Рис. 3.40. Зависимость относительной расстройки резонатора от глубины погружения стержня через узкую стенку волновода:

/ — Д=0,05 а; 2 — Д=0,075 о; 3 — Д = 0,1 а; 4 — Д=0,П25 а; 5 —Д=0.125 а

3.6. ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ МНОГОЗВЕННЫЕ ФИЛЬТРЫ Перестройка и сопряжение резонаторов

Перестраиваемые многозвенные волноводные фильтры ев« можно разделить на фильтры с плавной перестройкой частоты и фильтры, настраиваемые на фиксированные рабочие частоты. В обоих случаях фильтр при выбранном способе перестройки дол­ жен удовлетворять следующим основным требованиям:

1) обеспечивать перестройку в требуемом диапазоне частот;

2) не вызывать существенного изменения ширины полосы про­ пускания или нагруженной добротности фильтра, а также формы его частотной характеристики;

3)не вызывать существенного снижения собственной доброт­ ности резонатора;

4)обеспечивать по возможности линейную градуировочную ха­ рактеристику 4) резонатора. Крутизна градуировочной характери­ стики должна быть по возможности наименьшей, чтобы облегчитьконструктивное выполнение механизма перестройки;

*) Градуировочной характеристикой называется зависимость резонансной ча­ стоты от параметра элемента перестройки, например от глубины погружения его в резонатор.

т

5) іойаоіючіиівать остаріяженіие резонаторов імабтзВ'анінбго филь ра іпо частоте в дватазоіне перестройки (три ■перестройке от одного -задающего элемента).

Первые четыре требования очевидны и особых разъяснений не требуют. Вопрос о сопряжении резонаторов рассмотрим более под­ робно.

Существует два основных способа перестройки многозвенных фильтров свч. При первом способе каждое звено фильтра пере­ страивается от индивидуального механизма, например кулачка, имеющего настроечные винты, на каждую фиксированную часто­ ту. Этот способ перестройки применяется для фильтров с нели-

.нейной градуировочной характеристикой при небольшом числе ра­ бочих волн. Если фильтр имеет много рабочих волн (10—20 и бо­ лее), то можно весь диапазон разбить на участки и вести настрой­ ку фильтра только на опорных частотах.

При втором способе перестройки все настроечные элементы по­ лучают движение от одного задающего кулачка. Если требуется непрерывная перестройка частоты, то кулачок выполняется с глад­ ким профилем. При настройке на фиксированные частоты кула­ чок имеет настроечные элементы и фиксатор на каждую рабочую волну.

При втором способе необходимо обеспечить сопряжение всех резонаторов по частоте. Сопряжением резонаторов по частоте на­ зывается процесс подстройки всех резонаторов на заданную ча­ стоту в процессе их перестройки. При одинаковых или близких по форме градуировочных характеристиках фильтра достаточно вы­ полнить это сопряжение в ДЕух точках диапазона перестройки. При различных по форме градуировочных характеристиках звеньев весь диапазон іследует разбить на приблизительно линейные участ­ ки. Каждый участок затем сопрягается по двум точкам методом последовательных приближений.

Сопряжение резонаторов обеспечивается либо изменением на­ клона градуировочной характеристики резонаторов фильтра, ли­ бо путем изменения скорости перемещения настроечных стержней в процессе перестройки фильтра. Поясним это на примере двухзвемінюго фильтра. На рис. 3.41 изображены градуировочные харак­ теристики двух резонаторов. На верхней частоте характеристики совмещены либо вследствие различного начального погружения стержней, либо с помощью вспомогательного подстроечного эле­ мента. Ясно, что полного совмещения характеристик во всех точ­ ках можно достигнуть только изменением наклона одной из них. При этом точка б совместится с точкой а и оба резонатора будут настроены на одну частоту при одинаковой глубине погружения стержней.

Другой путь совмещения резонансных частот заключается в том, что настроечные элементы в процессе перестройки проходят раз­ ный путь (іі и h), т. е. имеют разную скорость погружения. В этом

122

случае резонаторы тоже будут настроены на одну и ту же часто­ ту (точки а и в на рис. 3.41).

Сопряжение резонаторов путем изменения скорости перемеще­ ния настроечных стержней может быть осуществлено с помощью* механизма, схема которого іпоіказаіна іна рис. 3.42132]. Мехаініиам со­ стоит из пластины 1, которая мо­ жет поворачиваться на оси 4. В пла­ стине 1 установлены винты 2, закре­ пленные контргайками. В этих вин­ тах эксцентрично установлены вин­ ты <5. передающие движение непос­ редственно на элемент перестройки.

Перестройка фильтра осущест­ вляется при движении пластины 1. Сопряжение резонаторов при пере­ стройке фильтра достигается с по­ мощью винтов 2 и 3. Поворотом винтов 2 изменяется расстояние от

гружения настроечных стержней:

/ — пластина; 2 — вннт; 3 — винт; 4 — ось

оси 4 до винта 3 и, следовательно, в небольших пределах .изме­ няется скорость погружения одного элемента перестройки по от­ ношению к другим. Настройка фильтра выполняется последователь­ ными приближениями на крайних частотах диапазона перестройки..

Необходимо отметить, что способы перестройки фильтров соп­ ряжением резонаторов требуют повышенной точности изготовления резонаторов и механизма перестройки. Однако при этом сокра­ щается время на настройку фильтра и, что более важно, это даег возможйость плавно перестраивать частоту многозвенного филь­ тра.

123:

Определение расстояния связи между звеньями многозвенных фильтров

В многозвенных фильтрах с четвертьволновыми связями расстояние связи между двумя соседними звеньями с неодинако­ выми добротностями должно быть равно

lxn,lx(n+1) — положение отсчет,ной плоскости п-г.о іи (п + 1)-то зве­ на фильтра.

Под отсчетной плоскостью понимается такое сечение волново­ да, в котором входная проводимость звена фильтра, нагруженного

Входная проводимость четырехполюсника, описываемого матри­ цей передачи

ГА' В

С' D'\ *

■•.равна

(3.69)

.Данный четырехполюсник является каскадным соединением трех четырехполюсников, а именно:

•отрезка линии передачи длиной /*, матрица которого равна

Гcos klxi sin klx

L is in a cosA/xJ •фильтра, матрица которого равна

.124

и согласованной нагрузки, матрица которой равна

Матрица четырехполюсника, построенного из этих трех четырех­ полюсников, будет равна

А cos klx + В cos Ых + і (Сsin klx -f- D sin klx) В cos klx -\- i -D sin klx Ccos klx -f- D cos klx -f- i (A sin klx -+- В sin klx) D cos klx -j- i В sin klx

(3.70)

Таким образом, проводимость в сечении аа будет равна

Так как для фильтров из реактивных проводимостей В и С явля­ ются мнимыми величинами, а Л и D — действительными, причем A — D, то величина дВх преобразуется к виду

.125

Решаем полученное уравнение:

Л + 1

т‘ = - к ± ~ /

Полученные два решения отличаются друг от друга на 90°, что со­ ответствует двум комплексно-сопряженным значениям проводимо­ сти:

klx — соответствует 1+ і у; klx-\-90° — соответствует 1—іу.

Так как в многозвенных фильтрах расстояние между двумя со­ седними звеньями с неодинаковыми добротностями должно быть равно

^ .т„ + ^ ^ п+і4-90°, то удобнее оперировать величиной klx „+45°, оп­ ределяемой из уравнения

Определим величину Іх для трех типов волноводных резонаторов: индуктивного, емкостного и индуктивно-емкостного.

Для этого найдем коэффициенты Л и С матрицы четырехполюс­

Подставляя выражения (3.79) и (3.80) в ф-лу (3.78), получим: для индуктивного резонатора

У

Таким образом, для индуктивного резонатора отсчетная плоскость смешается внутрь резонатора (Іх— отрицательно), а для емко­ стного резонатора она смещается в сторону от резонатора. При этом двойное смещение равно изменению длины резонатора по

связи между звеньями зависит от нагруженной добротности и по­

жду соседними звеньями индуктивного и емкостного фильтров вы­ ражается через длины звеньев:

Отсюда следует, что Іх= 0, т. е. для звена фильтра, образован­ ного реактивностями разного знака, отсчетная плоскость совпадает с плоскостью включения реактивности.

Следовательно, расстояния связи между звеньями фильтра из индуктивно-емкостных резонаторов будут равны точно четверти длины волны в волноводе независимо от нагруженной добротно­ сти резонаторов.

Перестраиваемый индуктивный фильтр

Для примера рассмотрим фильтр, отвечающий следующим техническим требованиям:

— фильтр должен перестраиваться в диапазоне частот 4700-4- -4-5200 МГц на 36 фиксированных частот;

—перестройка фильтра производится как вручную, так и от электромеханического привода дистанционно;

—коэффициент бегущей волны фильтра в полосе пропускания ±3,5 МГц должен быть не менее 0,85;

—фильтр должен обеспечивать подавление не менее 40 дБ при расстройке от частоты настройки на ±35 МГц.

Для реализации этих требований выбираем фильтр с макси­ мально-плоской характеристикой в полосе пропускания. Конструк­ тивно фильтр выполняется на прямоугольном волноводе сечением 48X24 мм. В качестве индуктивных проводимостей фильтра ис­ пользуется решетка из трех индуктивных стержней одинакового диаметра, связи между звеньями — четвертьволновые. Фильтр пе­

127

Q B \ 7-в Л н

сюда находим изменение нагруженной добротности в заданном диапазоне ча­ стот:

Поскольку полоса пропускания связана с добротностью известным соотноше­ нием

f

2Д /

то легко можнс наити изменение полосы пропускания в заданном диапазоне пе-

Поэтому ширина полосы пропускания на верхней частоте диапазона перестройки

Д /в = 1 >6 (± 3,5) = ± 5 , 6 МГц.

2. Примем для расчета величины заданных электрических параметров с н которым запасом.

‘) Индексы «в» н «н» обозначают верхнюю и нижнюю частоты диапазона соответственно.

428

г

отличаются друг от друга. Это отличие тем больше, чем больше величина — .

Как показывает опыт разработки фильтров с такими диафрагмами, эксперимен­ тальное значение проводимости (добротности) совпадает с рассчитанным по

диаметр стержня средним между диаметром, определенным по ф-лам (3.87) и (3.88). Эти же данные могут быть получены из экспериментальных графиков, приведенных на рис ■3.45 [65].

На рис. 3.46 приведены графики зависимости нормированной проводимости диафрагмы от диаметра стержней на частоте /=5200 МГц. Как видно, экспе­ риментальная кривая 3 является средней кривой, проведенной между расчет­

7. Определяем геометрические длины звеньев. Электрическая длина резона­ тора, образующего звено фильтра, определяется из условия резонанса по ф-ле

Іт— электрическая резонансная длина т-го звена; у т — нормированная проводимость диафрагмы г-го звена; в = 0, 1, 2, 3 ...

Резонансные длины звеньев, определенные по этой формуле, следующие:

(J = 3 3 MM; і2 = 34,2 мм; (З = 34,4мм.

Чтобы гарантировать настройку фильтра при неточном выполнении длины звеньев, расчетные значения Іг уменьшаются приблизительно на 1%- Таким об­

8. Определяем длины связей между звеньями. Длины соединительных от­

*30