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

повлек минимально допустимый угол между указанными осями, который составляет в данной конструкции 3,5—4°. Смещение вин­ тов на нужный угол на волнах 1 6, 11, 16, 20, называемых опор­ ными, обеспечивается фиксатором 6.

Промежуточные положения фиксатора, соответствующие наст­ ройке на рабочие волны между опорными, определяются экспери­ ментально на опытной партии приборов. Приращение угла поворо­ та вала, необходимое для перестройки фильтра на волны между ѳпорными, носит нелинейный характер, что является недостатком данной конструкции. По этой причине фиксатор, жестко посажен­ ный на вал механизма и состоящий из зубчатого диска с западаю­ щим в пазы роликом, имеет неравномерный шаг зуба.

Настройка фильтра на каждой опорной волне сводится к пос­ ледовательной настройке всех шести звеньев по методике четверть­ волнового сдвига узла напряжения в измерительной линии при по­ очередном «закорачивании» звеньев. На две первые опорные вол­ ны фильтр настраивается методом последовательного приближе­ ния. Это связано с взаимным влиянием на настройку опорных вин­ тов на этих волнах. На последующие опорные волны фильтр на­ страивается без последовательных приближений.

На рис. 3.52 приведены эксперимеитальнйе частотные характе­

Рис. 3.52. Частотные характеристики шестизвеиного перестраиваемого индуктив­ но-емкостного фильтра

графиках рис. 3.53 приводятся экспериментальные кривые измене­ ния ширины полосы пропускания и потерь на частотах настройки в рабочем диапазоне частот. Ширина полосы пропускания по уров­ ню коэффициента бегущей волны 0,5 изменяется приблизительно на 10%. Потери в полосе прозрачности при перестройке практиче-

141

Рис. 3.54. Затухание шестизвенного перестраиваемого индук­ тивно-емкостного фильтра в широкой полосе частот

приводятся на рис. 3.54. Кривая построена по измерѳн.ия/м мини­ мальных затухании, возникающих при переключении фильтра с 1-й

яо 20-ю волну.

Гл а в а

4 _

Разделительные фильтры с параллельным

выделением стволов

4.1.СХЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ

Всовременной аппаратуре сзч диапазона часто использу­ ются многоствольные системы, в которых несколько передатчиков

или приемников, настроенных на различные частоты, работают на общую антенну. Разделение сигналов стволов производится в ос­ новном методом частотной селекции с помощью разделительных фильтров. Имеется две основные схемы селекции: последователь­ ная (рис. 4.1) и параллельная (рис. 4.2).

%

fa

Ь

Рис. 4.1. Последовательная схема селекции

При последовательной схеме селекция разделительный фильтр может быть 'выполнен ив после­ довательно соединенных иден­ тичных ячеек, число .которых рав­ но числу частотных стволов (ка­ налов). Каждая ячейка выделяет сигнал одного из стволов и про­ пускает остальные. Ячейки состо­ ят из двух трехдецибельіных мос­ тов, двух фильтров стволов и на­ грузки. іВ качестве треадецибельных 'мостов используются щеле­

вые волноводные мосты, двойные волноводно-коаксиальные и вол­ новодные тройники, коаксиальные мосты на связанных линиях, коаксиальные .гибридные мосты. Фильтры применяются в основном полосовые и режекторные.

143

Рассмотрим работу ячейки, состоящей из трехдецибельиых ще­ левых 'мостіоів, подеюовых фильтров и нагрузки (»рЛ'і'С. 4.3). Пусть в плечо А первого щелевого моста поступают сигналы нескольких стволов. Энергия этих сигналов делится пополам с 90°-ным сдви­ гом по фазе и поступает в ветви В и С. В каждой из этих ветвей

ществом последовательных схем селекции является независимость настройки фильтров стволов: настройка каждого последующего фильтра происходит без заметного влияния на согласование фильт­ ров предыдущих стволов. Эта особенность позволяет получить при последовательных схемах селекции высокое согласование в полосах пропускания большого числа стволов.

Основным, недостатком последовательных схем селекции явля­ ется громоздкость конструкции, связанная с использованием двой­ ного комплекта полосовых фильтров и мостов. Последовательные схемы селекции широко применяются в многоствольных маги­ стральных радиорелейных линиях с большим числом телефонных каналов [3].

При параллельной схеме селекции разделительный фильтр (рис. 4.5) состоит іиз (разветвителя, полосовых фильтров стволов и эле­ ментов настройки разделительного фильтра. Сигналы частоты ответвляются в плечо, в которое включен полосовой фильтр Фь

144

настроенный на частоту Д Фильтры в остальных плечах разветви­ теля представляют для частоты h нулевое сопротивление, которое пересчитывается к разветвителю как небольшое реактивное сопро­ тивление. Устранение рассогласования, вносимого этими сопро­ тивлениями, достигается соответствующим расположением поло-

а)

т>ис. 4.5. Схемы волноводных разделительных фильтров:

а) разделение с помощью 120°-ных тройников в Я-плоскости; б) разделение пу­ тем ответвлений в //-плоскости

совых фильтров относительно разветвителя и их подстройкой в разветвителе методом последовательных приближений.

Основным преимуществом параллельной схемы селекции явля­ ется простота построения. Это обеспечивает малые габариты, вес и, следовательно, стоимость разделительного фильтра. Другим пре­ имуществом схем параллельной селекции является то, что потери

145

ройка одного ив 'стволов приводит к некоторой расстройке всех других, что устраняется методом последовательной подстройки всех стволов. Однако несмотря на эти недостатки, схемы параллельной селекции незаменимы в объектах с ограниченными габаритами и весаіми. Они также применяются и в стационарных системах, где к разделительным фильтрам не предъявляются требовании обес­ печения высокого 'согласования, например, на радиорелейных ли­ ниях с .»илульсно-фазовой модуляцией.

В табл. 4.1 приведены данные о количестве элементов, входя­ щих в многоствольную систему, состоящую из N стволов при па­ раллельной и последовательной схемах селекции.

Из таблицы видно, насколько система с параллельной селекци­ ей проще, меньше по габаритам и весу.

4.2.ФИЛЬТРЫ С СИММЕТРИЧНОЕ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ

ВСХЕМАХ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СЕЛЕКЦИИ

Анализ работы разделительного фильтра (44]

Рассмотрим простейшую эквивалентную схему раздели­ тельного фильтра, состоящего из N параллельно включенных оди­ наковых контуров (рис. 4.6). При конечной нагруженной доброт­ ности Q реактивное сопротивление одиночного контура на частоте

/равно

Считая, что добротности всех контуров одинаковы, можно запи­

сать, что входная проводимость разветвителя на средней частоте п-го ствола

146

N

1

f n - f k

Из ф-лы (4.3) следует, что в общем случае У(fn) Ф 1, т. е. система параллельно включенных фильтров оказывается 1рассогласаваніной.

Из таблицы видно, что нескомпенсированная реактивность воз­ растает при увеличении числа стволов в разветвителе. Однако этот рост довольно медленный (р ÄS ln N). Кроме того, нескомпенсиро­ ванную реактивность можно уменьшить, добавив еще два конту­ ра, настроенных на частоты выше и ниже рабочего диапазона. По­ этому увеличение числа стволов не вызывает особых трудностей.

Потребуем, чтобы разветвитель был согласован на средних ча­ стотах каждого ствола:

147

Для выполнения условия (4.6) нужно расстроить каждый контур (кроме среднего) так, чтобы скомпенсировать реактивность ос­ тальных контуров. Кроме того, нагрузочное сопротивление конту­ ра должно несколько отличаться от единицы.

Если сдвиг собственной частоты 6/„ контура мал, то система ур-ний (4.6) может решаться методом последовательных прибли­ жений. В этом случае должно быть

Сходимость ігароцесса после­ довательных приближений оз­ начает, что настройка может производиться методом после­ довательных приближений. Из выражений (4.5) и (4.6) сле­ дует важный вывод о необхо­

димости проведения иастройни

Рис. 4.7. Многозвенный фильтр разветвителя вместе с подклю­ ченными к нему контурами.

Обычно для увеличения степени селекции применяются много­ звенные фильтры. Входная проводимость такого фильтра с чет­ вертьволновыми связями (рис. 4.7) равна [2]

Из формулы видно, что при больших расстройках, когда все Х„ велики, основную 'роль играет первый член уравнения. Следова­ тельно, проводимость многозвенного фильтра при расстройке опре­ деляется в основном проводимостью его первого звена. В диапазо­ не свч удобнее пользоваться не проводимостями, а коэффициен­ том отражения. Затухание, вносимое полосовым фильтром на ча­ стотах соседних каналов, как правило, составляет не менее 20 дБ, поэтому модуль коэффициента отражения практически равен еди­ нице и, следовательно, перед фильтром образуется чисто стоячая волна, Кбв определяется затуханием всего фильтра, а положение узла (или фаза коэффициента отражения), как это следует из ска­ занного выше, — в основном параметрами первого звена. Поясним сказанное на примере одноконтурного и двухконтурного фильтра с одинаковыми ячейками. Для одноконтурного фильтра имеем

(4.9)

Ф= arc tg — « — + л

Ал

148-

Плоскость отсчета фазы отнесена ко входу фильтра. Для двухкон­ турного фильтра:

что совпадает с ф-лой (4.9) для одноконтурного фильтра. Из ска­ занного следует, что при многозвенных фильтрах взаимное влия­ ние различных стволов определяется в основном параметрами входных резонаторов. Поэтому входные резонаторы многозвенных фильтров, как и в случае однозвенных, должны настраиваться вме­ сте с разветвителем. Для обеспечения возможности настройки ме­ тодом последовательных приближений необходимо, чтобы выпол­ нялось неравенство (4.7), где под Q следует понимать добротностьпервой ячейки фильтра. Обратимся к ф-ле (4.8) и упростим ее для нахождения входного сопротивления многозвенных фильтров в по­ лосе пропускания. Очевидно, что в центре полосы пропускания, фильтр согласован, т. е.

* Ф ( Х „ ) = 1 , X n = 2 Q n ± L .

Разлагая ф-лу (4.8) в ряд и ограничиваясь членами первого по­ рядка малости, получим

Уф^ 1 + 2 іХ а- 2 І Х г + 2іХ3 • • • = 1 + 2і У (— l)aXn,

(4.12)

где п — номер ячейки.

Если мы желаем, чтобы линейный член отсутствовал, то долж­ но быть выполнено условие: Е(—l) ”Qn= 0, которое можно запи-

Условие (4.13) соответствует фильтру с максимально-плоской, характеристикой.

Фильтры в коаксиальном разветвителе обычно присоединяются к общей линии через отрезки линии длиной р-^~, где р — нечетное-

целое число, а Л0— соответствует средней частоте диапазона. На

149-

■частотах соседних стволов входное сопротивление фильтра близ­

ко к нулю. Короткозамкнутая линия длиной р — имеет бесконеч-

4

мое сопротивление и, следовательно, не влияет на основной тракт на частоте, соответствующей ХаОднако, электрическая длина ли­ нии для других частот будет отличаться от четверти длины волны.

Поэтому отрезки длиной р Хо в диапазоне частот вносят добавоч­

4

ную реактивность, которая должна быть скомпенсирована при на­ дстройке. Вычислим эту реактивность. Входная проводимость корот­ козамкнутой линии

'Число іраіост.роаніных линий ір.авно N—1, поэтому подлежащая ком­ пенсации реактивность

Требование согласования только в центре полосы частот (4.6) ока­ зывается недостаточным и необходимо, чтобы входная проводи­ мость разветвителя мало изменялась в полосе частот. Это условие может быть записано в виде

dY_

(4 .1 6 )

dh

Проводимость разветвителя в полосе рабочего ствола складывает­ ся из проводимости фильтра этого ствола в полосе пропускания, отнесенной к точке разветвления Уф, проводимости всех остальных •фильтров в полосе рабочего ствола У^ и проводимости соедини­

Л 50