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

где q — число частотных интервалов между стволом частоты fn и стволом частоты Д. Получающийся при этом ряд всегда положи­ телен и ограничен при N-+-оо:

0 < 5 І 7 <<2І ] 7 " 2 т - 3'26- h 1

Численные значения ряда 2 — приведены в табл. 4.3.

цг

Из таблицы видно, что значение ряда для любых стволов раз­ ветвителя, кроме крайних, практически одинаково.

Для производной от проводимости соединительных линий име­

ем;

Для фильтра ів полосе нршіуісіісаіния имеем оотласио ‘(4.12)

Теперь необходимо пересчитать проводимость фильтра (4.19), от­ несенную к его входным клеммам, к точке разветвления, отстоя-

щей от входных клемм на — . При малой реактивной проводимо-

4

сти в полосе пропускания такой пересчет приведет только к изме­ нению знака в выражении (4.19);

Подставляя (4.17), 4.18), ,(4.20) в (4.16), получим

І5і:

Производя сокращения, получим

(Q i-Q 2-f Q3- Q 4 + Q5 • • .) = - г / > ( л - і ) +

о

(4.22) .

Формула (4.22) имеет простой физический смысл. Наличие замкнутых#на конце шлейфов и входных контуров фильтров, хотя и расстро’енных, но все же запасающих какую-то энергию, эквива­ лентно появлению на входе всех фильтров разветвителя паразит­ ного добавочного контура с добротностью Qпар:

(4.22), необходима корректировка добротностей звеньев фильтра. Например, для фильтра с максимально-плоской частотной харак­ теристикой левая часть выражения (4.22) уже не будет равна ну­ лю. Для сохранения максимально-плоской характеристики удобнее всего несколько изменить добротность входного звена этого филь­ тра.

Выбор способа корректировки зависит от соотношения доброт­ ностей паразитного контура и входного звена фильтра. Если доб­ ротность паразитного контура значительно меньше добротности входного звена фильтра, то последнюю следует увеличить на ве­ личину добротности паразитного контура, что эквивалентно вклю­ чению параллельно входному звену фильтра корректирующего кон­ тура с добротностью, равной добротности паразитного контура [45]. Поскольку этот корректирующий контур включен на расстоянии в четверть длины волны от паразитного контура, то они вместе об­ разуют двухзвенный фильтр. Этот двухзвенный фильтр можно рас­ сматривать включенным каскадно с основным фильтром. Двухзвен­ ный фильтр имеет более широкую полосу пропускания, чем одно­ звенный паразитный контур, поэтому значительно меньше искажа­ ют характеристику основного фильтра ствола.

Если добротность паразитного контура соизмерима с добротно­ стью входного звена фильтра, то паразитный контур следует ис­ пользовать в качестве первого звена фильтра.

Построение волноводного разветвителя существенно отличает­ ся от коаксиального. Рассмотрим случай разветвления на N кана­ лов из общего сечения волновода. Пусть волноводы каналов от­ ветвляются от основного волновода по широкой или узкой стенке, а фильтры каналов включены в основной волновод таким обра­ зом, что входная реактивность первого звена фильтра находится

:52

вблизи стенки основного волновода или на расстоянии от нее, крат­ ном половине длины волны. В этом случае все фильтры каналов,, кроме одного рабочего, создадут вблизи стенки основного волно­ вода короткое замыкание и энергия ответвится в рабочий канал. Если не учитывать сложную эквивалентную схему волноводного разветвления в Е- или Я-плоскости и принять, что имеет место простая эквивалентная схема, то она представит собой линию, в од­ ном из сечений которой включены либо непосредственно, либо че­ рез отрезки, кратные полуволнам, фильтры каналов. Эта упрощен­ ная 'охема будет уже еуществеініно отливаться от '.коаксиального разветвителя, где фильтры каналов включаются от места разветв­ ления ініа расстоянии, кратном четверти длины .волны. Поэтому для' волноводного разветвителя ф-ла (4.23) преобразуется к виду

Здесь первый член эквивалентен добротности соединительных по-

в волноводе. В случае непосредственного соединения фильтров с разветвителем ф-ла (4.23) преобразуется к виду

Из сказанного следует, что в волноводном разветвителе пара­ зитный контур будет включен либо непосредственно параллельнопервому контуру фильтра канала, либо отнесен от него на расстоя­ ние, кратное половине длины волны, что тоже эквивалентно вклю­ чению его параллельно первому контуру фильтра [45]. Поэтому корректировка волноводного разветвителя сведется к уменьшениюдобротности первого звена фильтра на величину добротности па­

параллельной селекции стволов. Поэтому только уменьшения доб­ ротности входного контура фильтра ствола часто оказывается не­ достаточным и требуется дополнительная корректировка взаимно­ го места включения стволов либо введение в разветвитель допол­ нительных регулировочных элементов.

Наличие паразитного контура ограничивает расширение рабо­ чей полосы частот канала при заданном частотном интервале меж­ ду каналами. Это следует из того, что далее-при полном использо­ вании паразитного контура в качестве входного, добротность пара­

1-53-

битного контура не должна превышать расчетную добротность входного звена фильтра. Рассчитаем в качестве примера паразит­ ную добротность разветвителя, состоящего из четырех каналов, с добротностью входного звена фильтра Q= 20 и относительным раз­

носом частот — =2%- Расчет по ф-ле (4.24) для р = 1 и(— ) = 2

показывает, что добротность паразитного контура за счет соеди­ нительных отрезков оказывается равной около 4, а за счет рас­ строенных контуров около 18. В этом случае суммарная доброт­ ность паразитного контура получилась соизмеримой с добротно­ стью входного звена фильтра. Дальнейшее расширение полосы про­ пускания канала (т. е. уменьшение Q фильтра) или уменьшение ча­ стотного разноса между каналами приведет к резкому искажению характеристики разветвителя.

В заключение параграфа сделаем замечание о расчете фильт­ ров стволов для систем параллельной селекции. Одним из требо­ ваний, предъявляемых к разделительному фильтру, является обес­ печение защиты рабочего істівола та частотах остальных стволов. Так как на этих частотах разветвитель согласован, то напряжен­ ность поля перед фильтром рабочего ствола уменьшается вдвое

.по сравнению со случаем включения в линию одного фильтра, ког­ да перед ним на частотах вне полосы пропускания образуется стоячая волна. Расчет величины' затухания фильтра вне полосы пропускания относится именно к этому второму случаю. Таким об­ разом, при наличии согласования напряженность поля перед филь­ тром падает вдвое, что приводит к увеличению затухания на ча­ стотах нерабочих каналов на 6 дБ по сравнению с расчетным за­ туханием фильтра. На частотах, промежуточных между частота­ ми стволов, затухание фильтра равно расчетному. Поэтому обыч­ но фильтры для разветвителя рассчитываются на требуемое зату-

.хание без запаса по величине затухания. Однако когда необхо­ димо обеспечить минимальные потери в фильтрах, то при расчете затухание фильтра соответственно уменьшается на 6 дБ. Увеличе- ■ние затухания на 6 дБ при параллельном соединении фильтров •является дополнительным преимуществом системы параллельной •селекции.

Коаксиальный разделительный фильтр на пять стволов

Фильтр [47] предназначен для разделения или сложения

•сигналов пяти стволов в общем антенном коаксиальном тракте. Фильтр удовлетворяет следующим техническим требованиям: цен­ тральные частоты стволов равны 1760, 1780, 1800, 1820, 1840 МГц;

для каждого рабочего ствола в пределах полосы частот ± 4 МГц •коэффициент бегущей волны составляет не менее 0,8; селективность должна составлять не менее 30 дБ при расстройке на ±20 МГц.

Разделительный фильтр состоит из пяти фильтров стволов и разветвителя. Фильтры подсоединяются к общей линии через чет­

.454

155

:ная 75-омная линия 1, а с другого торца выходят 5 коаксиальных

.Л'И'ннп 3 сечением 30X8,5 мм. входная и выходная линии еоединя-

.ются между собой так называемым «пауком» 7. Данная конструк-

тором коэффициент бегущей волны будет максимальным на сред­ ней частоте диапазона. При максимальном коэффициенте бегущей волны реактивности компенсируются и на эквивалентной схеме ос­ танется только идеальный трансформатор (рис. 4.96). Для пол­ ного согласования необходимо сделать коэффициент трансформа­ ции равным единице. Это осуществляется подбором толщины «пау­ ка» в месте подсоединения входной линии. При этом в силу сим­ метрии конструкции оказывается согласованным любой ствол.

1620 +4 -4 №п +1) f'Mfii

Рис. 4.10. Частотные характеристики коаксиального разделительного филь­ тра на пять стволов

156

На рис. 4.10 приведены экспериментальные частотные характе­ ристики разделительного фильтра (по коэффициенту бегущей вол­ ны). Измеренная величина развязки при расстройке на ±20 МГц относительно центральной частоты любого ствола составляет не менее 35 дБ, потери в полосе прозрачности составляют вколо 1 дБ.

Волноводный разделительный фильтр на пять стволов

Характерной особенностью описываемого фильтра являет­ ся регулируемая связь фильтра ствола с основным волноводом [46]. Использование переменной связи позволяет просто и эффективно компенсировать остаточную реактивность разделительного фильтра. Разделительный фильтр имеет следующие электрические характе­

ристики: разнос между центральными частотами стволов

/О

«1,3% ; ширина полосы пропускания ствола составляет около 0,1%, коэффициент бегущей волны в полосе пропускания — не ме­ нее 0,8.

Фильтры стволов состоят из двух звеньев с добротностью звень­ ев, равной около 130. Оценка добротности паразитного контура разветвителя [ф-ла (4.25)] показывает, что она получается равной 7, что значительно меньше добротности входных звеньев фильтра. При этом іріазіветавіитель .может быть настроен .методом последош.а-

157

емкостным винтом, расположенным в центре резонатора.

На вход разветвителя поступают сигналы с частотами fh f2. /з. fi, /5. Для частоты /3 все фнльтры в ответвлениях являются рас­ строенными и поэтому эффективно закорачивают боковую стенку волновода, представляя для частоты 3-го ствола небольшие реак­ тивности. Для других частот фильтр третьего ствола имеет малое входное сопротивление и энергия, отражаясь от этого фильтра, от­ ветвляется в соответствующее плечо. Плечи нерабочих стволов представляют для ответвляемого ствола небольшие реактивные сопротивления. Таким образом, для 1, 2, 4 и 5-го каналов фильтр ствола включен в основной волновод через уголок в Я-плоскости. Заметим, что ответвления в Я-плоскости конструктивно более удоб­ ны, чем в Е-плоскости, однако это не исключает возможности ис­ пользования последних для разделительного фильтра.

Поскольку уголок в Я-плоскости и расстроенные фильтры вно­ сят в фильтр ствола дополнительную реактивность, то ее необхо­ димо скомпенсировать. В идеальном случае фильтры в ответвле-

короткого замыкания, т. е. в пучности электрического поля. В ре­ альном разветвителе ма іконце волінойбда имеется не іи'деальное за­ мыкание, а фильтр. Поэтому при расчете положения элемента от­ ветвления необходимо вводить поправки на положение плоскости отсчета фазы іотн-юісіителыно входной інеоднородноста фильтре и на смещение плоскости короткого замыкания, вызываемое реактивной, проводимостью контура. Кроме того, положение пучности зависит от реактивностей, вносимых всеми ответвлениями. Электрическая длина отрезка прямого волновода, к которому присоединен по уз­ кой стенке расстроенный фильтр, несколько меньше его геометриче­ ской длины. Это укорочение определяется экспериментально, оно мало зависит от частоты и близко к укорочению для тройника в Я-плоскости.

Из-за приближенности расчетов положение элемента ответвле­ ния практически значительно смещается от расчетного, что требует тщательной экспериментальной подгонки. Необходимость такой подгонки ясна из хода кривой 2 на рис. 4.13. Эта кривая показы­

158

няется переменной с помощью двух ступенчатых стержней, распо­ ложенных в плоскости узкой стенки основного волновода, как по­ казано на рис. 4.12. Регулировка погружения ступенчатых стержней позволяет изменять эффективное положение окна связи вдоль волновода. Как видно из кривой 1 рис. 4.13, такая подстрой­ ка связи обеспечивает настройку фильтра до коэффициента бегу­ щей волны 0,95 при смещении окна сеязи до 9 мм. Благодаря это­ му отпадает необходимость в экспериментальном определении ме­ стоположения боковых плеч. Их достаточно расположить на рас­

четном расстоянии, кратном -у- , от плоскости входной решетки

фильтра в основном волноводе. Настройка осуществляется обыч­ ным способом по входному коэффициенту бегущей волны фильтра, нагруженного на согласованную нагрузку. Настройка производит­ ся как изменением резонансной частоты, так и подбором связи. При этом ячейка (состоящая из уголка в Я-плоскости и филь­ тра) настраивается до коэффициента бегущей волны 0,96—0,97.

Экспериментальная частотная характеристика разветвителя на пять каналов приведена на рис. 4.14. Настройку на коэффициент

Рис. 4.14. Частотная характеристика волноводного раз­ делительного фильтра на пять стволов

1159

бегущей волны 0,93 удалось провести всего лишь двумя последо­ вательными приближениями.

Волноводный разделительный фильтр на четыре ствола

Фильтр предназначается для разделения или сложения сигналов четырех стволов в общем антѳнио-іволіноіводіном тракте. Характер­ ной особенностью этого фильтра является использование в каче­ стве первых входных звеньев фильтра ствола добавочного конту­ ра, образованного нескомпенсированными реактивностями разде­ лительного фильтра. Кроме того, этот фильтр отличается от опи­ санного выше на 5 стволов тем, что фильтры каналов максимально приближены к точке разветвления. Это облегчает настройку и поз­ воляет получить разветвитель с более высокими электрическими характеристиками.

Фильтр должен удовлетворять следующим техническим требо­

ваниям: разнос между центральными частотами стволов — = 2 % ;

/о

для каждого рабочего ствола в пределах полосы частот около 0,5% коэффициент бегущей волны составляет не менее 0,8. Селектив-

Рис. 4.15. Волноводный разделительный фильтр на четыре ствола

ность разделительного фильтра обеспечивает развязку не менее 60 дБ ін.а (центральных частотах соседних каінФлов '(например, при расстройке на ±2% от центральной частоты ствола).

160