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

стволов и разветвителя. Фильтр ствола имеет максимально-плос­ кую частотную характеристику. Этот выбор обусловлен требова­ нием высокого согласования в полосах пропускания стволов. Рас­ четный коэффициент бегущей волны фильтра в полосе пропуска­ ния равен 0,9. Расчет показывает, что фильтр ствола должен со­ стоять из шести звеньев. Нагруженная добротность фильтра Q= = 65. Нагруженные добротности звеньев фильтра QI = QG= 17> (?2= Qs= 46, Q3='Q/I=63.

Вычислим паразитную добротность разделительного фильтра. Расчет по ф-ле (4.24) для р = 1и ( - ^ - f = 2 показывает, что доб­

ротность паразитного контура за счет соединительных отрезков близка к 4, а за счет 'расстроенных фильтров стволов составляет около 18, т. е. оказывается соизмеримой с добротностью входного контура, равной 17. При таком соотношении добротностей паразит­ ного и входного контуров фильтра ствола в качестве первого звена фильтра следует использовать паразитный контур разделительного фильтра. Для возможности независимой настройки фильтров ство­ лов и последующей настройки разделительного фильтра первые звенья фильтров выполняются так, что их добротность может из­ меняться от расчетной (равной 17) до нуля. Для этого первое звено фильтра выполняется в виде отрезка волтювода с тремя емкостными винтами. Этот отрезок волновода путем регулировки погружения винтов может выполнять как роль первого звена филь­ тра, так и трансформатора между паразитным контуром и фильт­ ром. Диаметр винтов, расстояние между ними и максимальное по­ гружение рассчитываются ([35] и ф-лы (3.1) и (3.15)) так, чтобы получился емкостный резонатор с добротностью, равной расчетной добротности входного звена фильтра. Емкостная проводимость соз­ дается погружением крайних винтов, средний винт служит для под­ стройки резонансной частоты.

Остальные звенья фильтра выполняются на стандартном пря­ моугольном волноводе с, индуктивными проводимостями. Каждая индуктивность представляет собой диафрагму из трех штырей, сое­ диняющих широкие стенки волновода. Подстройка резонаторов осуществляется емкостными винтами, расположенными на широ­ кой стенке в центре резонаторов. Связи между резонаторами филь­ тра — четвертьволновые.

Фильтры стволов подсоединяются к общей линии (см. рис. 4.15) с помощью трех 120-градусных симметричных тройников в //-пло­ скости. Поскольку в описываемом фильтре добротность входного звена фильтра соизмерима с добротностью паразитного контура разделительного фильтра, последний требует тщательной экспери­ ментальной отработки. Процесс отработки следующий: фильтры стволов настраиваются вместе с первым звеном — трансформа­ тором для получения расчетных характеристик. Затем фильтры первого и второго стволов соединяются с помощью тройника. Рас­ стояния между фильтрами и тройником должны быть минималь-

йыми, они подбираются экспериментально с помощью прокладок между фланцами так, чтобы получить максимальное согласова­ ние на центральных частотах стволов. Аналогично объединяются фильтры третьего и четвертого стволов. Затем настроенные филь­ тры соединяются в общую схему с помощью третьего тройника. Расстояние между тройниками подбираются так, чтобы получить максимальное согласование на входе разделительного фильтра на частотах, расположенных соответственно между первым и вторым стволами и между третьим и четвертым стволами. Для этого по­ очередно один из тройников с фильтрами заменяется согласован­ ной нагрузкой и подбирается расстояние между оставшимися дву­ мя тройниками. При такой настройке разделительный фильтр ока­ зывается несколько расстроенным на всех частотах стволов.

Теперь необходимо настроить разделительный фильтр в поло­ се частот стволов. Для этого следует заменить первые входные звенья фильтров паразитным контуром разделительного фильтра. Поскольку добротность паразитного контура для разных стволов различна н место включения этого контура не определено, то про­ изводится регулировка с помощью трансформаторов-фильтров, включенных между тройниками и фильтрами стволов путем посте­ пенного уменьшения глубины погружения настроечных винтов. На экране осциллографа свипгенератора наблюдаются частотные ха­ рактеристики стволов, и поочередной регулировкой трансформато­ рами в соответствующих стволах фильтры подстраиваются на мак­ симальное согласование в полосе частот. Настройка повторяется последовательно два-три раза.

На рис. 4.16 приведены экспериментальные частотные характе­ ристики разделительного фильтра на четыре ствола в сантимет­ ровом диапазоне частот. Из них видно, что коэффициент бегущей

.волны в полосе прозрачности 0,5% составляет не менее 0,8 при разносе между центральными частотами стволов 2%. Измеренная величина развязки на центральных частотах соседних каналов рав­

162

на около 60 дБ, а в полосах соседних стволов — не менее 40 дБ, потери в полосе прозрачности стволов составляют около 0,6 дБ, что всего на 0,1 дБ больше, чем у отдельных фильтров стволов. Это увеличение потерь в разделительном фильтре связано с не­ которым рассогласованием разделительного фильтра (коэффици­ ент бегущей іволтіы .равен 0,8 «место 0,9 у фіилыпра) и актавнымч потерями за счет разветвителя (около 0,05 дБ).

4.3.ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ ФИЛЬТРЫ В СХЕМАХ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СЕЛЕКЦИИ

Разделительные фильтры многоствольных систем выпол­ няются, как правило, неперестраиваемыми. Задача создания пе­ рестраиваемых по частоте фильтров стволов возникает в частном случае в двухканальной системе, когда необходимо совместить, на­ пример, перестраиваемые по частоте передатчик и приемник для работы на общую антенну. Двухствольные системы с параллельной селекцией называются дуплексерами.

Перестраиваемые дуплексеры могут быть двух типов. В дуплекеерах первого типа частоты стволов меняются произвольно во всем заданном диапазоне частот с сохранением минимального раз­ носа между частотами. В дуплексерах второго типа весь диапазон разбивается на два поддиапазона с защитным промежутком меж­ ду ними, частоты стволов меняются только в этих поддиапазонах. Ясно, что в первом случае устройство является более сложным и широкополосным. Схема перестраиваемого дуплексера первого ти­ па изображена на рис. 4.17. Дуплексер представляет собой трой­ ник, в плечи которого на расстоянии четверти длины волны на средней частоте диапазона включены фильтры Фt и Ф2Сигнал с. частотой fi поступает на вход дуплексера и ответвляется в прием­ ное плечо. На этой частоте фильтр в плече передатчика имеет ма­ лое входное сопротивление, которое через линию длиной четверть волны пересчитывается на вход тройника как большое входное сопротивление.

Поэтому энергия в плечо передатчика не ответвляется. Аналогич­ но сигнал передатчика с частотой /2 поступает через согласованный фильтр на вход тройника и ответвляется в общий канал. В канал приема сигнал не попадает, так как в нем имеется расстроенный для этой частоты фильтр.

При параллельном соединении двух перестраиваемых фильтров их частотные характеристики искажаются по двум причинам: от изменения положения плоскости короткого замыкания фильтра, за­ висящего от разницы частоты настройки фильтров и величины доб­ ротности крайних звеньев, и от изменения электрической длины плеча тройника. Изменение электрической длины плеча тройника при фиксированном положении плоскости короткого замыкания легко компенсировать, включив дополнительные реактивности в плечи тройника. Такой тройник в коаксиальном исполнении изо­ бражен на рис. 4.18. Расчет тройника [48] показывает, что он мо­

ственной близости от боковой стенки тройника, так как плоскость короткого замыкания высокодобротных резонаторов близка к се­ чению, где включена входная реактивность. Поэтому основным фактором, определяющим минимальный разнос по частоте меж­ ду средними частотами соседних стволов, является изменение по­

164

При больших величинах уъ что обычно имеет место для перестраи­ ваемых дуплексеров, тангенс в ф-ле (4.26) можно заменить его аргументом:

В зависимости от знака реактивности у% /Эфф может быть положи­ тельным или отрицательным.

Из ф-лы (4.27) следует, что положение плоскости короткого за­ мыкания определяется рабочей частотой, добротностью и относи­ тельным разносом стволов по частоте. Основное влияние на поло­ жение плоскости короткого замыкания оказывает последний фак­ тор, так как относительный разнос по частоте изменяется при перестройке в несколько раз, в то время как изменения час­ тоты и добротности составляют несколько десятков процентов и ими можно пренебречь. Проводимость на входе тройника при этом

Определим длину тройника / так, чтобы входная проводимость равнялась нулю при максимальном разносе частот. Затем по ф-ле (4.28) нетрудно рассчитать минимальный разнос частот, зная на­ груженную добротность первого звена фильтра Q и допустимую нескомпенсированную проводимость увх-

Для перестраиваемых дуплексеров ф-лу (4.28) можно упрос­ тить. Обычно ширина полосы пропускания ствола в перестраивае­ мых дуплексерах невелика и не превышает 1%, т. е. перестраивае­ мые фильтры являются узкополосными. Добротности входных звеньев составляют не менее 25-=-30. Диапазон перестройки дуп­ лексера обычно составляет около 10%. В этих условиях при (мак­

плоскости короткого замыкания при минимальном разносе частот

•ристики фильтров стволов подбираются такими, чтобы на часто­ тах соседних нерабочих стволов обеспечивать малое смещение ■плоскости короткого замыкания. Это условие будет выполнено, "если входное звено фильтра на частотах соседних стволов будет ■иметь полосу заграждения с большим затуханием (рис. 4.20). Сле­ дует особо подчеркнуть, что именно первое звено фильтра ствола ■должно обеспечивать значительное затухание на частотах сосед­ них стволов. Это обусловлено тем, что входная проводимость мно­ гозвенного фильтра определяется в основном проводимостью его первого звена [ф-ла (4.8)]. Затухание всего фильтра определяет «просачивание» через него энергии нерабочего ствола.

В этом случае реактивная проводимость Уф фильтра, осущест­ вляющего режекцию на частотах соседних стволов, будет большой и пересчитается на вход разветвителя через четвертьволновый от­ резок как небольшая реактивная проводимость. Суммарная реак­ тивная проводимость на входе разветвителя от всех нерабочих стволов

(4.30)

Связь между реактивной проводимостью и вносимым затуханием устанавливается известной формулой

(4.31)

По ф-лам (4.30) и (4.31) нетрудно рассчитать зависимость между допустимым рассогласованием на входе разветвителя и вносимым затуханием первого звена фильтра на частотах соседних стволов.

Рассмотрим двухствольную систему и примем условно, что ос­ таточная входная реактивная проводимость не превышает 0,17 (что соответствует коэффициенту бегущей волны около 0,85). В этом случае вносимое фильтром затухание на частотах нерабочего ствола должно быть не менее 10 дБ.

Реализация резонатора, имеющего полосу пропускания и одну полосу заграждения, является наиболее простой и осуществляет­ ся конструктивно в одном звене без введения дополнительных режекторных фильтров. Поэтому мы ограничимся рассмотрением ко­ аксиальных и волноводных фильтров с полосой пропускания и од­ ной полосой заграждения. Назовем такие фильтры фильтрами с не­ симметричной характеристикой. Фильтры с несимметричными ха­ рактеристиками позволяют получить высокое заграждение в одном из каналов на частотах соседнего канала при числе звеньев, при­ мерно в два раза меньшем, чем для фильтров с симметричными характеристиками. Вследствие уменьшения числа звеньев умень­ шаются потери в полосе пропускания канала и сокращаются га­ бариты и вес устройства. При построении многоствольных систем использование фильтров с несимметричными характеристиками по­

167

тройник (см. § 4.3). Фильтры стволов включаются от места раз­ ветвления тройника на расстоянии, равном четверти длины волны. В волноводном варианте используется 120-градусный тройник в //-плоскости.

Коаксиальные фильтры с несимметричной характеристикой

Фильтры с несимметричной характеристикой имеют полосу пропускания и одну полосу заграждения с полюсом бесконечного затухания, расположенную ниже или выше полосы пропускания. С другой стороны, где нет полюса затухания, частотная характе­ ристика монотонна.

Идеализированные частотные характеристики фильтров для двух случаев расположения полосы заграждения относительно по­ лосы пропускания показаны на рис. 4.22.

На рис. 4.22а показана частотная характеристика фильтра, по­ лоса заграждения которого находится на более высоких частотах, чем полоса пропускания. Такую характеристику имеет фильтр, схематически показанный на рис. 4.23а. Звенья фильтра состоят из двух шлейфов — короткозамкнутого и разомкнутого, — включен­ ных параллельно в основную линию. В полосе пропускания такое звено фильтра представляет собой обычный четвертьволновый ре­ зонатор. Сумма длин шлейфов равна примерно четверти длины

са заграждения с полюсом бесконечного затухания создается ра­ зомкнутым шлейфом, длина которого выбирается равной четверти

длины волны на средней частоте полосы заграждения: h= .

При этом входная проводимость такого шлейфа равна бесконечно­ сти, т. е. шлейф в месте подсоединения к основной линии создает короткое замыкание и отражает падающую на него энергию.

На рис. 4.226 показана частотная характеристика фильтра, по­ лоса заграждения которого находится на более низких частотах, чем полоса пропускания. Такую характеристику имеет фильтр, схе­ матически показанный на рис. 4.236. Звено фильтра состоит из разомкнутого шлейфа и сосредоточенной емкости, включенных па­ раллельно в основную линию. Для образования полосы заграж­ дения длина разомкнутого шлейфа выбирается равной четверти

168

длины волны на средней частоте полосы заграждения: 1=Кі/4. Тогда на средней частоте полосы пропускания проводимость тако­ го шлейфа в точках подключения к питающей линии имеет индук­ тивный характер. Для компенсации реактивности в полосе пропу­ скания звено фильтра должно иметь емкостное сопротивление, включенное параллельно индуктивному сопротивлению разомкнуто-

го шлейфа. Таким образом, рассмотренные схемы фильтров сов­ мещают в одном звене полосовые и режекторные свойства, что поз­ воляет при малых габаритах реализовать нужную частотную ха­ рактеристику.

Назовем фильтр, показанный на рис. 4.23а, «индуктивным» фильтром, а фильтр на рис. 4.236 — «емкостным».

Приведем расчет индуктивного и емкостного фильтров. Для это­ го воспользуемся общей методикой синтеза фильтров ш отрезков линии передачи в виде шлейфов (шлейфовые фильтры) с четверть­ волновыми связями с максимально-плоской и чебышевской фор­ мой характеристики функции вносимого затухания, разработан-, ной Ю. А. Седовым. Шлейфовые фильтры имеют периодический характер функции вносимого затухания, т. е. чередующиеся по­ лосы пропускания и заграждения.

169

Рассматриваемые здесь фильтры являются частным случаем: шлейфовых фильтров и отличаются тем, что имеют полосы беско­ нечного затухания только по одну сторону от полосы пропускания...

При расчете фильтров делаются следующие допущения:

1)все звенья фильтра однотипны;

2)волновые сопротивления шлейфов в звене равны между со­

бой;

3)длины разомкнутых шлейфов одинаковы;

4)длины короткозамкнутых шлейфов одинаковы.

Рассмотрим методику расчета фильтров с чебышевской частот­ ной характеристикой. Функция вносимого затухания для фильтров с чебышевской частотной характеристикой выражается ф-лой (1.2). Частотные переменные определяются по формулам:

для индуктивного фильтра

Чебышева іооогаетстівеініно для индуктивного н емкостеого фмльтрш; С -— сосредоточенная емкость; с — скорость света.

Количество звеньев определяется по ф-ле (1.15), в которую вме­ сто А'з следует подставлять Аинд или Аемк. Чтобы получить равные величины потерь на крайних частотах границ полосы пропускания и равные величины затухания на крайних частотах полосы заграж­ дения, необходимо обеспечить равенство проводимостей на ука­ занных частотах.

Выражения для нормированных проводимостей в полосе пропу­ скания и заграждения для звена индуктивного фильтра прирав­

170