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

основной волновод бесконечное затухание (полюс затухания). На частоте, соответствующей центру полосы пропускания резонатора (частота /п на рис. 4.35), режекторный контур вносит в основной волновод некоторую реактивность, которая определяется его доб­ ротностью. Эта реактивность компенсируется реактивностью 1: величина реактивности 1 выбирается равной реактивности режекторюого контура, іа рнісісгояніие между ініи:м.и соответствует условию компенсации.

Поскольку режекторный контур в месте своего включения вно­ сит в основной волновод большое последовательное сопротивле­ ние, расстояние между контуром 2 и реактивностью 1 близко к чет­ верти длины волны в волноводе. Последовательное сопротивление режекторного контура можно представить в сечении, расположен­ ном на четверть длины волны справа от режекторного контура, как большую проводимость, .включенную параллельно ів основную ли­ нию. Поэтому фильтр с несимметричной характеристикой можно рассматривать как образованный из обычного полуволнового ре­ зонатора і(сім. тл. 3) путем замены одной пз постюяннык реактив­ ностей переменной реактивностью режекторного контура.

Другой конструктивный вариант волноводного фильтра с не­ симметричной характеристикой [49] изображен на рис. 4.36. Фильтр

компенсируется реактивностью 2.

Ответвление в Д-плоскости, если не учитывать реактивности в месте разветвления, эквивалентно режекторному контуру, включен­ ному в разрыв широкой стенки волновода (рис. 4.34). Поэтому ра­ счет .описанных фильтров производится по одинаковой методике.

Расчет фильтра с несимметричной характеристикой носит ори­ ентировочный характер и состоит в определении длины четверть­ волнового режекторного контура и величины реактивности.

Исходными данными для расчета являются:

181

—частота, соответствующая полюсу затухания f3;

—частота, соответствующая центру полосы пропускания

—ширина полосы запирания 2Af3 по заданному в децибелах уровню затухіаініия b3;

—добротность фильтра Qn, определенная по полосе пропуска­

ния.

Установим теперь зависимость между добротностью короткозамкнутого четвертьволнового контура и его размерами. Контур и его эквивалентная схема изображены на рис. 4.37. На эквива-

Рис. 4.37. Режекторныіі контур и его эквивалентная схема

лентной схеме мы пренебрегаем реактивностью В в месте развет­ вления, так как в полосе режекции она мала по сравнению с ре­ активностью короткозамкнутого отрезка Вкз> равной

Нагруженная добротность фильтра определяется по ф-ле (3.3). Подставляя (4.39) в (3.3), производят дифференцирование и, учи­ тывая, что суммарная проводимость g=0,5, получают выражение для нагруженной добротности фильтра Q3 в полосе запирания

т2Ь' 2

Функция івіносммых потерь .режекто-рН'Ого фильтра описывается уравнением

182

Для определения нагруженной добротности в полосе пропуска­ ния фильтра с несимметричной характеристикой необходимо учесть, что одна из реактивностей создается режекторньш конту­ ром и сильно зависит от частоты. Ограничимся рассмотрением случая b — b', когда на эквивалентной схеме рис. 4.37 можно пре­ небречь проводимостью В, так как при b = b' она близка к нулю{3]. В случае ЬфЬ' необходимо учитывать проводимость разветвле­ ния В и 'суммировать ее с Виз-

Рассмотрим сначала случай, когда средняя частота полосы пропускания расположена ниже полюса затухания. В этом случае режекторный контур будет иметь индуктивную проводимость

Нагруженная добротность определяется по ф-ле (3.3) ори у\ = уг=у

и Х=0:

Найдем производную

dk_ d со

Подставляя (4.45) в (4.44), получим

Qn = — (— Ykl (— 2c/sin kl + г/2 cos kl) -\— —Q3y2{— cos kl —

У =

< ?зД /

При значениях проводимости больше трех ф-ла (4.47) принимает вид

В случае, когда средняя частота полосы пропускания будет расположена выше полюса затухания, реактивность режекторного контура y% будет иметь емкостный характер, т. е. проводимость уг будет положительной. При компенсации ее индуктивной проводи­ мостью у\ (как и в первом случае) расстояние между реактив­ ностями kl будет равно пп. С учетом этого добротность опреде­ лится ф-лой (4.49) для любых значений у.

В ф-лах (4.47) и (4.49) первый член представляет собой доб­ ротность фильтра, образованного из двух реактивностей, не зави­ сящих от частоты. Второй член дает поправку, связанную с тем, что одна из реактивностей изменяется с частотой по закону

184

На основании вышеизложенного можно рекомендовать следую­ щий порядок расчета фильтра о несимметричной характеристикой.

1.По заданной ширине полосы заграждения 2Af3 (но уровню' Ъ3 в децибелах) из ф-лы (4.41) ориентировочно определяется доб­ ротность режекторного контура Q3.

2.Исходя из заданного разноса по частоте между полюсом за­ тухания и центром полосы пропускания |Дf и требуемой доброт­ ности Qn в полосе пропускания совместным решением ур-ний ,(4.47)

и(4.48) определяется целое число полуволн контура п и величина индуктивной проводимости уі = у. Значение Q3 при этом может несколько отличаться от ранее определенного в п. 1.

3. Для контура, изображенного на рис. 4.36, число полуволн п

4.По ф-ле (4.40) определяются геометрические размеры ре­ жекторного контура. В случае больших нагруженных добротно­ стей, когда длина контура получается большой (р> 1), он может быть заменен на полуволновый резонатор, связанный с основным волноводом через большие реактивности (отверстия, щели или индуктивные стержни) {3].

5.Полоса режекции фильтра о несимметричной характеристи­ кой определяется суммарным затуханием режекторного контура, описываемого выражением (4.41), и затуханием, вносимым реак­ тивностью у 1. Суммарная характеристика в полосе режекции будет иметь более крутой скат в сторону полосы пропускания и значи­ тельно более пологий скат в сторону от полосы пропускания, чем

урежекторного контура. Это может быть учтено при эксперимен­ тальной доработке фильтра.

4.5.РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ ДВУХ РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНОВ ЧАСТОТ,

Общие сведения

Параллельная селекция двух высокочастотных стволов, рас­ положенных в различных диапазонах частот, применяется там, где необходимо обеспечить минимальные потери при разделении ство­ лов, например во входных устройствах малошумящих усилителей. Направленные ответвители с полной связью (направленные филь­ тры [3]), которые могут быть использованы для этих целей, сами имеют значительное затухание (около 0,5 дБ), в то время как в схемах параллельной селекции потери разветвителя близки к нулю. Кроме того, параллельная селекция дает значительный выигрыш в габаритах и весе.

На рис. 4.39 приведена схема разделительного фильтра для се­ лекции двух диапазонов частот, основанная на использовании пре-

185

включенный на расстоянии около четвер­ ти длины волны ;в волноводе 1 от .места стыка волноводов. В вол­ новоде 3 имеется фильтр Фг, настроенный на частоту второго отво­ да. Энергия частот первого ствола в волновод 3 не ответвляется.

Конструкция фильтра

На рис. 4.40 приведена конструкция разделительного филь­ тра, удовлетворяющего следующим техническим требованиям:

— частоты каналов первого ствола превышают чистоты ка­ налов второго ствола в 1,5—2 раза;

— развязка между рабочими каналами ствола — не менее

20дБ;

—затухание в каналах одного ствола на частотах другого ствола — не менее 100 дБ;

—полосы пропускания каналов по уровню коэффициента бегу­ щей волны, равного 0,8, — около 1—1,5%;

— потери в каналах первого ствола — около 0,1 дБ, а в кана­ лах второго — не более 0,3 дБ.

На рисунке устройство объединения каналов в первом стволе не показано, оно может быть выполнено по параллельной или по­ следовательной схеме в зависимости от требований.

Разделительный фильтр состоит из двух канальных фильтров I, работающих в нижнем диапазоне частот. Эти фильтры подсое­ динены к общему входному волноводу 2. Волновод 2 с помощью вкладышей 3 переходит в волновод 4 с размером широкой стенки, предельным для частот второго диапазона. Необходимое затуха­ ние на частотах, второго диапазона обеспечивается длиной волно­ вода 4. Для частот первого диапазона этот размер не является предельным, и поэтому эти частоты распространяются по волно­ воду 4.

186

зона, хотя из соображений лучшего согласования в каналах на частотах второго диапазона

их местоположение должно быть несимметричным. Расстояние от места стыка волноводов 2 и 4 до центра окна связи фильтра долж­

но быть ~ — .

4

Размер окна связи фильтра подбирается в процессе настрой­ ки совместно с волноводом 2. Размер окна связи должен обеспе­ чивать необходимую нагруженную добротность первого звена. Для обеспечения большого затухания в каналах второго ствола на ча­ стотах первого ствола фильтры выполняются из трех звеньев с непосредственными связями на уменьшенном сечении волновода.

Настройка фильтров второго ствола производится так:

— выходные и средние звенья фильтров настраиваются по из-

Л

мерительной линии сдвигом узла на — ;

— входные звенья настраиваются методом' последовательного' приближения при визуальном наблюдении формы частотной ха­ рактеристики.

При измерении характеристик разделительного фильтра были: получены следующие результаты:

— коэффициент бегущей волны второго, диапазона — около 0,85 в полосе частот каналов;

т

— потери в каналах второго диапазона частот — не более 0,2 дБ;

—затухание между каналами -во втором диапазоне частот не менее 20 дБ;

—затухание в каналах второго диапазона на частотах первого диапазона — не менее 100 дБ;

—коэффициент бегущей волны устройства со стороны общего входа на частотах каналов первого диапазона — не менее 0,9.

4.6.ФИЛЬТРЫ НА УМЕНЬШЕННОМ СЕЧЕНИИ

Полоснопропускающие фильтры, выполненные ів виде ре­ зонаторов с четвертьволновыми связями на нормальном сечении волновода, являются прозрачными при больших расстройках от резонансной частоты в сторону высоких частот (около 40% и вы­ ше). Это вызывает необходимость применения фильтров нижних частот. Использование дополнительных фильтров нижних частот увеличивает габариты устройства и потери на основной частоте.

Известно, что уменьшение объема резонатора .приводит к сме­ щению паразитных полос пропускания в область более высоких частот. Размеры резонатора могут быть уменьшены до предельных

значений (с = — ) и даже значительно меньше их. В этих случаях

для настройки резонатора на резонансную частоту параллельно электрическому полю глубоко вводится емкостный винт.

Однако уменьшение объема резонатора не может быть беспре­ дельным. Оно ограничивается уменьшением собственной добротно­

Рис. 4.41. Эскиз резонатора на уменьшенном сечении волновода:

/ — резонатор; 2, 3 —'настроечные элементы; 4 — волноводный тракт нормаль­ ного сечения; 5 — окно связи

І8в

Конструкция резонатора приведена на рис. 4.41. Для увеличе­ ния юобістаеініной добротности резонатор 1 выполняется в виде кубического объема. Связь резонатора с основным трактом 4 осу­ ществляется с помощью окон связи 5. Резонатор настраиваетсяметаллическим стержнем 2 и винтом 3, вводимыми в центр резона­ тора.

Для определения основных размеров фильтров на уменьшенном: сечении волновода необходимо знать зависимость изменения часто­ ты настройки резонатора ют глубины погружения настроечного стержня.

Для расчета воспользуемся квазистационарным методом, при­ меняемым для расчета резонаторов клистронных генераторов [50]. Такой резонатор имеет цилиндрическую форму и схематически мо­

ми по внутренней поверхности резонатора. Электрические парамет­ ры резонатора могут быть выражены через его геометрические размёры так [50]s

1

L = 2Я1п — , нГ

d

18$

Все линейные размеры, входящие в ф-лу (4.50), должны быть лодставлены в сантиметрах. Общая емкость резонатора С= Сі+С2.

.Для резонансной длины волны цилиндрического резонатора

тде L — в нГ; С — в пФ.

Резонатор на уменьшенном сечении волновода представляет

.собой кубический объем. Для. того чтобы применить 'приведенные формулы к резонатору кубического объема, можно выразить гео­ метрические размеры цилиндрического резонатора через геомет­ рические размеры кубического резонатора, равновеликого ему по площади основания. Приравняв площади оснований двух резона­

где

.а — линейный размер стороны кубического резонатора; D — диаметр основания цилиндрического резонатора.

Учитывая выражение (4.52) и подставляя геометрические раз­ меры кубического резонатора в ф-лы (4.50), (4.51), можно рассчи­ тать зависимость частоты настройки резонатора от глубины по­ гружения настроечного стержня.

На рис. 4.43 приведены расчетный и экспериментальный графи­ ки зависимости резонансной частоты кубического резонатора на

Ml

Рис- 4.43. Зависимость резонансной частоты кубиче­ ского резонатора на уменьшенном, сечении от глу­ бины погружения настраивающих стержней