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

уменьшенном сечении от глубины погружения настраивающих стержней. Как видно из графика, расчетные и экспериментальные кривые удовлетворительно совпадают в области погружения стерж­

ня (0,3-1-0,4) —

а

Экспериментально исследован кубический резонатор, в котором размер а выбран в два раза меньшим, чем ширина подводящего волновода: а=30 мм. Собственная частота резонатора без емкост­ ного стержня Ä;7000 МГц. При введении настроечного стержня диаметром 9 мм на глубину 15 мм рабочая частота резонатора получается равной 3400 МіГц (рис. 4.43). -Нагруженная добротность резонатора равна 50, а собственная добротность — 4000.

Резонатор имеет затухание не менее 30 дБ до частоты 6900 МГц, т. е. почти до второй гармоники от рабочей частоты.

Ниже приводятся конструкции фильтров, построенных на осно­

Связь осуществляется с помощью окон, размер которых, в данном случае, отрабатывался экспериментально в зависимости от нагру­ женной добротности последующего резонатора. Расположение окон связи в этом фильтре таково, что объем между входным и выходным фланцами подсоединительных волноводов используется оптимально.

Фильтр состоит из корпуса 1, в котором фрезеруются четыре резонатора и окна связи между ними, а также входное и выходное окна связи. Корпус с двух сторон закрывается крышками 2. Крыш­ ки устанавливаются на винтах или запаиваются. В одну из кры­ шек впаяны настроечные винты 3, образующие шунтирующую' емкость. Ими производят грубую настройку резонатора на нужный диапазон. Для точной настройки на рабочую волну используются подстроечные винты 4, которые фиксируются с помощью гайки 5

Общий вид фильтра с подсоединительными волноводами пред­ ставлен на рис. 4.45. При данной компоновке звеньев фильтра входное и выходное окна связи оказываются смещенными от оси волновода. Это уменьшает связь входного волновода с первым резонатором. Для получения более низких напруженных доброт­ ностей требуется обеспечить большую связь между входным вол­ новодом и первым резонатором. Для этого может быть предложе­ но два іспошба: 1) частичное или полное заполнение окна диэлек­ триком, 2) смещение входного окна связи к центру входного вол­ новода.

Экспериментальная отработка фильтра состоит в подборе раз­ меров окон связи и производится следующим образом.

191

1. Подбирается размер входного окна связи в однозвенном фильтре при реальном расположении фланцев относительно пер­ вого звена для получения нагруженной добротности первого звена.

2.Аналогично подбирается размер окна связи для получения нагруженной добротности второго звена.

3.Изготавливается двухзвенный фильтр, составляющий поло­ вину от четырехзвенного фильтра с реальным расположением вы­ ходных окон. На этом фильтре подбирается связь между первым

ивторым звеньями. Такая же связь будет между третьим и чет­ вертым резонаторами.

4.Изготовляется четырехзвенный фильтр с подобранными вы­ ходными окнами связи и окнами связи между первым и вторым, третьим и четвертым резонаторами. Подбирается связь между вто­ рым и третьим резонаторами.

Оправильности нахождения геометрических размеров входного отверстия связи судят по ширине полосы частотной характеристи­

ки по коэффициенту бе­ гущей волны или по по­ лосе пр'Опу'Скания на уров­ не затухания 3 дБ. Конт-

ными волноводами

роль правильности нахождения связи между резонаторами осуще­ ствляется по форме частотной характеристики. Она должна быть

192

максимально-плоской. Полученная экспериментальная частота ха­ рактеристика близка к расчетной.

'Расісчіит.аініная ііто результатам измерения потерь ів полосе про­ пускания, собственная добротность резонаторов фильтра равна 4000. Паразитные полосы пропускания фильтра начинаются с 7000 МГц. Фильтр о теми же электрическими характеристиками, изготовленный «а 'волноводе 6 ІХ І0 мм с индуктивными решетка­ ми и четвертьволновыми связями, имеет значительно ббльшую дли­ ну, большие потери в полосе пропускания (Q0~3000) и паразит­ ные полосы пропускания, начиная с частоты 1,4/о.

С помощью фильтров на уменьшенном сечении волновода, в случае необходимости, можно получить большие затухания (поряд­ ка 100 дБ) в области больших расстроек от полосы пропускания при небольших значениях нагруженных добротностей звеньев. В ка­ честве примера на рис. 4.46 приведен эскиз трехзвенного фильтра,

ы

*

С )

>7Щ- ш\

■ JZZ3

Рис. 4.46. Трехзвенный фильтр

построенного на резонаторах уменьшенного сечения. Требования, предъявляемые к этому фильтру, следующие: частота настройки /о=3700 МГц, полоса пропускания по уровню коэффициента бегу­ щей волны, равному 0,8—1,3%. На частотах бЮОч-6400 МГц вно­ симое затухание должно быть не менее 100 дБ.

Расчет фильтра показывает, что он должен состоять из трех звеньев с добротностями Qi = Q3=24, Qz=37. Так как добротности Qi и фз малы, то входные окна связи находятся в центре подводя­ щего волновода, а окна связи между первым, вторым и третьим резонаторами выполнены симметрично во всю высоту резонаторов. Настроечные винты для грубой перестройки расположены сим­ метрично іс двух сторон. Сіиімметріичніое расположение окон связи и настроечных винтов улучшает заграждающие свойства фильтра при больших расстройках. Экспериментально получено, что ком­ поновка фильтра, при которой выходные фланцы располагаются не на одной оси, резко улучшает заграждающие свойства фильтра. Например, при расположении фланцев на одной оси имеет место снижение затухания до 50 дБ в диапазоне частот 6100-^-6400 МГц.

193

Экспериментальная характеристика 'такого фильтра в полосе пропускания близка к расчетной. Собственная добротность резо­ наторов приблизительно равна 3800. Затухание трехзвенного филь­ тра при больших расстройках в диапазоне частот 61004-6400 МГц превышает 100 дБ.

Фильтры на уменьшенном сечении могут быть выполнены как на фиксированные частоты, так и перестраиваемыми. Для пере­ страиваемых фильтров настроечный винт 4 (рис. 4.44) заменяется подвижным стержнем. Стержень перемещается в бесконтактной полуволновой ловушке и связан с механизмом перестройки.

На рис. 4.47 приведен вариант перестраиваемого четырехзвен­ ного фильтра іна уменьшенном сечении. Собственно фильтр выпол­

личающихся направлением поляризации на частоте, при которой длина резонатора равна половине длины волны в волноводе (или кратна ей) для колебаний типа Ні0 [51].

Объемный резонатор такого типа (рис. 4.48) выполняется на волноводе квадратного сечения /, ограниченном с торцов сплошны­ ми металлическими стенками 2. Входной 3 и выходной 4 волноводы подсоединяются под прямым углом к боковым стенкам объемного

винта связи 6, вводимого в полость резонатора через боковое ребро под углом 45° к боковым стенкам.

Для совмещения резонансных частот в резонатор вводятся два винта 5, расположенные симметрично относительно винта связи. Поскольку подстроечные винты погружаются в резонатор не глу­ боко, взаимным влиянием между ними можно пренебречь.

194

Резонатор с двумя типа­ ми 'колебаний эквивалентен двухконтурноіму фильтру, по­ этому его использование поз­ воляет уменьшить габариты фильтрующего устройства.’ Однако применение 'резона­ торов с двумя типами коле­ баний на квадратном (уве­ личенном по отношению к «нормальному») сечении волновода создает возмож­ ность резонанса на высших типах волн даже при отно­ сительно небольших расст­ ройках от резонансной час­ тоты фильтра, что делает его прозрачным на этик час­ тота«.

Уменьшение размеров ре­ зонатора до предельного для ■основной волны 'Значитель­ но сокращает габариты и вес фильтрующего устройст­ ва и позволяет одновремен­ но получить такое сущест­ венное преимущество, как непрозрачность фильтра для

волн высших типов при больших расстройках от резонансной час­ тоты. Этот кубический объем настраивается на резонансную час­ тоту с помощью емкостных стержней, которые при резонансной частоте достаточно глубоко погружаются в полость резонатора. Ори таком погружении невозможно использовать для настройки стерж­ ни по одному на каждый тип колебания, так как между ними бу­ дет большая взаимосвязь за счет асимметрии электрического поля.

Взаимное влияние настроечных стержней можно было бы ис-' ключить путем их симметричного расположения и использования 1 винта связи, направленного под углом 45° к настроечным стержням. В этом случае один из пары симметричных стержней попадает во входное (или выходное) окно связи, что делает невозможным конструктивное выполнение такого резонатора. Поэтому настройка объема осуществляется следующим образом: в резонанс на первый тип колебаний — с помощью несимметричного (одного) стержня, на другой тип колебаний — с помощью симметричных (двух) стержней [51]. Связь между колебаниями двух типов осуществляет­ ся асимметричным погружением в полость резонатора симметрич­ ных настроечных стержней.

195

На рис. 4.49 изображена принципиальная схема полосового фильтра на уменьшенном сечении с двумя типами колебаний. Фильтр представляет собой объемный резонатор І, выполненный на

несимметричного настроечного винта связь будет минимальна. При увеличении асимметрии овязь увеличивается. Методика отработки размеров окон связи для получения заданных напруженных доб­ ротностей аналогична описанной выше для фильтров на уменьшен­ ных сечениях.

На основе фильтра с двумя типами колебаний на уменьшен­ ном сечении волновода может быть выполнен фильтр, использую­

Рис. 4.50. Четырехзвенный фильтр:

196

Два симметрично погруженные івіинта — 4, 5 — (настраивают фильтр в резонанс «а первый тип колебаний. Несимметричные на­ строечные винты 8, 2 настраивают соответственно на второй и тре­ тий типы колебаний и -сим­ метричные винты 3 настраи­ вают на четвертый тип ко­ лебаний. Настройка фильтра производится методом по­ елвдовател ьных тариближений при визуальном наблю­ дении за формой частотной ,

Xарактеристиіки. П редвари-

тельно фильтр настраивает­ ся по индикатору, связанно­ му с зондам, вводимым в ре­ зонатор для связи с колеба­ нием на соответствующих

П'ОЛЯрИЗЗЦИЯХ. Рис. 4.51. Частотная характеристика че- Форма частотной іхарак- тырехзвенного фильтра

теристики экш ериадентально-

го макета фильтра приведена на рис. 4.51. Полоса пропускания фильтра по уровню коэффициента бегущей волны 0,8, составляет 0,5%. Собственная добротность фильтра с размером а = 30 мм, оп­ ределенная по величине потерь в полосе пропускания, равна 3000.

4.7.ФИЛЬТРЫ ГАРМОНИК ОТРАЖАТЕЛЬНО-ПОГЛОЩАЮЩЕГО ТИПА

Общие сведения

Полосовые фильтры, применяемые ів настоящее время для разветвителей и других устройств, с целью уменьшения активных потерь выполняются на стандартных волноводах или даже объ­ емах увеличенного сечения. Такие фильтры имеют паразитные полосы пропускания при значительных расстройках в сторону вы­ соких частот. Для уменьшения излучения на гармониках шумов передатчиков, для защиты приемных трактов от возможных внеш­ них помех, а также для исключения взаимных помех между кана­ лами в разделительных фильтрах каскадно с полосовыми фильт­ рами включаются фильтры гармоник. В настоящее время известно, большое число типов фильтров гармоник. Они могут быть разде­ лены на две основные группы: отражающие и поглощающие. Отража.Ю!Щие фильтры (выполнены так, что энергия гармоник не прохо­ дит через них, а отражается обратно к источнику гармоник. Это часто является нежелательным.

В поглощающих фильтрах энергия гармоник поглощается, так как фильтр имеет согласование не только на основной частоте, но п на частотах гармоник. Среди поглощающих фильтров можно

197

выделить группу фильтров, работа которых основана на отраже­ нии энергии гармоник и поглощении ее в специальных нагрузках. Эти фильтры могут быть резонансными, т. е. отражающими и по­ глощающими энергию одной или нескольких гармоник, и могут иметь характеристику фильтра нижних частот. Фильтр нижних частот пропускает энергию основной частоты, а начиная с опреде­ ленной частоты, эффективно отражает или поглощает энергию. Со­ четание отражающих и поглощающих свойств позволяет реализо­ вать малые габариты фильтров и обеспечить согласование на гар­ мониках. Ниже рассматриваются два типа отражательно-погло- щающих фильтров гармоник.

Описываемый фильтр предназначен для использования в трактах с повышенным уровнем мощности.

Характерной особенностью этого фильтра является то, что он предназначен для подавления второй и третьей гармоник основ­ ной частоты в трактах, рабочая полоса частот которых составляет около 10% и разнос между полосами пропускания и заграждения достаточно велик. В этом случае резонаторы фильтра гармоник будут иметь небольшую нагруженную добротность. Схема фильтра приведена на рис. 4.52. В качестве резонаторов используются ко­

Рис. 4.52. Схема отра- жателыю-поглощаю- щего фильтра гармо­ ник:

гармонику; 3 — резонатор на третью гармонику: 4— нагрузка

роткозамкнутые отрезки волновода, включенные в основной вол­ новод через ответвления в £ -плоскости. Такой резонатор эквива­ лентен параллельному контуру, включенному последовательно в основную линию, или последовательному контуру, включенному параллельно в основную линию. На частотах, при которых длина короткозамкнутого отрезка близка к четверти длины волны в вол­ новоде или кратна ей, короткое замыкание пересчитывается как разрыв в основную линию. Энергия на этих частотах отразится от резонатора и поглотится в нагрузке, включенной через ответ­ вление в £-плоскости на расстоянии около четверти длины волны от резонатора. Энергия основной частоты не будет попадать в на­ грузку, поскольку ширина волновода, в котором -расположена на­ грузка, выбирается предельной для основной частоты. Для увели-

198

чбния затухания 'используется несколько резонаторов, расположен­ ных на расстоянии четверти длины волны в волноводе на частотах гармоники.

Расчет фильтра состоит в определении числа звеньев, их доб­ ротности и геометрических размеров резонаторов для реализации расчетной інавружіѳнінюй добротности. Целесообразно «выполнять фильтр из одинаковых звеньев. Это обусловливает конструктивную простоту и высокую крутизну амплитудной характеристики. Коэф­ фициент передачи режекториіопо іфіильтра, состоящего из п одина­ ковых звеньев, выражается полиномами Чебышева второго рода [3]:

Q — напруженная добротность резонатора; А/ — расстройка от резонансной частоты; /о — частота настройки.

Полиномы Чебышева второго рода различных порядков опреде­ ляются следующими формулами:

щ (Х )=1;

ц2(Х) = 2Х;

и3 (X) =• 4Х2— 1;

Ѵі (Х) = 8Х2— 4Х;

Вносимое фильтром затухание

На рис. 4.53 приведены расчетные зависимости величины вноси­ мого режекторным фильтром затухания в пределах полосы отра­ жения от величины относительной расстройки для различного -чис­ ла резонаторов. По приведенным графикам определяются необхо­ димое число резонаторов и их добротность, исходя из заданного уровня затухания в полосе отражения.

Зависимость между добротностью короткозамкнутого четверть­ волнового резонатора и его размерами определяется по ф-ле (4.40).

Конструкция фильтра сантиметрового диапазона волн приве­ дена на рис. 4.54. Фильтр рассчитан по приведенной выше методике на затухание в области второй гармоники не менее 50 дБ в полосе частат около 15%. Фильтр состоит из четырех резонаторов с напру­ женной добротностью резонаторов около 2

199

'Конструктивно фильтр выполнен інз двух фрезероваиіных дета­ лей — основания 1 и крышки 2, — соединенных друг с другом с помощью винтов ті образующих при сборке волновод, по которому распространяется энергия основной частоты и ее гармоник. В осно­ вании выфрезерованы четыре короткозамкнутых резонатора 3 для

тра гармоник

отражения второй гармоники и два короткозамкнутых резонатора 4 для третьей гармоники. Здесь необходимо отметить, что на часто­ тах второй и третьей гармоник наряду с основным типом воли Ню в волноводе может распространяться волна типа Нго. Чтобы корот­ козамкнутый резонатор эффективно отражал оба типа волн, в нем имеются перемычки 5, разделяющие волновод посередине широкой стенки. Эти перемычки не влияют на волну типа Нго и являются отражающими для волны Ню. Поэтому глубина резонатора до перемычки (или несколько глубже, поскольку поле проникает за перемычку) в основном определяет резонансную частоту для вол­ ны Ню, а общая глубина — для волны Нго-. В результате этого соз­ дается большое сопротивление для волн обоих типов. Отраженная энергия гармоник поглощается в нагрузках 6.

Для исключения возможных паразитных резонансов резонаторы разделены на две группы средней нагрузкой. На основной частоте

200