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

оси волновода, будет мало влиять на добротность резонатора, так

как они расположены в области незначительного изменения поля). В этом случае каждое звено будет иметь десять независимых источ­

ников погрешности.

1. Предположим, что имеет место систематическая погрешность добротности резонатора. Найдем связь между изменением доб­ ротности звена фильтра AQr и обусловленным им изменением коэф­ фициента отражения ДГрмРеактивность, вногимая звеном при его расстройке,

Коэффициент отражения при небольших реактивностях числен­ но равен половине нормированной реактивности, т. е.

Обычно рабочая полоса пропускания выбирается так, что мак­ симальная безразмерная расстройка XÄ; 0,5. Тогда на краю полосы

ра стержней [3], получим, что изменениедобротности (для доброт­ ностей порядка 504-200, что наиболее употребительно для узкопо­ лосных перестраиваемых фильтров) составляет около 1,5—2% на каждый процент изменения диаметра стержня d и приблизительно 3,5% на каждый процент изменения положения стержня / относи­ тельно узкой стенки волновода. Изменение проводимости составля­ ет соответственно 0,74-1 % и 1,7%.

2. Предположим, что имеет место вероятностное изменение доб­ ротности звеньев. Определим зависимость добротности резонатора от изменения проводимости за счет изменения диаметра и измене­ ния положения каждого стержня звена фильтра (рис. 1.19).

Добротность резонатора пропорциональна проводимости решеток:

Qr — а (Уі + Уг + Уз) (Уі + Уз + Ув)'

где а — коэффициент пропорциональности.

Относительное изменение добротности от изменения проводимо­ сти одного стержня составит

40

Таких изменений для одного звена будет шесть. Аналогично изме­ нение добротности звена от изменения места включения реактивнос­

Таких изменений будет четыре. Всего, как уже упоминалось, для одного звена фильтра независимых изменений добротности будет

десять, а для пятизвенного фильтра — пятьдесят.

Зависимость согласования от неиде­ альности настройки. Расамотірим звано фильтрн с інаріаівныіМіИ (реактивностями (рис. 1.20).

Произведя вычисления, получим

Ti2 — i у cos Ѳ ---- ^-tg o j— i^ c o s 0 ( l — ytgO) — ^ sin O . (1.92)

Первый член в этом выражении соответствует звену фильтра с равными реактивностями и при резонансе обращается в нуль. Вто­ рой член представляет собой реактивную проводимость, которая приводит.к смещению частотных характеристик, и может быть ском­ пенсирована при настройке звена. Третий член представляет собой активную проводимость, которая не может быть скомпенсирована реактивным элементом перестройки, расположенным в центре резо­

натора. Этот член и обусловливает неидеальность настройки резо-

2

натора. Вблизи резонанса (tg Ѳ—— ) для узкополосных фильтров

(Ѳ = л) третий член преобразуется:

) В ф-лах 1.90 и 1.91 принято одинаковое изменение проводимости.

41

тизвенного фильтра будет иметь место 30 независимых источников отражений за счет неточности выполнения диаметров стержней и 20 источников отражений за счет неточности установки стержней, ближайших к стенкам волновода. Коэффициент отражения звена

Результаты расчета погрешностей сведены в табл. 1.3. При этом принято, что дополнительный коэффициент отражения у фильтров не превышает 5% (кбв = 0,9).

Т а б л и ц а 1.3

Из табл. 1.3 видно, что допуски на фильтр, обусловленные си­ стематическим изменением добротности, а также иеидеальностью настройки, оказываются для фильтра из одинаковых звеньев при­ близительно равными. Эти допуски соответствуют четвертому-пято- му классам точности (для диаметров стержней от 1 до 3 мм и для волноводов диапазона 3—10 см). Допуски, обусловленные вероят­ ностной погрешностью добротности, оказываются почти па класс ни­ же, и поэтому вероятностную погрешность добротности можно не учитывать.

Применяемые на практике многозвенные фильтры, как правило, имеют максимально-плоскую или чебышевскую характеристику и состоят из звеньев с неодинаковой добротностью. Поэтому в таких фильтрах звенья с меньшей добротностью будут вызывать меньшее искажение характеристик, причем они малы около центра полосы пропускания и максимальны на краях полосы [см. ф-лу (1.88)]. Искажения характеристик фильтра за счет неидеальности настрой­ ки не зависят от добротности звеньев и будут одинаково проявлять­ ся во всей полосе пропускания.

Сказанное дает основание считать основной причиной искаже­ ния характеристик фильтра в полосе пропускания несимметрию в- выполнении реактивностей звеньев фильтра. Допуски на доброт­ ность, определенные для фильтра из одинаковых звеньев, можно с некоторым запасом распространить и на фильтры с максимальноплоской и чебышевской характеристиками.

42

Учитывая, что изменение класса точности приводит к изменению допусков приблизительно в 2—3 раза, нетрудно установить связь между допустимыми искажениями коэффициента бегущей волны и классом точности на выполнение геометрических размеров элемен­ тов фильтра (табл. 1.4).

Зависимость согласования от неточности настройки. Если при­ нять, что максимальный коэффициент отражения из-за неточной настройки не должен превышать 5% (кбв —0,9), то каждое звено пятизвениого фильтра не должно вносить коэффициент отражения больше, чем

Отсюда следует, что при добротности, равной 100, резонатор должен настраиваться с относительной точностью по частоте ІО-4. Это означает, что точность установки частоты должна быть лучше 10~4. Сопряжение резонаторов по частоте тоже должно быть обес­ печено с точностью порядка ІО-4.

Оценим допустимую точность погружения элемента перестройки резонатора. Например, для металлического стержня в боковой стейке волновода крутизиа градуировочной характеристики состав­ ляет 7,5 МГц./мм (для фильтра диапазона 10 см). Значит, для под­ держания резонансной частоты звена фильтра с точностью ІО“4 до­ пуск на погружение стержня должен составлять около 0,04 мм. При перестройке резонатора стержнем через широкую стенку вол­ новода этот допуск уменьшается приблизительно в 4 раза (до 10 мк), что уже трудно выполнимо. Для звеньев фильтра с доброт­ ностью большей или меньшей 100 этот допуск будет соответствен­ но уменьшаться и увеличиваться. При климатических и механичес­ ких воздействиях происходят систематические изменения размеров, одинаковые для всех звеньев фильтра, что приводит к смещению частотных характеристик при незначительном изменении их формы.

Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы.

1. Для обеспечения высоких коэффициентов бегущей волны фильтра (0,94-0,95) и сохранения формы частотной характеристи­ ки примем, что ЛГфм 'не должно превышать 0,01, а при средних зна­

43

Г л а в а

2

Перестраиваемые коаксиальные свч фильтры

2.1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ РЕЗОНАТОРОВ

Наиболее просты по устройству и часто применяются коак­ сиальные четвертьволновые (рис. 2.1) и полуволновые (рис. 2.2) ре­ зонаторы.

Четвертьволновый резонатор представляет собой отрезок коак­ сиальной линии, один конец которого замкнут накоротко, а второй разомкнут. В общем случае длина резонатора кратна нечетному числу четвертей волн. Так как разомкнутый конец резонатора всег­ да имеет некоторую емкость рассеяния, которую можно рассмат­ ривать как сосредоточенную, то длина резонатора несколько мень­ ше четверти длины волны.

Если к открытому концу коаксиального резонатора подключить емкость (рис. 2.3), то длина резонатора будет меньше четверти

длины волны. Емкость можно расположить и внутри резонатора, как показано на рис. 2.4.

Полуволновый резонатор представляет собой отрезок коаксиаль­ ной линии, замкнутый накоротко с обоих концов (рис. 2.2). Длина

такого резонатора может быть выбрана равной полуволне или кратной целому числу полуволн. Полуволновый резонатор можно рассматривать как четвертьволновый, соединенный со своим зер­ кальным изображением. Полуволновый отрезок коаксиальной ли­ нии с разомкнутыми концами также обладает резонансными свой­ ствами.

45

Перестройка четвертьволновых резонаторов производится либо путем изменения длины центрального проводника, либо путем из­ менения величины сосредоточенной концевой емкости. Полуволно-

вые короткозамкнутые резонаторы перестраиваются изменением их длины с помощью поршней, а разомкнутые — либо изменением ве­ личины сосредоточенной емкости, либо изменением длины централь­ ного проводника.

Связь резонатора с подводящими линиями может быть несколь­ ких видов: индуктивная, емкостная, комбинированная (индуктивно­ емкостная) и кондуктивная.

При индуктивной связи (рис. 2.5) петля малых размеров вво­ дится в резонатор так, чтобы ее плоскость пронизывалась линиями магнитного поля. Если между плоскостью петли и направлением магнитного поля имеется угол ср, то можно считать, что коэффици­ ент взаимоиндукции между петлей и резонатором пропорционален sin ф. Если петля располагается у торца резонатора в пучности магнитного поля и обладает малой индуктивностью, то при пере­ стройке его полоса пропускания значительно изменяется (напри-

мер, на ±25% при перестройке на +ІІ2%). Если петля связи выне­ сена из пучности тока резонатора, то полоса пропускания изменяет­ ся меньше. Это можно объяснить тем, что с увеличением частоты рост наводимой эдс компенсируется уменьшением магнитного поля, так«ак петля оказывается ближе к узлу магнитного поля.

Емкостная связь осуществляется путем введения зонда в об­ ласть максимального электрического поля (рис. 2.6). Емкостная связь для перестраиваемых резонаторов практически не применяет­ ся, так как при перестройке резко изменяется ширина полосы про­ пускания.

46

Комбинированная (индуктивно-емкостная) связь выполняется с помощью петли, размеры которой сравнимы с длиной волны (рис. 2.7). Схема двухзвениого фильтра с комбинированной связью

фазе, поэтому изменение полосы пропус­ кания при перестройке получается меньшим, чем при чисто магнит­

ной или электрической связи. На низкочастотном краю диапазона преобладает магнитная связь, которая увеличивается с ростом ча-

' п р а в

Рис. 2.S. Двухрезонаторный фильтр со связью в виде регулируемых штырей: ”

1— резонатор; 2 — стержень; 3 — петля связи 4 — регулировочный винт

стоты. Одновременно растет и электрическая связь, поэтому полоса пропускания медленно расширяется. Приблизительно с середины диапазона полоса пропускания начинает уменьшаться вследствие возрастания электрической связи. Характер изменения ширины по­ лосы пропускания в диапазоне частот зависит от геометрии петли. Если размеры петли выбраны правильно, то ширина полосы пропу­ скания резонатора изменяется приблизительно в 1,3—1,5 раза при двукратном изменении частоты.

Для наименьшего изменения электрических параметров фильт­ ра при перестройке необходимо обеспечить постоянство коэффици­ ента связи между резонаторами во всем диапазоне перестройки, что может быть достигнуто введением ряда отверстий связи в стенке

47

между резонаторами. Отверстия начинают влиять но мере измене­ ния длины центрального стержня резонатора. Положение и разме­ ры отверстий выбираются такими, чтобы связь между резонатора­ ми в диапазоне перестройки поддерживалась постоянной. Разме­ ры и положение окон связи легко регулировать, заменив часть пе­ регородки между резонаторами стержнями (винтами) 4, образую­ щими между резонаторами ряд окон [21]. Подбором положения стержней устанавливается требуемая связь между резонаторами.

ѵ Пример осуществления кондуктивной свя­

зи показан на рис. 2:9. Кондуктивная связь является предельным случаем петлевой связи.

Связь полуволнового резонатора с линией может осуществлять­ ся, как показано на рис. 2.10. Здесь резонатор образуется отрезком линии, ограниченным двумя реактивностями, например индук­ тивностями. Резонатор перестраивается емкостью, вводимой в

центр объема.

Пример конструктивного выполнения полуволнового резонатора с индуктивной связью, перестраиваемого изменением емкости, при­ веден на рис. 2.11 [22]. Особенностью резонатора является малое изменение полосы пропускания при перестройке. Резонатор представляет собой полуволновый короткозамкнутый отрезок коак­ сиальной линии. В середине резонатора имеется-настроечный кон­ денсатор переменной емкости. Статор 1 конденсатора жестко соеди­ нен с корпусом 2 резонатора. Сечение рабочей поверхности стато­ ра имеет форму спирали. Ротор 3 в форме сектора окружности ук­ реплен на диэлектрической оси 4. Он имеет емкостный контакт с внутренним проводником 5 коаксиального резонатора. При повороте ротора меняется величина зазора между ротором и статором и, следовательно, емкость конденсатора. По периметру статора в ра­ диальных направлениях установлены подстроечные винты 6 для корректировки частоты резонатора. Связь резонатора с нагрузкой осуществляется петлей 7. Распределение электрического и магнит­ ного полей резонатора в его поперечном сечении AB зависит от по­ ложения ротора конденсатора настройки относительно элемента связи. Максимального значения напряженность магнитного поля вблизи петли связи достигает, когда ротор расположен около эле­

48

мента связи. Соответственно этому, нагруженная добротность ре­ зонатора будет увеличиваться при удалении ротора от элемента связи. При этом степень изменения добротности зависит от места включения элемента связи и его размеров. Место включения и размеры петли подбираются та­ ким образом, чтобы натруженная

Рис. 2.11. Коаксиальный полуволновый

добротность резонатора возрастала приблизительно пропорцио­ нально росту, частоты. Это обеспечивает малое изменение полосы пропускания фильтра при его перестройке. Конструкция коаксиаль­ ного четвертьволнового резонатора с индуктивной связью, пе­ рестраиваемого концевой емкостью в виде конденсатора перемен­ ной емкости цилиндрического типа, изображена на рис. '2.12 '[64].

49