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

На рис. 2.23 при­ ведена зависимость величины перестраи­ ваемой емкости при

резонансе сооС/гДи от параметра х0. Поль-

Рис. 2.23. Зависимость 'емкости при резонансе от Хо для резонатора, наг­ руженного емкостью

зуясь графиком, можно определить размеры резонатора. Задавшись общей длиной резонатора /0, можно определить величину сосредото­

мые емкостью, применяются только при небольших диапазонах пе­ рестройки і(до 10—15%).

2.5.МАЛОГАБАРИТНЫЙ МНОГОЗВЕННЫЙ ФИЛЬТР, ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ЕМКОСТЬЮ

Схема резонатора

Фильтр выполнен из четвертьволновых резонаторов, пере­ страиваемых емкостью. Схема резонатора .показана на рис. 2.25. Четвертьволновый резонатор состоит из короткозамкнутого и разомкнутого шлейфов. Для уменьшения длины резонатора

61

На нижней частоте диапазона втулка вводится в резонатор на величину хода I, емкость при этом максимальна. Длина резонатора на нижней частоте для данной конструкции емкости уменьшается на величину хода втулки и определяется по формуле

В дециметровом диапазоне волн для получения достаточной точно­ сти при перестройке в (10—15)% полосе частот величину хода вы­ бирают равной примерно 5—10% от общей длины резонатора.

Расчет фильтра

Рассчитаем фильтр, имеющий следующие характеристики:

Расчет фильтра складывается из следующих основных этапов:

1.Выбор формы частотной характеристики и определение коли­ чества звеньев для обеспечения заданных требований.

2.Определение величины добротности отдельных звеньев.

3.Конструктивный расчет фильтра.

1.Выбираем чебышевскую форму частотной характеристики. Добротность фильтра с перестройкой емкостью увеличивается при его перестройке на нижние частоты (см. рис. 2.24). Поэтому необ­ ходимо, задавшись величиной полосы пропускания на нижней час­

тоте, определить величину добротности на нижней и верхней часто­

62

тах диапазона перестройки. Далее расчет вести на верхней частоте диапазона перестройки (см. главу 1). Примем для расчета с неко­ торым запасом полосу пропускания на нижней частоте диапазона перестройки Д/п = 3 МГц. Определяем полосу пропускания Д/в на верхней частоте.

Из рис. 2.24 находим, что для 10% полосы перестройки частот­ ная переменная х0 изменяется в пределах от Хо = 0,5я на верхней частоте (70 = 0,25 ?ів) и до Ха = 0,45я на нижней частоте. В этом диа­ пазоне ширина полосы пропускания изменяется примерно на 33%.

Тогда Д/в = 4 МГц.

Подставив исходные параметры фильтра в ф-лы (1.14) — (1.16), получим п —1,75 или, округляя до большего целого числа, п = 2.

2. Величины добротностей звеньев фильтра [|1; 4]

QlB = @2В= 49•

Графики рис. 2.24 показывают, что для значений а = 0,1-г-0,08 при изменении х0 от 0,5я до 0,45л добротность изменяется примерно на 20%- Тогда добротность звеньев на нижней частоте будет равна

QiH = Qiн = 59.

3. Определим конструктивные размеры фильтра.

Длина резонатора определяется на верхней частоте диапазона

10в — — = 14,15 см.

4

Волновое сопротивление шлейфов, как показал опыт 'Конструи­ рования таких фильтров, рекомендуется выбирать не менее 30 Ом. Для данного случая выберем волновое сопротивление шлейфов рав­ ным

\Ѵоі = 35 Ом.

Тогда параметр б = — = — = 2,15.

Уо 35 Длина короткозамкнутого шлейфа определяется следующей

формулой:

Із — а Іо-

Для определения величины а, обратимся к графикам рис. 2.24. Графики построены для параметра 6=1. Поэтому сначала находим величину

QBUC 49 22,6.

б2,15

Это соответствует величине а = 0,085. Тогда длина короткозамкну­ того шлейфа /3=0,085-14,15 = 2,21 см. Диаметр резонатора выбира­ ется с учетом конструктивных и электрических требований. Выби­ раем внутренний диаметр внешнего проводника коаксиальной ли­ нии Da равным 38 мм, а диаметр центрального стержня равным 21 мм. При таким размерах 11Г01 = 35 Ом.

63

Рассчитываем максимальную величину перестраивающей емкокости См на низкой частоте диапазона перестройки и зависящие от нее конструктивные размеры внутреннего шлейфа. Задаемся вели­ чиной хода втулки, которую берем равной, например, 8% от резо­ нансной длины. Тогда длина резонатора на нижней частоте диапа­ зона перестройки

Іон = А)в — 0,08/ов = 13 см.

Величина максимальной емкости определяется из условия резонан­ са (2.20)

где d — зазор между втулкой и стержнями. Формула (2.25) уста-

64

иавливает связь между конструктивными размерами внутреннего шлейфа резонатора и емкостной втулки.

Выберем d —1 мм, D'a =19 мм, Z),= 9 мм. Подстановка этих ве­

личин в ф-лу (2.25) для проверки дает значение См = 2,48 пФ. Эта величина близка к величине емкости, рассчитанной по ф-ле (2.23).

Конструкция фильтра

Фильтр, показанный на рис. 2.27, состоит из двух резонато­ ров, связанных между собой четвертьволновой полосковой линией.

Каждый резонатор состоит из двух коаксиальных объемов: внешнего, образованного цилиндрическим корпусом 1 и централь-

Рис. 2.27. Перестраиваемый коаксиальный фильтр с коррекцией:

ным стержнем 2, и внутреннего, заключенного между трубой 2 и центральным стержнем 11. Оба коаксиальных объема составляют четвертьволновый коаксиальный резонатор, конструктивная длина которого значительно сокращена.

Во внутренней трубе 2 размещена подвижная емкостная втул­ ка 4, служащая для перестройки фильтра в заданном частотном диапазоне. Емкостная втулка укреплена на керамическом стержне 3 и жестко связана с тягой 12. Тяги 12, в свою очередь, установле­ ны в кронштейне 14 через резьбовые втулки.

Для надежной центровки тяг в резонаторах в конструкции фильтра применена общая направляющая 10, которая жестко кре­

пится к кронштейну и имеет дружину для обеспечения обратного хода. Диаметры тяг выбраны таким образом, чтобы обеспечить

жесткость конструкции при продольном перемещении и достаточ­

ную гибкость для компенсации перекосов, которые возникают за счет неточности изготовления. Для устранения вращения кронштей­ на относительно оси направляющей в прорези кронштейна установ­ лена шпилька 13, запрессованная в корпусе.

Фильтр перестраивается от ручного или электромеханичёского привода (на рисунке не показан), имеющего настроечные винты (число которых равно количеству фиксированных воли) и фиксатор. Перестройка фильтра осуществляется следующим образом: на верхней частоте диапазона кронштейн при помощи механизма 'Пе­ рестройки устанавливается в самом нижнем положении. При этом втулка 4 полностью выведена из области центрального стержня 11. По мере перестройки фильтра на нижние частоты кронштейн под­ нимается и тяги перемещают емкостную втулку вдоль центрально­ го стержня, образуя емкость, которая «удлиняет» резонатор. Фильтр оказывается настроенным на более длинную волну.

Зазоры между емкостной втулкой 4 и центральным стержнем 11, а также между емкостной втулкой и трубой 2 равны примерно 1 мм. Ход втулки при перестройке фильтра в заданной полосе частот равен около 10 мм.

В связи с неточностью изготовления резонаторы оказываются несколько расстроенными друг относительно друга при одинаковом перемещении перестраивающей втулки. Для совмещения резонанс­ ных частот резонаторов один из них снабжен устройством коррек­ ции. Для этого тяга резонатора укреплена в коромысле 9, которое имеет ось вращения 15. На коромысле установлены винты под­ стройки 6. Винты подстройки при движении кронштейна оказыва­ ются над упором с подшипником 7. Оказывая давление на упор 7, винты изменяют наклон коромысла. Наклон коромысла вызывает продольное перемещение тяги 12 с емкостной втулкой, подстраивая резонатор. Пружина 8 с роликом прижимает коромысло с винтами к упору 7. Использование подшипника в упоре снижает трение вин­ тов при движении кронштейна.

В устройстве коррекции несколько винтов расположены в шах­ матном порядке для уменьшения длины. Выбор количества винтов зависит от диапазона перестройки и требования к максимальной величине коэффициента бегущей волны. Для приведенного примера за счет взаимной расстройки резонаторов коэффициент бегущей волны во всем диапазоне перестройки ухудшается не более чем на 0,05 (при 10 винтах коррекции).

В качестве линии связи между резонаторами применена полос­ ковая линия, свернутая в петлю и расположенная в углублении корпуса фильтра, что также уменьшает габариты. Петля 5, выпол­

ненная из листовой латуни, прилегает к полистироловой пластине, которая служит опорой и изолирует петлю от корпуса фильтра.

Сверху петля закрывается металлической крышкой (17), которая служит вторым экраном полосковой линии. Ширина петли, т. е. вол­ новое сопротивление полосковой линии, и ее длина подбирались экспериментальным путем для получения чебышевской характерис-

&6

тики фильтра, близкой к расчетной. Необходимость эксперимен­ тальной отработки связана с тем, что часть четвертьволновой линии связи находится внутри резонаторов. Учесть волновое сопротивле­

рительное совпадение.

В случае, когда необходимо перестраивать фильтр іна большее число фиксированных волн, использование механизма с настроеч­ ными винтами на каждую волну приводит к усложнению конструк­ ции и настройки.

С .целью упрощения іконетрувдии іи процесса настройки целесо­ образно при,менять механизм, по'ЗВ'Оляющий вести настройку только на опорных волнах. Количество опорных волн зависит от градуи­ ровочной характеристики элементов и от допустимого смещения частотной характеристики фильтра относительно заданной волны. Чем больше градуировочная характеристика отличается от линей­ ной, тем на большее количество участков необходимо ее «разби­ вать» для обеспечения допустимого смещения частотной характери­ стики в пределах каждого участка. Это смещение будет опреде­ ляться отклонением градуировочной кривой от линейности в преде­ лах каждого участка. Обычно число опорных волн выбирается в 5—10 раз меньше числа рабочих волн. Настройка только на опор-; ных волнах позволяет упростить конструкцию и значительно сокра­ тить процесс настройки фильтра. Однако это достигается либо це­ ной некоторого ухудшения электрических характеристик .фильтра, либо ценой повышения точности его изготовления.

Общий .вид механизма перестройки показан на рис. 2.28. Пере­ стройка фильтра производится ручкой, которая при помощи шестер­ ни 1 поворачивает диск 4. На диске 4 укреплены подстроечные винты 2 и 3. К подстроечным винтам пружиной поджимаются на­ правляющие істержни 7, к которым крепятся емкостные .втулки 8, перестраивающие резонаторы. На каждый резонатор приходится по 11 винтов, которые размещены в шахматном порядке и настраива­ ют резонаторы, например, на 1,5, 10, 15,..., 45, 50-ю волны. Для это­ го винт 5 смещен в сторону одного из резонаторов.

Диск 4 при вращении ручки совершает поступательное движе­ ние по резьбе винта 5. При перестройке резонатора с 1-й по 50-ю волну диск поворачивается приблизительно на 330° и перемещается при этом примерно на 11 мм, т. е. на величину хода емкостной втулки. По всему периметру диска имеются пазы, шаг которых со-

ответствует ‘рабочей волне. Фиксация на ірабочих волнах осуществ­ ляется с помощью шарика 6, западающего в на'зы диска-. Номер

Рис. 2.28. Общин вид механизма перестройки:

волны, на которую настроен фильтр, определяется по счетчику, связанному с диском 4. Таким образом, основная перестройка фильтра осуществляется за счет поступательного движения диска. Точная подстройка на волны, необходимая из-за нелинейности элементов перестройки, а также из-за неидентичности изготовления обоих резонаторов, осуществляется настроечными винтами, пере­ пад между высотами которых не превышает 0,3 мм. Малый пере­ пад между высотами настроечных винтов на опорных волнах обес­ печивает более линейную характеристику перестройки, т. е. линей­ ную зависимость глубины погружения стержней от угла поворота диска. Это обеспечивает настройку прибора па промежуточные вол­ ны при сравнительно простой конструкции механизма перестройки.

В случае перестройки только винтами, когда диск совершает вращательное движение и нет поступательного движения, разни­ ца по высоте между соседними винтами при переходе от 1-й волны

68

к 5-й и т. д. будет равна 1,5 мм. Такой большой перепад приведет к значительному увеличению нелинейности характеристики погруже­ ния стержней резонаторов от угла поворота диска. При этом нель-

Рис. 2.29. Экспериментальные частотные характеристики перестраиваемого коаксиального фильтра с диском

зя будет использовать конструкцию с равномерным фиксатором, что усложнит конструкцию імехаіни'ама. 'Кроме того, коэффициент бегущей волны фильтра на промежуточных волнах получится меньше.

Частотные характеристики фильтра на одном из участков фик­ сированных волн (двух опорных fi и /б и трех промежуточных) приведены на рис. 2.29. Из них следует, что коэффициент бегущей волны фильтра в полосе частот составляет не менее 0,8. Подобные характеристики фильтр имеет и на остальных волнах.

Описанные механизмы могут быть использованы и для пере­ стройки резонаторов изменением длины центрального стержня.

2.6.ДВУХЗВЕННЫЙ ФИЛЬТР ИЗ РЕЗОНАТОРОВ С ШУНТИРУЮЩЕЙ ЕМКОСТЬЮ

Расчет

Расчет фильтра проводится на основе общей теории фильт­ ров с использованием материала, представленного в § 2.3. В каче­ стве примера рассмотрим фильтр, который должен удовлетворять следующим требованиям:

Расчет показывает, что для обеспечения указанных требований нагруженная добротность каждого звена двухзвенного фильтра должна быть равна 60. Для определения конструктивных размеров резонатора воспользуемся графиками зависимости расчетных зна­

чений нагруженной добротности резонатора (функция 9ІД) ) от

частотного параметра, xo= k0l0. Для получения величины нагружен­

69

ной добротности, равной 60 на средней частоте диапазона, учиты­

х°

рассмотрим эти функции для значений ß = 10 при а = 0,2 и а=0,655

(см. рис. 2.21).

Выберем а = 0,655 для получения удобной конструкции вч вхо­ дов резонатора. Для наименьшего изменения полосы пропускания резонатора при его перестройке х0 следует выбирать в области мак­

длины резонаторов) величину х0 выберем несколько меньше опти­ мального значения. Для этого щримеім ‘l0=2Q імм, /3= !17 імм (обозіначения размеров резонатора см. на рис. 2.20).

Значения х0 для задіаініного 'Частотного дИ'аіпаЗ'ава меняются з

полосы ироіпуакаіния резон,агора в заданном частотном диапазоне также будет составлять 17%, что удовлетворяет заданным требо­ ваниям.

Остальные размеры резонатора — диаметр внешнего проводни­ ка коаксиальной линии и диаметр центрального стержня — выби­ раются из условия компромисса между габаритами резонатора и потерями энергии в нем. В результате получаем следующие конст­

Конструкция

Конструкция фильтра приведена на рис. 2.30. В корпусе 4 имеются два цилиндрических объема, которые вместе с центральны­ ми стержнями 5 образуют коаксиальные резонаторы. В корпусе установлены стаканы 3. Шунтирующая емкость образуется между дном стакана и диском центрального стержня 5.

Перестройка резонатора производится изменением длины цент­ рального стержня, что осуществляется при помощи выдвижного стержня 6. Надежный контакт между неподвижным стержнем 5 и выдвижным стержнем 6 обеспечивается с помощью бесконтактного соединения (ловушки), состоящей из двух четвертьволновых отрез-

70