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

осуществляется посредством четвертьволновой линии связи 9. Сравнение расчетных и экспериментальных значений нагружен­

71

2.7.МЕХАНИЗМ ТОЧНОЙ ПЕРЕСТРОЙКИ МНОГОЗВЕННОГО ФИЛЬТРА

Взаключение главы приводим описание простой конструк­ ции механизма, обеспечивающего высокую точность перестройки многозвенных фильтров, у которых оси перестраивающих штоков движутся поступательно и расположены симметрично относитель­ но оси механизма. Простота конструкции и высокая точность ме­ ханизма обусловлены тем, что приводной механизм совершает од­ новременно поступательное и вращательное движение, и тем, что настроечные элементы установлены непосредственно па приводном механизме.

Принципиальная схема механизма перестройки четырехзвенного

фильтра на 50 фиксированных волн приведена на рис. 2.31. Механизм состоит из диска / с направляющей, расположенной

в корпусе фильтра 7. С торца направляющая имеет внутреннюю резьбу, а на боковой поверхности направляющей расположен винто­ вой паз 6j по которому скользит опора с роликом 5, закрепленным неподвижно. Диск 1 расположен над штоками 4 перестройки звень­ ев фильтра и имеет четыре группы настроечных винтов 2 (по чис­ лу звеньев фильтра). Шток перестройки фильтра пружиной поджи­ мается к настроечным винтам и заканчивается качающейся план­ кой 3. Для уменьшения трения при вращении оси планки могут быть использованы подшипники качения. Ось планки проходит че­ рез плоскость планки, которой она соприкасается с настроечными винтами. Направляющая перемещается винтом 8, имеющим зубча­ тое колесо фіикоаторіа 9. Фиксация (производится роликом 10 іс пру­ жиной 11. Пружина И работает на сжатие и скручивание, прижи­ мая направляющую к опоре 5.

При вращении винта 8 диск 1 с настроечными винтами 2 совер­ шает поступательное движение, перестраивая фильтр в рабочем диапазоне частот. При поступательном движении направляющей, опора с роликом 5 скользит по пазу 6, сообщая диску 1 вращатель­ ное движение. В процессе перестройки фильтра его звенья под­ страиваются регулировочными винтами 2. Поскольку настроечные винты «выбирают» неточность и нелинейность характеристик эле­ ментов перестройки, перепад между соседними настроечными вин­ тами невелик. Описываемая конструкция позволяет вести настрой­ ку фильтра только на опорных волнах.

При настройке на опорные волны настроечный винт упирается в центр планки 3. На промежуточных волнах (между опорными) планка 3 опирается на два настроечных винта. При повороте диска настроечные винты скользят по плоскости планки, перемещая што­ ки. Это происходит до тех пор, пока юісь штока не совместится с осью следующего винта. Линейность перемещения штока достигает­ ся только при точечном касании настроечным впитом планки и рас­ положением оси вращения планки в плоскости планки. В этом слу­ чае ее поворот при переходе к опоре на два винта не исказит ли-

то

неймоість погружения штока тр.и iBipiainemmm .диска. Однапоо в .реаль­ ной коінструікціиіи каісіаіние інасгріоечіиыім ів.иінтоім плоскости .плат­ ки ‘происходит с (помощью шарика, эаіцреосовлінного ів інаетрюіечиый винт и имеющего конечный диаметр. Кроме того, для упро­ щения конструкции ось планки может не совпадать с ее плоско­ стью. Эти две причины приводят к отклонению от линейности в пе-

Рис. 2.31. Механизм перестройки:

реімещен'ии штоков при наклоне планки в процессе настройки на рабочие волны в промежутках между опорными. Оценим эту по­ грешность.

При повороте планки вокруг своей оси поверхность планки тп (рис. 2.32) обкатывается по поверхности шарика и вызывает пере­ мещение штока. Это перемещение и есть погрешность в движении штока, которая обусловливает нелинейность его движения. Введем обозначения: Н — погрешность хода штока; Іг — разность установ­ ки настроечных винтов; /г4 — расстояние между настроечными вин­ тами; R — радиус шарика настроечного винта; I — величина сме­ щения оси -платки от ее 'поверхности.

73

Г л а в а

Перестраиваемые волноводные фильтры свч

3.1.СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ И ПЕРЕСТРОЙКИ РЕЗОНАТОРОВ ВОЛНОВОДНЫХ ФИЛЬТРОВ

Среди возможных конструктивных вариантов многозвенных волноводных фильтров наиболее просто реализуется фильтр на стандартном прямоугольном волноводе. Звено фильтра, или резо­ натор, представляет собой отрезок прямоугольного волновода, ограниченный двумя реактивностями, расположенными на опреде­ ленном расстоянии друг от друга.

В качестве реактивностей используются индуктивные и емкост­ ные диафрагмы. Звено фильтра может быть выполнено в трех ва­ риантах:

1) из отрезка волновода с двумя индуктивными реактивнос­ тями;

2) из отрезка волновода с двумя емкостными реактивностями; 3) из отрезка волновода с одной индуктивной, а другой емкост­

ной реактивностями.

Для простоты дальнейшего изложения назовем первый тип зве­ на и соответственно фильтр, выполненный из таких звеньев, индук­ тивным, второй тип — емкостным и третий тип — индуктивно-ем­ костным.

Свойства перестраиваемых многозвенных фильтров зависят от типа резонатора и способа его перестройки. Поэтому рассмотрение

75

согласованной нагрузкой, рабочая точка на круговой диаграмме (рис. 3.2а) смещается из точней 0, соответствующей согласованной линии, ,в точку а, где у= 1—і2, шо пути, соответствующему единич­ ной нормированной активной проводимости. Полная проводимость вдоль волновода в направлении к генератору '.будет изменяться так, как указывают точки, лежащие на окружности постоянного коэффициента отражения \(иши тостоянного коэффициента бегу­ щей волны), обозначенной на диаграмме буквами abc.

На расстоянии— А от второй диафрагмы (точка Ь), реактив­

ная проводимость обратится в нуль, а активная проводимость ста­ нет минимальной. При дальнейшем движении вдоль волновода ак­

тивная іи реактивная проводимости будут возрастать до тех пор, по-

з

ка иа расстоянии — А от диафрагмы (точка с) активная проводи- 8

мость обратится в единицу. Величина реактивной проводимости в точке с будет равна проводимости в точке а, но3будет иметь про-

тивоположный знак. Если теперь на расстоянии — А от диафрагмы

О

с проводимостью у-і ввести индуктивную диафрагму с проводимо­ стью у\, то рабочая точка из точки с юмеештсія обратно в точку О соответствующую полному согласованию или .резонансу.

Если теперь изменять рабочую частоту, то точка 0 будет пере­ мещаться вдоль кривой db. Уменьшение рабочей частоты относи­ тельно резонансной уменьшает электрическую длину резонатора, так что точка с сдвигается в точку с', а точка 0 в точку 0'. При этом входная проводимость резонатора будет иметь индуктивный характер. Увеличение частоты относительно резонансной приведет к увеличению электрической длины резонатора, в результате чего точка с переместится в с", а 0 в 0", это означает, что на частоте выше резонансной входная проводимость резонатора будет иметь емкостный характер. Таким образом, изменение частоты приводит к появлению нескомпенсированиых реактивных проводимостей, ко­ торые создают реактивные потери.

Увеличить крутизну частотной характеристики можно, увеличив реактивные проводимости yt и у>>- Увеличение проводимостей при­ ведет к смещению точек а и с в область больших проводимостей, где небольшие изменения по частоте будут соответствовать сравни­ тельно большим изменениям полной проводимости резонатора.

Из круговой диаграммы ясно, что резонансное расстояние меж­ ду реактивностями зависит от величин реактивностей. В пределе оно изменяется от четверти длины волны (при малых реактивнос­ тях) до половины длины волны (при величинах реактивностей, стре­ мящихся к бесконечности).

Работа емкостного резонатора объясняется аналогично с по­

76

а) .индуктивного резонатора; б) емкостного резонатора; в) индуктивно-емкостного резонатора

77

точками а н с на круговой диаграмме) будет равно — Л. При рос­

те величины реактивностей это расстояние будет стремиться к ну­ лю. Обычно в перестраиваемых фильтрах нормированная реактив­ ная проводимость диафрагм составляет 5—10, поэтому располагать их іна .малых ,рдостояниях мешьзя іиз-іаа піояівлания взаимного влия­ ния. В этом случае расстояние между реактивностями увеличивает­ ся на половину длины волны. Резонатор получается несколько длиннее полуволнового и работает на частоте второго резонанса.

В общем случае расстояние между реактивностями индуктивно­ го и емкостного резонаторов I определяется из формулы

помощью круговой диаграммы рис. 3.2s. Здесь, как и в случае ин­ дуктивного резонатора, точка а соответствует входной проводимо­ сти согласованного волновода в сечении, где включена индуктивная проводимость і) 2 ——і2. В этой точке у= 1—і2. Перемещаясь вдоль волновода в сторону генератора на расстояние, равное половине длины волны, мы попадем в сечение с, где вновь полная входная проводимость будет равна 1—і2. Если теперь в этом сечении вклю­ чить емкостную проводимость 12, то она компенсирует индуктивную составляющую, и полная проводимость будет равна проводимости согласованного волновода. Рабочая точка на диаграмме сместится в центр. Повторяя прежние рассуждения, можно установить, что в случае индуктивно-емкостного резонатора резонансное расстояние между реактивностями не зависит от величины реактивности и точ­ но равно половине длины волны в волноводе.

Можно показать [3], что рассмотренные выше резонаторы экви­ валентны параллельному контуру, включенному в линию парал­ лельно, или последовательному контуру, включенному в линию по­ следовательно. Параметры резонатора или эквивалентного контура (нагруженная добротность, потери и др.) определяются параметра­ ми реактивностей.

Настройка рассмотренных резонаторов состоит в компенсации отражений от реактивностей как по амплитуде, так и по фазе. Для индуктивного и емкостного резонаторов компенсация отражений по амплитуде всегда выполняется, так как реактивности, образующие резонатор, равны по величине. В этом случае настройка в резонанс сводится к компенсации отражений от реактивностей по фазе.

Рассмотрим теперь, как происходит настройка или перестройка резонаторов. Когда речь идет о настройке (или подстройке) резо­ натора, обычно имеются в виду небольшие (до 1%) изменения ре-

78

зонансной частоты контѵра. Под перестройкон обычно понимается процесс, когда частота резонатора изменяется на несколько процен­ тов и больше. Мы ограничимся рассмотрением^ резонаторов и фильтров, перестраиваемых в пределах до 10—15%.

Можно представить несколько способов перестройки резонато­ ров. Первый — это изменение геометрического расстояния между реактивностями, т. е. изменение длины резонатора. Этот спосоо пе­ рестройки практически неприменим для фильтров на прямоуголь­ но,м іоечеініш-і івюлтоіводіа. Перестройка іизменаніием длины резонатора широко используется в коаксиальных резонаторах и резонаторах, выполненных на волноводах круглого сечения.

Другой способ — изменение критической длины волны волново­ да, из которого выполнены резонаторы, либо изменением ширины волновода путем замены одной узкой стенки волновода подвижным гторшінам [30], либо введением в резонатор диэлектрической пласти­ ны параллельно узкой стенке волновода [31]. Этот способ перестрой­ ки тоже неприемлем для практического применения из-за своей сложности и ненадежности в работе.

Наиболее просто перестройка резонаторов прямоугольного сече­ ния осуществляется с помощью переменных реактивностей, вводи­ мых в объем резонатора, в качестве которых обычно используется переменная емкостная реактивность.

В симметричных резонаторах (индуктивном и емкостном) пере­ менная емкость вводится в центр резонатора. По мере ее увеличе­ ния резонатор перестраивается на более низкие частоты. Это легко понять с помощью круговой диаграммы рис. 3.2s. Точка b на диаг­ рамме соответствует сечению в центре резонатора, где расположена пучность напряжения, и входная проводимость поэтому является активной. Если теперь в это сечение ввести небольшую емкостную реактивность (например, проводимостью 0,05), то это будет экви­ валентно увеличению геометрической длины резонатора (приблизи­ тельно па 0,01 А). При этом резонансная частота сместится в сто­ рону более низких частот. Введение в центр резонатора индуктив­ ной проводимости уменьшит электрическую длину резонатора, т. е, перестроит его на более высокие частоты.

Конструктивно переменная емкостная реактивность легко реали­ зуется с помощью металлических и диэлектрических стержней [32—34], вводимых в резонатор через широкую или узкую стенки волновода. При перестройке диэлектрическими ' стержнями для обеспечения малых потерь требуется диэлектрик с малым tgö. В качестве диэлектриков используются стеатит С-55 (е = 6-^7; tgS = = (Зэ-6) -.10-4) и кварцевое стекло (е = 3,5; tg 6 = 3- ІО-4) .

Малогабаритный перестраиваемый резонатор [32] схематически изображен на рис. 3.3.

Резонатор представляет собой резонансную полость 1, выпол­ ненную на отрезке волновода уменьшенного сечения. В центре ре­ зонансной полости расположен стержень 2, переходящий в коакси­ альную линию 4. Связь резонатора с подводящими волноводами 5

79

осуществляется через отверстия связи 3. Требуемая нагруженная добротность резонатора определяется размером отверстия связи и длиной стержня 2. Перестройка резонатора осуществляется переме­

щением диэлектрической втулки 6.

Фильтры с непосредственными связями, сконструированные из резонаторов такого типа, могут быть изготовлены с полосой про­ пускания приблизительно от 0,3 до 2% и с диапазоном перестройки Ш-у-15%. Ширина полосы пропускания фильтра при перестройке изменяется мало (приблизительно на 10% в 10-процентном диапа­

зоне перестройки).

Достоинствами резонаторов такой конструкции являются малые габариты и повышенное затухание при большой расстройке в обла­ сти высоких частот, где резонаторы на стандартном сечении волно­ вода становятся прозрачными.

Недостатком резонатора является сложность изготовления и настройки, а также повышенное затухание в полосе пропускания.

Резонатор, перестраиваемый диэлектрическим стержнем, вводи­ мым через узкую стенку волновода [34], схематически показан на рис. 3.4. Прямоугольный объемный резонатор I возбуждается от

коаксиальной линии через емкостные штыри 2. Резонатор пере­ страивается диэлектрическим стержнем 3, вводимым через узкую стенку волновода.

Такая конструкция резонатора позволяет получить малое из­ менение ширины полосы пропускания при его перестройке. Это до­ стигается изменением связи резонатора с линией в процессе пере­ стройки. По мере перестройки резонатора на низкие частоты ди­ электрический настроечный стержень 3 вводится в волновод и при­ ближается к штырю 2, увеличивая его емкостное действие. Подо­ брав размеры и материал настроечного стержня, а также относи­ тельное положение штырей связи и настроечного стержня, можно получить изменение нагруженной добротности резонатора, прибли­ зительно пропорциональное частоте.

80