Проектирование СВЧ-устройств (РТФ 6 семестр Анисимов) / Зачет

Полосковое исполнение ФНЧ с непосредственными связями

Элементами фильтра являются реактивные шлейфы. Длина элементов берется около 0,1Λ.

ППФ с электромагнитными связями

Элементами фильтра являются связанные резонаторы на отрезках линии передачи.

Полосно-заграждающий фильтр с непосредственными связями

12

Фильтры на диэлектрических резонаторах

– резонатор; 2 – полосковый проводник; 3 – подложка

Способы крепления резонаторов 1- резонатор; 3 - диэлектрик

Принцип действия диэлектрического резонатора основан на явлении резонанса электромагнитных волн внутри диэлектрического объема. Собственная добротность Q0 диэлектрического резонатора определяется практически только потерями в диэлектрике и для современных материалов с

проницаемостями r = 10-40 может составлять (5-10) 103 в диапазоне от дециметровых до коротких миллиметровых волн.

Помимо собственной добротности важное значение имеет температурная стабильность резонансной частоты.

Для современных материалов, применяемых в диэлектрических резонаторах, она может не уступать стабильности объемных резонаторов, выполненных из инвара.

Наиболее часто в малогабаритных фильтрах СВЧ применяют диэлектрические резонаторы цилиндрической формы с отношением высоты к диаметру 0,3- 0,5.

Предпочтительный тип колебаний H 01 .

Для исключения паразитного излучения фильтр помещается в металлический экран, фактически представляющий собой запредельный прямоугольный волновод.

Подбор связей между отдельными диэлектрическими резонаторами для получения нужной полосы пропускания при выбранной форме частотной характеристики (максимально плоской или чебышевской) осуществляется изменением взаимного расположения резонаторов на полосковой плате.

Для подстройки на нужную резонансную частоту в пределах ±0,3% могут быть введены соосные с резонатором подстроечные винты, располагаемые в верхней крышке экрана.

13

В фильтре на встречных штырях, изображенном на рис. 20.3.7, применены резонаторы, нагруженные на одном конце на емкость и замкнутые накоротко на другом конце. Как было показано в гл. 18, длина таких резонаторов зависит от величины торцевой емкости и не превышает четверти длины волны.

Перестраиваемые фильтры

Используется явление ферромагнитного резонанса.

Размеры фильтров на резонаторах не связаны с длиной волны колебаний, собственная частота изменяется в широких пределах изменением величины поля подмагничивания. Такие резонаторы широко применяются в свип-генераторах, в управляемых СВЧ фильтрах и т.д.

Обычно ферритовый резонатор представляет собой либо шар, либо шайбу диаметром 0,5÷1,5 мм. Высота шайбы существенно меньше диаметра. Собственная добротность резонатора определяется шириной ферромагнитного резонанса и напряженностью внутреннего магнитного поля Q H 0 2 H .

Частотные характеристики коэффициентов передачи таких фильтров носят ярко выраженный резонансный характер, причем резонансные частоты могут быть изменены в значительных пределах при регулировании поля подмагничивания. Для улучшения формы частотной характеристики в фильтрах может быть использовано несколько близко расположенных ферритовых резонаторов со специально подобранной степенью взаимной связи между ними.

Фильтр на индуктивных петлях представляет собой ферритовую сферу, помещенную в центре двух перекрещивающихся рамок, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Магнитные поля этих рамок взаимно ортогональны и передача сигналов между рамками отсутствует.

При гиромагнитном резонансе намагниченной ферритовой сферы под воздействием на нее магнитного поля первой рамки H x появляется составляющая магнитной индукции H y возбуждающая вторую рамку, и сигнал проходит на выход фильтра.

14

о

В фильтре на прямоугольных волноводах два соосных волновода развернуты один относительно другого на 90 и имеют отверстие в общей торцевой стенке.

В центре отверстия располагается подмагничиваемая ферритовая сфера.

На частотах в стороне от резонанса волноводы развязаны из-за ортогональности поляризаций их основных волн.

При гиромагнитном резонансе между волноводами возникает связь вследствие появления недиагональных компонентов тензора магнитной проницаемости феррита и сигнал СВЧ проходит от одного волновода в другой.

В фильтре на симметричных полосковых линиях передачи две перекрещивающиеся линии при отсутствии гиромагнитного резонанса практически развязаны между собой, поскольку связи через магнитное поле нет, а электрическое поле в месте пересечения линий минимально, так как точка пересечения расположена на расстоянии λв/4 от разомкнутых концов полосковых линий.

В точке пересечения между проводниками полосковых линий помещена ферритовая сфера, намагничиваемая управляющим полем, перпендикулярным плоскости основания полосковой платы.

При гиромагнитном резонансе появляется составляющая поля магнитной индукции, продольная возбуждающей линии передачи, что приводит к возникновению сильной связи между полосковыми линиями.

15

ДЕЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

-распределение мощности между каналами многоканальной СРМ; -линейность ФЧХ коэффициента передачи канала делителя.

Для количественной оценки линейности ФЧХ используют параметр , показывающий абсолютное отклонение ФЧХ от линейной.

Делители мощности являются укрупненными базовыми элементами, применяемыми для разветвления трактов СВЧ. В шестиполюсных делителях мощности различают главный вход 1 и два выхода 2 и 3.

Обычно к делителю предъявляют требования согласования главного входа s11 =0 и передачи мощности с входа на выходы с заданными модулями коэф-

фициентов передачи s21 и s31 .

Делители мощности можно использовать также для суммирования на входе 1 колебаний от двух когерентных источников, подключенных ко входам 2 и

3.В этом, а также в ряде других случаев к делителю мощности предъявляются дополнительные требования согласования и развязки входов 2 и 3. Простейшее тройниковое разветвление линий передачи относится к классу реактивных шестиполюсников и поэтому не может быть одновременно согла-

совано по всем трем входам. Чтобы обеспечить согласование и развязку входов 2 и 3 шестиполюсного делителя мощности, следует ввести в его схему поглощающие элементы.

Наиболее распространенная схема такого делителя мощности на равные части показана на рис. 4.14. В делителе используются параллельное разветвле-

ние линий передачи на входе 1, два четвертьволновых трансформатора с волновыми сопротивлениями Z B 2 Zв и поглотитель в виде сосредоточенного резистора с нормированным сопротивлением R=2. Такая схема может быть получена из гибридного кольца (см. рис. 4.11, б) с равным делением мощности. Участок гибридного кольца между входами 2 и 3 показан отдельно на рис. 4.14, б.

Матрица А этого участка имеет вид

т. е. тождественна матрице последовательного сосредоточенного резистора (R=2), включенного непосредственно между входами 2 и 3 (см. рис. 4.2). Таким образом, согласованный делитель мощности на рис. 4.14, а, по существу, является направленным ответвителем, в котором роль входа 4 играет ре-

зистор (R=2). Отметим, что по свойствам симметрии этот ответвитель аналогичен двойному Т-мосту (см. рис. 3.8).

Качество работы делителя мощности в полосе частот оценивается КБВ каждого входа и коэффициентами передачи (дБ) . Расчетные частотные зависимости КБВ и коэффициентов передачи делителя мощности показаны на рис. 4.15. Рабочая полоса частот составляет примерно ±20%, т.е. несколько шире, чем для гибридного кольца, поскольку частотно-зависимый участок кольца между входами 2 и 3 заменен частотно-независимым резистором.

Волноводные тройники

Н-плоскостной Т-тройник

Матрица рассеяния Предположим, что волна Н10 возбуждена в плече 1 Н-плоскостного Т-тройника.

Распространяясь вдоль, прямоугольного волновода, образующего плечо 1, волна поступает в область разветвления волноводов.

Электромагнитная волна, выходящая из плеча 1, в области разветвления имеет структуру, близкую к структуре цилиндрической ТЕМ-волны свободного пространства.

Распространяющаяся в разветвлении цилиндрическая волна встречает на своем пути металлическую стенку CDGF и отражается от нее.

Отраженная волна вместе с падающей возбуждает проходящие в плечи 2 и 3 волны Н10 Кроме того, часть отраженной цилиндрической волны возбуждает отраженную волну Н10 в плече 1.

Плечи 2 и 3 возбуждаются синфазно, а так как они расположены симметрично относительно плеча 1, то амплитуды синфазных волн Н10 равны. Чтобы устранить отраженную в плечо 1 волну, в Н-тройник вводят индуктивный штырь, как показано на рис.

Цилиндрическая волна прежде, чем отразиться от стенки CDGF, частично отражается от штыря, и в плече 1 образуются две отраженные волны Н10: одна от штыря, а другая - от металлической стенки.

Диаметр штыря подбирается так, чтобы амплитуды обеих отраженных волн были одинаковыми.

Если расстояние t между центром штыря и стенкой CDGF близко к 4 то волна, отраженная от металлической стенки, запаздывает по отношению к волне, отраженной от штыря, на 180°, т. е. эти волны гасят друг друга.

Так как амплитуда отраженной волны в плече 1 равна нулю, то в согласованном таким образом Н-тройнике энергия, поступившая в плечо 1, делится точно поровну между плечами 2 и 3.

При этом в соответствии с принципом взаимности должно иметь место и обратное явление: если в плечах 2 и 3 одновременно возбудить синфазные волны Н10 равной амплитуды, то энергия этих волн сложится и поступит в плечо 1.

Плечи 1 и 3 в Н-тройнике расположены несимметрично относительно плеча 2, как и плечи 1 и 2 относительно плеча 3. Поэтому энергия, ответвляющаяся в плечо 1, при возбуждении плеча 2 не равна энергии, ответвляющейся в плечо 3.

Неравное деление мощности между плечами имеет место также при возбуждении плеча 3. Кроме того, Н-тройник, согласованный со стороны плеча 1, рассогласован со стороны плеч 2 и 3.

Н-плоскостной Y-тройник

Е-плоскостной Т-тройник

Матрица рассеяния В плечах 2 и 3 тройника возбуждаются противофазные волны Н10, когда энергия поступает в плечо 1.

Так как плечи 2 и 3 расположены симметрично относительно плеча 1, то амплитуды противофазных волн равны.

Часть входящей электромагнитной волны, отразившись от металлической плоскости C'D'G'F, возбуждает в плече 1 отраженную волну.

Чтобы скомпенсировать эту отраженную волну, в плече 1создают еще одну отраженную волну, используя симметричную или несимметричную индуктивную диафрагму.

При этом энергия, поступающая в плечо 1, поровну делится между плечами 2 и 3.

В соответствии с принципом взаимности должно иметь место и обратное явление: если в плечах 2 и 3 рассматриваемого Е-тройника одновременно возбудить противофазные волны Н10 равной амплитуды, то их энергия суммируется и поступает в плечо 1.

Плечи 2 и 3 возбуждаются в противофазе.

Е-плоскостной Y-тройник

Волноводный тройник из волноводов разных типов

На рис. показан волноводный Т-тройник, образованный отрезками прямоугольного и круглого волноводов, работающих на низшем типе волны.

При возбуждении волны Н10 в плече 1 в области разветвления возникает структура электрического поля, показанная на рис. а.

Поскольку плечи 2 и 3 расположены симметрично относительно плеча 1, в круглом волноводе возбуждаются две волны Н11, бегущие в разные стороны от разветвления и имеющие одинаковые амплитуды и фазы векторов Е2 на одинаковом расстоянии от плоскости симметрии. При этом плоскость поляризации векторов Е2 волн Н11 в центре круглого волновода перпендикулярна продольной оси волновода плеча 1.

Подобный тройник можно использовать в качестве трансформатора волны Н10 прямоугольного волновода в волну Н11 круглого, если в плече 3 установить коротко замыкающую пластину на расстоянии Λ/4 от центра разветвления, где Λ-длина волны Н11 в круглом волноводе.

Если, в тройнике возбудить в плече 2 волну Н11, для которой вектор Е1 в центре волновода параллелен продольной оси прямоугольного волновода, то мощность, переносимая этой волной, в плечо 1 ответвляться не будет. Примерная картина силовых линий вектора электрического поля, возникающего при этом в области разветвления волноводов, показана на рис., б. В этом случае волна Н10 в плече 1 не возбуждается. Поэтому мощность с входа 2 проходит в плечо 3 и частично отражается от области разветвления в плечо 2.

Для устранения отражений в щели в месте сочленения волноводов располагают тонкие металлические провода.

Этим уменьшается влияние щели на распространение волны Н11 с поляризацией Е1. В то же время провода практически не влияют на передачу мощности из прямоугольного волновода в круглый, поскольку вектор Е как в прямоугольном волноводе, так и в круглом (для поляризации Е2) перпендикулярен им.