134

Контрольные вопросы

1.Какими физическими явлениями обусловлено возникновение резонансных колебаний в диэлектрическом резонаторе?

2.Диэлектрические резонаторы какой геометрической формы наиболее распространены на практике ?

3.Какие факторы влияют на добротность диэлектрического резонатора?

4.Какими преимуществами обладают диэлектрические резонаторы по сравнению с закрытыми резонаторами?

5.Какие цели преследуются при создании металлодиэлектрических резонаторов?

6.В чем состоят преимущества металлодиэлектрических резонаторов предельного типа?

7.5. Резонатор, включенный на проход

Проходной (англ. – reentrant) резонатор (рис.7.8,а) имеет два элемента связи (вход и выход). Это приводит к появлению потерь на излучение в первое и второе плечо. Выражение для нагруженной добротности принимает вид

В общем случае, когда связи отличаются (κ1 ≠ κ2 ) , в эквивалентной схе-

ме (рис.7.8,б) следует предусмотреть трансформаторы с такими коэффициентами трансформации, чтобы

135

устанавливают четыре соотношения между пятью величинами, которые подлежат определению R ,C , L , n1 и n2 . Таким образом, одна из величин может быть

задана произвольно. Удобно положить, что R =1, после чего

Нормированная проводимость эквивалентной схемы на резонансной частоте будет равна

По условию согласования необходимо, чтобы y′ =1, это будет выполняться в случае, когда

Таким образом, если коэффициенты связи одинаковы (κ1 = κ2 = κ), согласова-

ния линии с резонатором достичь невозможно.

Известно, что коэффициент передачи из плеча 1 в плечо 2 также будет максимальным, когда выполняется условие согласования (7.31). Причем коэффициент передачи растет с увеличением κ1 и κ2 , однако при этом уменьшается

нагруженная добротность Q и селективность.

Контрольные вопросы

1.Какие факторы влияют на добротность проходного резонатора?

2.Возможно ли согласовать проходной резонатор?

3.Как связаны нагруженная добротность и величина коэффициента передачи проходного резонатора?

4.Как связаны селективность и величина коэффициента передачи проходного резонатора?

5.Как можно определить собственную добротность, зная коэффициент передачи проходного резонатора?

7.6. Частотные фильтры

Фильтр (англ. – filter) – это четырехполюсник, который имеет ярко выраженные частотно-селективные свойства, предназначенный для передачи мощности спектральных составляющих сигнала, которые находятся в полосе частот пропускания (англ. – bandpass). При этом существенно подавляются спектральные составляющие, которые лежат вне полосы пропускания, в полосе заграждения или режекции (англ. – stopband). Фильтры применяются, в частности, для одновременной работы передатчика и приемника на одну антенну, выделения стволов (групп каналов) для их раздельного усиления и обработки,

137

режекторные фильтры (РФ), другие возможные названия – полосно-

заграждающие фильтры (ПЗФ; англ. – band-stop fіlter); фильтр-пробка, про-

пускают на выход сигналы, содержащие все частоты, кроме тех, которые принадлежат некоторому диапазону от ωP1 до ωP2 , для таких фильтров характерна

ширина полосы заграждения ω = ωP2 − ωP1 .

На рис.7.9,а-г изображены идеальные частотные характеристики затухания соответственно ФНЧ, ФВЧ, ППФ, РФ(ПЗФ). Однако такая идеальная (прямоугольная) форма характеристики затухания не может быть физически реализована. В реальном фильтре затухание в полосе пропускания не равно нулю (децибел), затухание в полосе заграждения не равно бесконечности, а переход от полосы пропускания к полосе задерживания осуществляется постепенно (не скачкообразно).

Возможный вид характеристики затухания реального фильтр, например ФНЧ, приведен рис.7.10. Проектирование фильтра производится с учетом проектных параметров: граничной частоты полосы пропускания ωP ; предельного

затухания AP в полосе пропускания; граничной частоты полосы заграждения ωS ; минимального затухания AS в полосе заграждения. Аналогичным образом вводятся проектные параметры для фильтров остальных типов.

использованию современных специальных программных сред, которые имеют средства для определения за заданными параметрами ωP , ωS , AP , AS ком-

плексной частотной характеристики фильтра.

Наиболее часто используют два способа аппроксимации идеальной АЧХ, которые позволяют в случае заданного порядка фильтра n в схеме фильтрапрототипа приблизить реальную АЧХ к идеальной. В первом способе парамет-

138

ры фильтра подбирают таким образом, чтобы получить максимально плоскую АЧХ (фильтр Баттерворта):

где Ω = ω / ωP ; ε =10AP /10 −1; n – порядок фильтра.

Фильтры Баттерворта применяют в случае, когда к качеству согласования в полосе пропускания предъявляются жесткие требования. Их основное преимущество – хорошая линейность фазовой характеристики, что способствует неискаженной передаче импульсных сигналов.

При втором способе аппроксимации реализуется равномерно пульсирующая характеристика (фильтр Чебышёва):

где Tn (Ω) = cos(narccos(Ω)) – полином Чебышёва первого рода n-го порядка;

ε =10AP /10 −1 – параметр, который определяет величину пульсаций АЧХ в полосе пропускания.

При одинаковых требованиях к частотным характеристикам для фильтра Чебышёва требуется меньшее число элементов. Для примера на рис.7.11 представлены характеристики затухания полосно-пропускающих фильтров Баттерворта (сплошная линия) и Чебышёва (пунктирная линия), рассчитанные по одинаковым входным данным: fP1 =0,5 ГГц; fP2 =1,5 ГГц; fS1 =0,375 ГГц;

fS2 =1,625 ГГц; AP =0,5 дБ; AS =15 дБ. При этом для фильтра Баттерворта n =13, а Чебышёва – n = 5.

пускания. Последовательные и параллельные контуры удобно реализовать в виде резонансных отрезков (резонаторов).

Волноводные фильтры в последнее время все чаще применяют в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового

139

диапазонов волн, где они имеют лучшие характеристики по сравнению с фильтрами на полосковых линиях и диэлектрических резонаторах. Однако, последние уверенно вытеснили волноводные фильтры из дециметрового и длинноволновой части сантиметрового диапазонов.

А А А-А

А-А

и

к

Рис.7.12. Фильтры СВЧ: а – волноводный ППФ на индуктивных штырях;

б- волноводный ППФ на диафрагмах; в - РФ на короткозамкнутых шлейфах;

г- fin-line фильтр; д – коаксиальный ФНЧ; е – коаксиальный ППФ;

ж- ППФ на параллельно связанных полуволновых резонаторах;

з- ППФ на встречных стержнях; и – ППФ на ДР; к – металлокерамический фильтр

На рис.7.12,а изображена конструкция волноводного ППФ на индуктивных штырях, здесь полуволновые резонаторы связаны через четвертьволновые отрезки. Достоинство фильтра с четвертьволновыми связями состоит в простоте настройки. Каждое звено можно настраивать индивидуально на резонансную частоту с помощью емкостного винта, а потом – провести сборку всего устройства. Недостаток такого фильтра – большие габариты. Волноводный ППФ на диафрагмах с непосредственной связью (рис.7.12,б) имеет сравнительно меньшую длину, однако он сложнее в настройке. На рис.7.12,в приведена конструк-

140

ция РФ на короткозамкнутых шлейфах. Высокую технологичность для реализации в миллиметровом диапазоне имеют так называемые fin-line фильтры, которые образуются размещением в прямоугольном волноводе избирательно металлизированной диэлектрической ленты или металлической перфорированной ленты в (рис.7.12,г).

Внастоящее время коаксиальные фильтры, по-видимому, применяются реже, чем фильтры других типов. Основным применением коаксиальных фильтров можно считать ФНЧ (рис.7.12,д). На рис.7.12,е изображена конструкция коаксиального ППФ. Наибольшим технологическим достоинством коаксиальных фильтров остается простора их изготовления при высокой точности допусков на размеры элементов. К недостаткам следует отнести высокую металлоемкость и большие габариты в длинноволновой части СВЧ диапазона, где они характеризуются наибольшей добротностью.

Взависимости от типа интегральной линии передачи различают микрополосковые, копланарные, подвешенные полосковые и комбинированные конструкции полосковых фильтров. Благодаря удобству интеграции полосковые фильтры наиболее распространены. На рис.7.12,ж изображена топология ППФ на параллельных связанных полуволновых резонаторах. ППФ на встречных стержнях (рис.7.12,з) содержат четвертьволновые резонаторы, короткозамкнутые на одном конце и разомкнутые на другом.

Основным преимуществом фильтров на основе диэлектрических резонаторов является их малые габариты. Общий принцип построения ППФ на ДР состоит в применении входной и выходной линии, электромагнитная связь между которыми обеспечивается с помощью нескольких ДР (рис.7.12,и). Между ДР часто вводят разнообразные диафрагмы, которые уменьшают связь между звеньями, тем самым сокращая длину фильтра, они также способны устранить паразитные полосы пропускания.

Втелекоммуникационных системах широко используется диапазон частот 40 – 3000 МГц. Он используется, в частности, для мобильной связи, телевиденья и практически во всех трактах промежуточной частоты (ПЧ) приемопередатчиков систем связи. Усовершенствование электрических характеристик устройств данного диапазона и стремление уменьшить габариты частотно селективных устройств обусловили появление нового класса малогабаритных фильтров – металлокерамических фильтров (МКФ). Конструктивно такой

фильтр представляет собой прямоугольный блок керамики с большой диэлектрической проницаемостью ε , который имеет цилиндрические отверстия (рис.7.12,к). Внешняя поверхность структуры и внутренняя поверхность отверстий избирательно металлизируется, таким образом, она оказывается эквивалентной коаксиальному фильтру на встречных стержнях (рис.7.12,з).

Контрольные вопросы

1.Какое СВЧ устройство называется фильтром?

2.В каких схемах применяются фильтры?

141

3.Какие основные характеристики и параметры фильтров?

4.Какая существует классификация фильтров по полосам пропускания (режекции)?

5.Каковы основные проектные параметры реального фильтра?

6.Почему фильтры преимущественно конструируют из реактивных эле-

ментов?

7.Каковы основные этапы проектирования фильтров?

8.Каковы особенности характеристик Баттерворта и Чебышёва?

9.Какой фильтр при одинаковых основных проектных параметрах требует большего количества элементов?

10.В чем преимущество фильтра Баттерворта?

11.Какой типичный способ реализации L и C элементов в микроволновых фильтрах?

12.Какими преимуществами обладают фильтры на диэлектрических резонаторах по сравнению с волноводными фильтрами?

13.Какие преимущества и недостатки присущи фильтрам на основе коаксиальной линии?

14.Какие преимущества и недостатки характерны для фильтров на основе микрополосковой линии?

15.Какие преимущества и недостатки имеют металлокерамические фильтров? Какова их конструкция?