7.2 Принцип роботи і конструкції фільтрів

Найпростішими смуговими частотними фільтрами, що мають практичне значення, є резонансні діафрагми в хвилеводі, зокрема діафрагми з різною формою вікон (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Деякі види резонансних діафрагм

Такі діафрагми розглядаються як комбінація ємнісної та індуктивної діафрагм, тому еквівалентну схему зручно подати у вигляді паралельного контуру, ввімкненого в лінію паралельно.

При рівності ємнісної та індуктивної провідностей коливальний контур настроєно в резонанс і його опір за відсутності втрат нескінченно великий. Тому при паралельному ввімкненні він не впливає на поширення енергії в лінії передачі.

Резонансна частота такого найпростішого фільтра визначається формою та розміром вікна. У діафрагмі з прямокутним вікном резонанс настає за умови рівності хвильових опорів основного хвилеводу і звуженої ділянки, тобто

,

де а, b – розмір широкої та вузької стінок хвилеводу;

а', b' – відповідні розміри діафрагми;

λ – довжина хвилі у вільному просторі.

Оскільки резонансні діафрагми мають невелику добротність, вони не дозволяють одержати вузьку смугу пропускання і добру вибірність. Тому найпоширенішими є смугові фільтри, утворені декількома реактивностями, ввімкненими у хвилевід на певній відстані одна від одної. Дві сусідні реактивності утворюють хвилеводну резонансну камеру (резонатор). Залежно від кількості реактивностей розрізняють однокамерні, двокамерні і т.п. фільтри.

Як смугові хвилеводні фільтри використовуються окремі резонатори або їх каскадне з'єднання. В останньому випадку зв’язок резонаторів буде безпосереднім або здійснюватиметься через відрізки ліній передачі (рис. 7.3).

При конструюванні хвилеводних фільтрів широко використовуються трансформуючі властивості чвертьхвильових відрізків хвилеводу. В теорії фільтрів чвертьхвильовий відрізок хвилеводу називають інвертором опорів. На рис. 7.4 наведено найпоширеніші типи можливих інвертувань опорів.

У техніці НВЧ широко застосовуються хвилеводні смугові фільтри, виконані за східчастою схемою. Еквівалентна схема таких фільтрів збігається зі схемою східчастих фільтрів з реактивними елементами і зосередженими параметрами (рис. 7.5).

Рис. 7.3. Смугові хвилеводні фільтри

При реалізації такої схеми в діапазоні НВЧ основним елементом смугового фільтра є прохідний резонатор (резонатор з діафрагмами на вході та виході), еквівалентний паралельному контуру, і ввімкненому в лінію паралельно.

Як послідовний контур, ввімкнений в лінію послідовно, використовуеться паралельний контур (див. рис. 7.4, д), до входу і виходу якого під'єднані чвертьхвильові відрізки лінії передачі або відрізки, що дорівнюють непарному числу чвертей хвилі на центральній частоті смуги

Рис. 7.4. Можливі варіанти інвертуючих властивостей чвертьхвильових відрізків лінії передачі

пропускання фільтра. Аналіз показує, що коефіцієнти передачі обох схем, зображених на рис. 7.4, д, мають однакову частотну залежність. У зв'язку з цим еквівалентну схему смугового фільтра (див. рис. 7.5) можна подати у вигляді, зображеному на рис. 7.6.

Принцип роботи смугового фільтра розглянемо на прикладі відрізка хвилеводу, обмеженого двома, наприклад індуктивними, діафрагмами.

Якщо в деякому перерізі 1 узгодженого хвилеводного тракту встановити індуктивну діафрагму з провідністю В₁₁, то сумарна зведена провідність Υ₁^' у цьому перерізі така:

. (7.5)

Рис 7.5. Схема східчастого фільтра

Рис. 7.6. Еквівалентна схема смугового фільтра з чвертьхвильовими відрізками хвилеводів

Діафрагма створить відбиту хвилю, що рухатиметься в бік генератора, тобто в хвилеводному тракті встановиться режим змішаних хвиль. Знаючи трансформуючі властивості відрізків довгих ліній, можна стверджувати, що існує деякий переріз 2, розміщений на відстані ℓ_к від перерізу 1, в якому реактивна складова провідності дорівнює за величиною і протилежна за знаком реактивній складовій провідності в перерізі 1, тобто:

. (7.6)

Якщо в перерізі 2 ввімкнути таку саму індуктивну діафрагму, як і в перерізі 1, то сумарна зведена провідність Υ^'₁₁₂ у перерізі 2 дорівнюватиме:

або . (7.7)

Отже, провідність у перерізі 2, тобто вхідна провідність фільтра, дорівнює хвильовій провідності, і тому в хвилеводному тракті від перерізу 2 у бік генератора встановиться режим біжучих хвиль. Однак це справедливо лише для резонансної частоти f_p. При зміні частоти (наприклад зменшенні) вхідна провідність фільтра матиме комплексний характер з індуктивною складовою реактивної провідності. При збільшенні частоти реактивна складова вхідної провідності має ємнісний характер.

З розглянутого вище випливає, що резонансна камера, утворена двома індуктивними діафрагмами, в діапазоні частот поводиться як смуговий фільтр. Тому резонансна камера, подібно до резонансної діафрагми, еквівалентна паралельному контуру, ввідененому в лінію паралельно.

Навантажену добротність резонансної камери, утворену індуктивними діафрагмами, можна визначити за формулою:

. (7.8)

При великих провідностях ([B^'_L] > 10)

, a . (7.9)

Тоді рівняння (7.8) можна записати так:

. (7.10)

Як видно із співвідношення (7.10), для підвищення добротностi потрібно збільшувати провідність діафрагми, тобто зменшувати розмір вікон. Отже, смуга пропускання фільтра залежить від величини провідності (розміру вікон) діафрагм.

Від величини провідності діафрагми залежить також і довжина камери:

. (7.11)

де ℓ′_к – зведена відстань між діафрагмами при резонансній чаcтоті.

Довжина камери, як правило, менша за λ_х/2, тобто:

. (7.12)

Із виразу для вхідної провідності фільтра при f = f_p визначається

, (7.13)

і тоді:

. (7.14)

Робота фільтра не порушиться, якщо відстань між діафрагмами збільшити на ціле число півхвиль. При збільшенні довжини камери зменшуються спотворення частотної характеристики фільтра, викликані взаємодією полів хвиль вищих типів, що збуджуються діафрагмами. Збільшення довжини камери приводить і до підвищення добротності, тому що добротність об'ємних резонаторів пропорційна їх довжині.

Однокамерні смугові фільтри не дозволяють одержати достатньо вузьку (менше 10%) смугу пропускання. Це пов'язано з тим, що для звуження смуги пропускання (підвищення добротності) слід значно збільшити реактивність діафрагм. При цьому розмір вікон діафрагм зменшується, КСХ у камері зростає, а електрична міцність тракту погіршується.

Щоб одержати вузьку смугу пропускання і добру вибірність, застосовують багатокамерні фільтри.

Багатокамерні хвилеводні фільтри утворюються з двох, трьох і більшого числа резонансних камер, зв'язаних між собою. Залежно від способу зв’язку сусідніх камер розрізняють багатокамерні фільтри з безпосереднім та об'ємним зв'язками. У фільтрах з безпосереднім зв’язком камери зв’язані через спільну реактивність, величина якої визначає ступінь зв’язку. При об'ємному зв'зку камери зв'язуються відрізками хвилеводів. Ступінь зв’язку в цьому випадку зумовлюється довжиною цього відрізка.

Найчастіше застосовуються фільтри, що мають симетричну структуру, бо вони дозволяють одержати краще узгодження на резонансній частоті і зручніші в конотруктивному відношенні. У симетричних фільтрах перша і остання, друга і передостання камери і т.д. – однакові.

Багатокамерний хвилеводний фільтр має не одну, а декілька резонансних частот. Кількість резонансних частот дорівнює кількості камер. Тому частотна характеристика може мати декілька максимумів, що відповідають кількості резонансних частот. Розміщення максимумів залежить від ступеня зв'язку камер. Наприклад, для двокамерного фільтра при зв’язку, більшому за критичний, кількість максимумів дорівнює двом, при критичному зв'язку вони суміщуються і маємо максимально плоску частотну характеристику. Якщо зв'язок менший за критичний, то маємо один максимум, але за величиною він менший, ніж максимум, що відповідає критичному зв'язку. Таким чином, частотна характеристика двокамерного фільтра збігається з частотною характеристикою двох зв'язаних контурів.

На рис. 7.7 зображено двокамерний смуговий фільтр з безпосередніми зв'язками, утворений трьома індуктивними діафрагмами, і схему його заміщення.

Хвилеводний смуговий фільтр з об'ємним зв'язком (рис. 7.8) складається із самостійних, резонансних камер довжиною ℓ_к.

Кожна камера утворена двома ідентичними діафрагмами. Камери зв'язані між собою відрізками хвилеводів довжиною ℓ.

Таким чином, камери зв'язані не через спільні діафрагми, а через деякий об’ем, утворений відрізком хвилеводу ℓ. Практично відстань між камерами береться приблизно такою, що дорівняє (1/4) λ_x, або, в загальному випадку, – (2m + 1) λ_χ/4. Тому часто такі фільтри називаються фільтрами з чвертьхвильовими зв'язками. У радіолокаційній техніці часто використовуються фільтри, що складаються з двох резонансних діафрагм, ввімкнених на відстані λ_χ/4 одна від одної. Кожна резонансна діафрагма еквівалентна паралельному контуру.

Тому камера, утворена двома діафрагмами, еквівалентна Г-подібному півланцю смугового фільтра (паралельний контур, ввімкнений паралельно в лінію, і послідовний – послідовно). Часто такі камери виконують дві функції – фільтра і високочастотного розрядника. Для цього камеру герметизують і заповнюють розрідженим інертним газом (наприклад аргоном). При передачі по хвилеводу великої потужності відбувається іонізація газу (високочастотний розряд), що рівноцінно короткому замиканню. У цьому випадку енергія через фільтр не проходить.

Багатокамерні смугові фільтри з об'емними зв'язками простіші у виробництві, тому що окремі камери можуть настроюватись незалежно одна від одної.

Недоліком таких фільтрів є те, що їх габарити на 25...40% більші за габарити відповідних фільтрів з безпосереднім зв'язком. Для зменшення габаритів доцільно використовувати резонансні діафрагми. Однак, як вже зазначалось, вони мають малу добротвість і не можуть застосовуватись у вузькосмугових фільтрах.