Режекторный волноводный многозвенный свч-фильтр
Владельцы патента RU 2399997:
Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") (RU)
Изобретение относится к области радиотехники, а именно к СВЧ устройствам, и может быть использовано в связных и локационных системах наземного и бортового оборудования. Технический результат - создание режекторного волноводного многозвенного СВЧ-фильтра большой мощности со сверхмалым разносом частот режекции и пропускания, а также минимальными потерями сигнала в полосе пропускания. Для этого в каждом звене режекторного волноводного многозвенного СВЧ-фильтра одна из внутренних стенок волновода снабжена выступами по всей ширине волновода, а противоположная сторона снабжена короткозамкнутым шлейфом, соединенным с волноводом через диафрагму, причем звенья фильтра и их размещение вдоль волновода имеют геометрические параметры, соответствующие требуемым амплитудно-частотным характеристикам. 4 ил.
Изобретение относится к области радиотехники, а именно к сверхвысокочастотным (СВЧ) устройствам, и может быть использовано в связных и локационных системах наземного и бортового оборудования.
В настоящее время из уровня техники известны различные конструкции режекторных СВЧ-фильтров, выполненные на основе прямоугольных волноводов, снабженные короткозамкнутыми шлейфами и согласующими элементами.
Из уровня техники известен режекторный волноводный фильтр (см. Д.Л.Маттей, Л.Янг, Е.М.Т.Джонс. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, т.2, рис.12.01.1б, с.179). При практической его реализации, как показано в главе 12.06 на стр.191, необходимо применять сложную и трудоемкую настройку фильтра за счет введения в короткозамкнутые шлейфы настроечных винтов (см. рис.12.08.1, стр.202). Это ограничивает использование данного фильтра при режектировании сигналов большой мощности.
Еще ряд конструкций шлейфовых режекторных фильтров рассмотрен в книге Дж.К.Саусворт. Принципы и применения волноводной передачи (см. рис.IX.30, стр.322), где в простейшем случае звено фильтра имеет только короткозамкнутый шлейф, а для увеличения крутизны скатов амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в звене фильтра шлейф имеет связь с волноводом через диафрагму, и в шлейф введен настроечный винт. Применение индивидуальной настройки для каждого из образцов в таких фильтрах сильно ограничивает повторяемость радиочастотных характеристик от образца к образцу.
Однако рассмотренные выше конструкции не позволяют достичь оптимальных радиотехнических параметров, в частности, по крутизне АЧХ, разносу частот пропускания и режекции фильтра с одновременным обеспечением качественного согласования в полосе пропускания (по минимизации значений коэффициента стоячей волны (КСВ) и активных потерь) и требуемого затухания в полосе режекции фильтра.
В качестве еще одного существенного недостатка стоит отметить необходимость настройки рассмотренных выше фильтров. Применение настроечных винтов приводит к увеличению активных потерь в полосе пропускания и снижает электрическую прочность СВЧ-фильтра, а сама настройка является трудоемкой, требует наличия квалифицированного персонала и соответствующего контрольно-измерительного оборудования.
Для устранения отмеченных недостатков в предлагаемой конструкции в каждом звене режекторного волноводного многозвенного СВЧ-фильтра одна из внутренних стенок волновода снабжена выступами по всей ширине волновода, а противоположная сторона снабжена короткозамкнутым шлейфом, соединенным с волноводом через диафрагму, причем звенья фильтра и их размещение вдоль волновода имеют геометрические параметры, соответствующие требуемым амплитудно-частотным характеристикам (АЧХ).
Целью изобретения является создание режекторного волноводного многозвенного СВЧ-фильтра большой мощности и достижение сверхмалого разноса частот режекции и пропускания, а также минимальных потерь сигнала большой мощности в полосе пропускания с обеспечением заданных требований по уровню вносимого затухания в полосе режекции режекторного волноводного многозвенного СВЧ-фильтра.
Признаки и сущность изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее:
фиг.1 - общий вид звена фильтра и его эскизный чертеж с обозначением геометрических параметров, где:
1 - волновод,
2 - согласующий элемент,
3 - короткозамкнутый шлейф,
4 - диафрагма.
Перечисленные выше элементы имеют геометрические параметры, которые далее по тексту имеют следующие обозначения:
W - ширина волновода,
Н - высота волновода,
L - длина короткозамкнутого шлейфа,
Stub - толщина короткозамкнутого шлейфа,
Р - толщина диафрагмы,
Q - ширина диафрагмы,
А - высота согласующего элемента,
В - ширина согласующего элемента,
Inp - длина волновода, определяющая расстояние между звеньями фильтра.
На фиг.2 приведен график АЧХ одного звена фильтра.
На фиг.3 изображен чертеж общего вида многозвенного режекторного фильтра.
Фиг.4 иллюстрирует график АЧХ многозвенного (пример для 6-ти звеньев) режекторного фильтра.
Работа многозвенного фильтра осуществляется следующим образом: каждое звено фильтра реализует состояние "нуль-полюс", при котором сигнал с волновода 1 в диапазоне частот режекции попадает в короткозамкнутый шлейф 3 через диафрагму 4 и отражается обратно на вход волновода 1, а сигнал диапазона частот пропускания проходит на его выход. Амплитудно-частотные характеристики одного звена фильтра для трех различных значений длины короткозамкнутого шлейфа 3 приведены на фиг.2. Так, например, был выбран волновод сечением 120 мм×53 мм, толщина диафрагмы составила 13 мм, а ее ширина 45 мм, для согласования был применен согласующий элемент высотой 9 мм и шириной 40 мм, при толщине короткозамкнутого шлейфа 36 мм длины шлейфов трех звеньев составили 157.3 мм, 157 мм и 156.7 мм соответственно. При данных значениях геометрических параметров звенья СВЧ-фильтра позволяют обеспечить требуемые затухание в полосе режекции и качественное согласование в полосе пропускания СВЧ-фильтра, как изображено на фиг.2.
Для выбранного сечения прямоугольного волновода 1 (ширина W, высота Н) положение пика заграждения на частотной шкале определяется длиной L и толщиной Stub короткозамкнутого шлейфа 3, ширина пика заграждения характеризует эффективную добротность короткозамкнутого шлейфа 3 и зависит от толщины Р и ширины Q диафрагмы 4, связывающей шлейф 3 с волноводом 1. Для сигналов спектра полосы пропускания реактивные потери, вносимые режектирующим шлейфом 3, компенсируются согласующим элементом 2, который выполнен в виде выступа по всей широкой стенке волновода 1, а положение "нуля" на частотной шкале определяется параметрами согласующего элемента 2 - высотой А и шириной В.
При компоновке многозвенного режекторного фильтра, как показано на фиг.3, активные потери каждого звена в полосе пропускания складываются, а реактивные определяются в зависимости от коэффициента связи. Для полосы режекции вносимое затухание также складывается в зависимости от коэффициента связи. Расстояния между звеньями фильтра X12, Х23…X(n-2)(n-1), X(n-1)(n) определяют коэффициенты связи и выбраны таким образом, что обеспечивают заданные требования по величине затухания в полосе режекции и величине КСВ и активных потерь в полосе пропускания.
График АЧХ скомпонованного многозвенного режекторного СВЧ-фильтра показан на фиг.4.
Предложенная конструкция многозвенного режекторного СВЧ-фильтра большой мощности позволяет обеспечить заданные требования по величине затухания в полосе режекции и величинам КСВ и активных потерь в полосе пропускания, достигая сверхмалого разноса частот пропускания и режекции, при компоновке многозвенного фильтра из одиночных звеньев с подобранными геометрическими параметрами, обеспечивающими требуемые суммарные частотные характеристики активных и реактивных потерь в полосе пропускания и перекрытие полосы режекции с заданным уровнем затухания.
Так, на примере шестизвенного фильтра на основании расчетов, выполненных на универсальных электродинамических программах с высокой точностью соответствия [3], показано, что применение вышеописанного звена фильтра в многозвенном режекторном волноводном СВЧ-фильтре большой мощности позволяет достичь сверхмалого разноса частот 0,11% между краями полос пропускания (1,60875 ГГц) и полос режекции (1,6106 ГГц) с одновременным обеспечением значений КСВ менее 1,25 и активных потерь менее 0,5 дБ в полосе пропускания шириной 0,98% (1,593÷1,60875 ГГц), а также вносимого затухания более 25 дБ в полосе режекции шириной 0,2% (1,6106÷1,6138 ГГц).
Достоинствами предложенной конструкции являются: возможность фильтрации СВЧ-сигналов большой мощности (до 100 Вт); отсутствие трудоемкой настройки, требующей наличия квалифицированного персонала и соответствующего контрольно-измерительного оборудования; при изготовлении предложенного фильтра на современных фрезерных станках с числовым управлением достигается реализуемость и высокая повторяемость требуемых характеристик СВЧ-фильтра; применение при изготовлении материалов типа инвар позволяет добиться высочайшей температурной стабильности характеристик фильтра, что не ограничивает использование СВЧ-фильтра в самых жестких условиях эксплуатации, таких как, например, условия открытого космоса.
Следует отметить, что использование фильтра в бортовом радиокомплексе накладывает дополнительные требования на массогабаритные характеристики. В этом случае можно вместо инвара использовать титан (ОТ4-0), который в 1,7 раза легче инвара и при определенной технологии изготовления (предварительный отжиг до фрезеровки) сохраняет стабильность характеристик при (заданных температурных режимах) работе в открытом космосе.
Источники информации
1. Д.Л.Маттей, Л.Янг, Е.М.Т.Джонс. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, т.2, М.: Связь, 1972, рис.12.01.1б, стр.179, глава 12.06, стр.191, рис.12.08.1, стр.202.
2. Дж.К.Саусворт. Принципы и применения волноводной передачи, М.: Советское радио, 1955, рис.IX.30, стр.322.
3. Рученков В.А., Камышев Т.В., Климов К.Н., Сестрорецкий Б.В. Проектирование режекторных волноводных фильтров для диплексера станций «Индия», М.: ОКБ МЭИ, Радиотехнические тетради, №30, 2004.
Режекторный волноводный многозвенный СВЧ-фильтр большой мощности, содержащий в каждом звене короткозамкнутый шлейф, соединенный с волноводом, отличающийся тем, что в каждом звене одна из внутренних стенок волновода снабжена согласующим элементом в форме выступа по всей ширине волновода, а противоположная сторона снабжена короткозамкнутым шлейфом, соединенным с волноводом через диафрагму, причем звенья фильтра имеют геометрические параметры, соответствующие требуемым амплитудно-частотным характеристикам, и размещены вдоль волновода на расстоянии в пределах от λ/4 до λ/2.
