Научная статья на тему 'Экспериментальное исследование частотных характеристик волноводно-щелевых мембран (вщм) и многозвенных фильтров на их основе в сантиметровом диапазоне длин волн'

Экспериментальное исследование частотных характеристик волноводно-щелевых мембран (вщм) и многозвенных фильтров на их основе в сантиметровом диапазоне длин волн Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
256
59
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫЕ МЕМБРАНЫ (ВЩМ) / МНОГОЗВЕННЫЕ СВЧ ФИЛЬТРЫ НА ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫХ МЕМБРАНАХ (МЗФВЩМ)

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Копылов Алексей Филиппович, Копылова Наталья Алексеевна

В работе представлены результаты экспериментального исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и частотных характеристик КСВН входа одиночных волноводно-щелевых мембран (ВЩМ) и многозвенных фильтров на их основе. Одиночные ВЩМ представляли собой тонкие металлические мембраны с прорезанными в них щелями шириной 1, 3, 7 и 22 мм и расположенными вдоль широкой стенки прямоугольного волновода сечением 15х35 мм. В экспериментальном макете мембраны зажимались между двумя волноводно-коаксиальными переходами и располагались поперек направления распространения электромагнитных волн. Исследования показали, что частотные характеристики одиночных мембран соответствуют характеристикам фильтров нижних частот со слабой избирательностью, а частотные характеристики многозвенных фильтров на каскадных соединениях мембран со щелями шириной 7 и 22 миллиметров с числом звеньев от 2 до 8 имеют вид частотных характеристик высокоизбирательных узкополосных режекторных фильтров или широкополосных полосно-заграждающих фильтров различных порядков в зависимости от структуры и числа звеньев фильтров. В работе даны практические рекомендации по конструированию ПЗФ на чередующихся ВЩМ с ширинами щелей 7 мм и 22 мм с наименьшими величинами КСВН входа.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Копылов Алексей Филиппович, Копылова Наталья Алексеевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Экспериментальное исследование частотных характеристик волноводно-щелевых мембран (вщм) и многозвенных фильтров на их основе в сантиметровом диапазоне длин волн»

w

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫХ МЕМБРАН (ВЩМ) И МНОГОЗВЕННЫХ ФИЛЬТРОВ НА ИХ ОСНОВЕ В САНТИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

Копылов Алексей Филиппович, Сибирский федеральный университет,

г. Красноярск

Копылова Наталья Алексеевна, Сибирский федеральный университет,

г. Красноярск

E-mail: kopaph@yandex.ru

Аннотация. В работе представлены результаты экспериментального исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и частотных характеристик КСВН входа одиночных волноводно-щелевых мембран (ВЩМ) и многозвенных фильтров на их основе. Одиночные ВЩМ представляли собой тонкие металлические мембраны с прорезанными в них щелями шириной 1, 3, 7 и 22 мм и расположенными вдоль широкой стенки прямоугольного волновода сечением 15х35 мм. В экспериментальном макете мембраны зажимались между двумя волноводно-коаксиальными переходами и располагались поперек направления распространения электромагнитных волн. Исследования показали, что частотные характеристики одиночных мембран соответствуют характеристикам фильтров нижних частот со слабой избирательностью, а частотные характеристики многозвенных фильтров на каскадных соединениях мембран со щелями шириной 7 и 22 миллиметров с числом звеньев от 2 до 8 имеют вид частотных характеристик высокоизбирательных узкополосных режекторных фильтров или широкополосных полосно-заграждающих фильтров различных порядков в зависимости от структуры и числа звеньев фильтров. В работе даны практические рекомендации по конструированию ПЗФ на чередующихся ВЩМ с ширинами щелей 7 мм и 22 мм с наименьшими величинами КСВН входа.

Ключевые слова: волноводно-щелевые мембраны (ВЩМ), многозвенные

129

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

СВЧ фильтры на волноводно-щелевых мембранах (МЗФВЩМ).

Введение

Исследованию СВЧ фильтров на основе прямоугольных волноводов посвящено большое количество работ, с кратким, но емким обзором которых можно ознакомиться в ИНТЕРНЕТе в разделе «wikipedia» [1]. В этом обзоре приведены практически все известные конструкции волноводных фильтров, широко используемые в настоящее время в технике СВЧ в системах связи, локации и навигации. Это касается и фильтров на основе тонких металлических мембран со сформированными в них окнами и щелями различной геометрической формы, устанавливаемых в прямоугольные волноводы. В ряде источников такие фильтры называют «filters with resonant irises» [2], однако, нам удобнее называть их «фильтры на волноводно-щелевых мембранах (ВЩМ)» [3,

4], и этой терминологии мы будем придерживаться в дальнейшем.

Конструкции фильтров на ВЩМ, методы исследования

Целью настоящей работы явилась оценка возможности использования о фильтров на ВЩМ для реализации фильтров сантиметрового диапазона длин волн СВЧ.

Для реализации этой цели мы провели экспериментальное исследование амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и частотных характеристик КСВН входа двух групп фильтров на волноводно-щелевых мембранах. Первая группа этих фильтров представляет собой четыре одиночных ВЩМ, каждая с одиночной щелью. Щель расположена вдоль широкой стенки волновода размеров 35х15 мм и смещена к краю этой широкой стенки рабочего окна (сечения) волновода; при этом каждая из ВЩМ отличается от других шириной щели. Вторая группа ВЩМ представляет собой фильтры, составленные из двух каскадно соединенных друг относительно друга ВЩМ: первая ВЩМ со щелью шириной 7 мм, и вторая ВЩМ со щелью шириной 22 мм; при этом число каскадов варьируется от 2 до 8. Экспериментальное исследование частотных характеристик ВЩМ первой группы фильтров (одиночных ВЩМ с одиночными щелями различной ширины) должно было показать тенденции изменения их АЧХ и КСВН входа при изменении ширины щели ВЩМ. Экспериментальное исследование частотных характеристик ВЩМ второй группы фильтров (многокаскадных фильтров на ВЩМ) должно было показать возможность использования каскадированных ВЩМ-структур в качестве фильтров СВЧ.

Схематический рисунок поперечного сечения рабочего окна волновода размерами 15х35 мм с расположенной в нем одиночной ВЩМ показан на Рис. 1. Ширина щели ВЩМ на этом рисунке обозначена как “B”.

130

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

Для экспериментального исследования АЧХ и КСВН входа одиночных ВЩМ мы выбрали мембраны с четырьмя величинами ширин щели “B”: 1 мм, 3 мм, 7 мм и 22 мм. Такой диапазон ширин щелей ВЩМ-структур был выбран из соображений наибольшего удобства реализации волноводно-щелевых мембран при использовании наиболее простой технологии их изготовления.

При проведении исследований мы измеряли АЧХ и частотную характеристику КСВН входа, так как эти характеристики, на наш взгляд, наиболее информативны для выбора как элементов будущих фильтров на ВЩМ, так и структуры будущих многокаскадных фильтров на ВЩМ.

Рис. 1 Схематический рисунок поперечного сечения рабочего окна волновода с расположенной в нем ВЩМ

Измерения частотных характеристик структур на ВЩМ проводились в диапазоне 5,4...8,5 ГГц с использованием измерительной установки, собранной по схеме, показанной на Рис. 2.

Измерительная установка функционирует следующим образом. Генератор качающейся частоты (ГКЧ) вырабатывает синусоидальный СВЧ сигнал, который модулируется частотой 100 кГц. С ГКЧ сигнал поступает на первый направленный ответвитель НО1 (ответвитель падающей волны), который включен «на проход». Часть сигнала с НО1 (примерно 1/100 часть, или -20 дБ) ответвляется на детектор Д1, детектируется и далее огибающая этого сигнала поступает на коаксиальный тройник (Т-разветвитель), с которого идет на вход канала падающей волны индикатора 1 (индикатор канала затуханий) и на вход сигнала падающей волны индикатора 2 (индикатор канала КСВН, или отражений). Основной же сигнал проходит через первый коаксиальный направленный ответвитель НО1 на второй коаксиальный направленный ответвитель НО2, включенный «на отражение». Включенный «на отражение» НО2 ответвляет 1/100 (-20 дБ) часть сигнала, отраженного от первого

131

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

волноводно-коаксиального перехода ВКП1 и подает его на детектор Д2. С детектора Д2 огибающая сигнала отраженной волны поступает на вход канала отраженной волны индикатора 2 через коаксиальный кабель, обозначенный на Рис. 2 как «Отраженная волна». Основной сигнал проходит далее через второй коаксиальный направленный ответвитель НО2 и ряд коаксиальных переходов на первый волноводно-коаксиальный переход ВКП1, далее на исследуемую волноводно-щелевую мембранную структуру ВЩМ, затем на второй волноводно -коаксиальный переход ВКП2 и далее через ряд коаксиальных переходов на третий направленный ответвитель (ответвитель проходящей волны) НО3. Ответвитель проходящей волны НО3 ответвляет 1/100 часть проходящей через него мощности основного сигнала (-20 дБ) и через детектор Д3 огибающая этого ответвленного сигнала по коаксиальному кабелю (обозначен как «Проходящая волна» на Рис.2) поступает на вход канала прошедшей волны индикатора 1 (канала затуханий).

Рис. 2 Схема установки для измерения АЧХ и КСВН входа фильтров на ВЩМ

132

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

Прошедший через НО3 основной сигнал через ряд коаксиальных переходов поступает на согласованную нагрузку Ri, которая имеет КСВН входа около 1,05. При такой схеме включения индикатор 1 канала затуханий показывает АЧХ измеряемой системы ВЩМ (в совокупности со всеми влияющими на эту величину параметрами элементов СВЧ тракта), а индикатор 2 канала отраженной волны показывает частотную характеристику КСВН входа исследуемой системы ВЩМ в заданном диапазоне частот ГКЧ. Как видно из приведенного описания, такой состав измерительной установки и

соответствующая ему схема включения позволяет одновременно наблюдать на экране индикатора 1 канала проходящего сигнала АЧХ измеряемой системы ВЩМ, а на экране индикатора 2 отраженного сигнала - частотные характеристики КСВН входа измеряемой системы ВЩМ. При этом реализуется возможность калибровки канала проходящего сигнала и канала отраженного сигнала независимо друг от друга на индикаторах соответствующих каналов: на индикаторе 1 - канала проходящего сигнала (АЧХ) и на индикаторе 2 - канала отраженного сигнала (КСВН входа).

3 2

Рис. 3 Фотография установки для измерения АЧХ и КСВН входа

фильтров на ВЩМ

133

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

На Рис. 4 а показана фотография одиночной ВЩМ с шириной щели 7 мм, на Рис. 4 б - фотография исследованной одиночной ВЩМ с шириной щели 22 мм. Эти ВЩМ являются основой для построения исследованных нами далее многокаскадных фильтров на ВЩМ. На этих рисунках на фотографии ВЩМ с ширинами щелей 7 мм и 22 мм для большей наглядности наложен рисунок контура рабочего сечения волновода (выделен жирными линиями), а также указаны размеры рабочего части сечения волновода и ширины щелей ВЩМ.

Контур рабочего сечения волновода

О

Контур рабочего сечения волновода

35 мм

1

Рис. 4. Фотографии одиночных ВЩМ: а - с шириной щели 7 мм,

б - с шириной щели 22 мм

о

Результаты экспериментального исследования частотных характеристик одиночных ВЩМ

На Рис. 5 а, б - Рис. 8 а, б приведены результаты измерений частотных характеристик четырех одиночных ВЩМ в диапазоне частот 5,4...8,5 ГГц. На Рис. 5 а, Рис. 6 а, Рис. 7 а, Рис. 8 а (рисунки с индексами «а») показаны

амплитудно-частотные характеристики одиночных мембран с ширинами щелей B = 1 мм, B = 3мм, B = 7 мм и B = 22 мм, соответственно. На Рис. 5 б, Рис. 6 б, Рис. 7 б, Рис. 8 б (рисунки с индексами «б») показаны частотные характеристики КСВН входа одиночных ВЩМ с ширинами щелей B = 1 мм, B = 3мм, B = 7 мм и B = 22 мм, соответственно.

По вертикальной оси на рисунках с индексами «а» (Рис. 5 а, Рис. 6 а, Рис. 7 а, Рис. 8 а) отложены значения модуля коэффициента передачи по мощности

|Кр| в децибелах. На рисунках с индексами «б» (Рис. 5 б, Рис. 6 б, Рис. 7 б, Рис.

8 б) по вертикальной оси отложены значения КСВН в относительных единицах. По горизонтальной оси на всех рисунках Рис. 5 а, б - Рис. 8 а, б отложены

134

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

значения частот в диапазоне от 5 ГГц до 9 ГГц.

Описывая далее результаты экспериментальных исследований, мы для удобства изложения материала, будем чаще пользоваться определением «затухание» сигнала, проходящего через те или иные исследуемые нами

структуры, чем понятием «коэффициент передачи мощности |КР| », имея в виду, что это взаимообратные величины.

Заметим, что при проведении измерений мы фиксировали показания в отдельных частотных точках, а использование генератора качающейся частоты было необходимо для калибровки измерительной системы во всем заданном диапазоне частот, а также для общего просмотра АЧХ устройств во всем диапазоне работы ГКЧ от 5,4 ГГц до 8,5 ГГц.

о

о

Эй

<D

В

О

н

о

03

н

к

<D

К

-©н

-©н

О

§

hQ

п

£

о

2

Рис. 5. Частотные характеристики первой одиночной мембраны с шириной щели 1 мм: а - амплитудно-частотная характеристика, б - частотная характеристика КСВН входа

о

135

a

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

Масштаб на Рис. 5 а, б - Рис. 8 а, б как по оси частот, так и по осям затуханий (Рис. 5 а, Рис. 6 а, Рис. 7 а, Рис. 8 а) и КСВН входа (Рис. 5 б, Рис. 6 б, Рис. 7 б, Рис. 8 б) для одноименных величин мы выдержали одинаковым для всех рисунков для удобства сравнения полученных частотных характеристик одиночных ВЩМ как между собой, так и с полученными далее характеристиками многозвенных фильтров.

о

о

Рис. 6. Частотные характеристики второй одиночной мембраны с шириной щели 3 мм: а - амплитудно-частотная характеристика, б - частотная характеристика КСВН входа

136

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Использование относительно больших величин затуханий (величины KP

от 0 дБ до -30 дБ) на вертикальных осях Рис. 5а, Рис. 6 а, Рис. 7 а, Рис. 8 а для изображения относительно небольших значений затуханий, наблюдаемых при исследовании одиночных мембран (Рис. 5 а, б - рис. 8 а. б), обусловлено нашим желанием использовать масштаб этой величины, идентичный используемому далее при исследовании многозвенных фильтров на ВЩМ, где величины затуханий станут большими.

о

о

Рис. 7. Частотные характеристики третьей одиночной мембраны с шириной щели 7 мм: а - амплитудно-частотная характеристика, б - частотная характеристика КСВН входа

137

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

Начиная наши исследования, мы полагали, что все исследованные нами одиночные мембраны представляют собой емкостные диафрагмы в волноводе [5] и имеют частотные характеристики, характерные для фильтров нижних частот (ФНЧ).

о

о

CD

ЕГ

«

О

н

о

ей

Ё

CD

Я

К

•е

о

«

л

ч

к

о

Рис. 8. Частотные характеристики четвертой одиночной мембраны с шириной щели 22 мм: а - амплитудно-частотная характеристика, б - частотная характеристика КСВН входа

И действительно, амплитудно-частотные характеристики одиночных ВЩМ

138

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

(Рис. 5 а, Рис. 6 а, Рис. 7 а, Рис. 8 а) демонстрируют наклонную кривую с увеличением затухания в сторону верхних частот диапазона с различными углами наклона для ВЩМ с различной шириной щели, что характерно для АЧХ фильтров нижних частот.

Частотные зависимости КСВН входа волноводно-щелевых мембран (Рис. 5 б, Рис. 6 б, Рис. 7 б, Рис. 8 б) представляют собой ожидаемые кривые без аномалий, имеющие тенденцию к увеличению величины КСВН входа в направлении увеличения частоты (соответственно увеличению затухания), что также характерно для одноименных зависимостей ФНЧ. Как можно убедиться сравнивая между собой АЧХ одиночных мембран с различными ширинами щелей (Рис. 5 а, Рис. 6 а, Рис. 7 а, Рис. 8 а), с увеличением ширины щели ВЩМ наклон АЧХ в сторону верхних частот диапазона уменьшается, что легко объясняется уменьшением неоднородности, вносимой в волновод щелевой мембраной при увеличении величины ширины щели. Частотные характеристики КСВН входа показывают уменьшения величин КСВН входа одиночных ВЩМ при увеличении ширин щели, соответствующие уменьшению затуханий, вносимых в волноводный тракт ^ этими мембранами. о

Для удобства восприятия, мы свели численные значения основных частотных характеристик одиночных ВЩМ в Табл. 1 и далее по тексту будем пользоваться ссылками как на рисунки, показывающие АЧХ и частотные характеристики КСВН входа одиночных ВЩМ, так и на данные Табл. 1.

Так, размер первой одиночной мембраны с шириной щели 1 мм наиболее существенно отличается от размера узкой стенки выбранного нами волновода (15 мм) и поэтому вносит наибольшую неоднородность в волновод. Его АЧХ показывает величину вносимых потерь, достигающую 13 дБ на частоте 8,3 ГГц (Рис. 5 а). Соответственно этому, частотная зависимость КСВН входа этой мембраны, приведенная на Рис. 5 б, показывает монотонное увеличение КСВН в сторону верхних частот; при этом максимальная величина КСВН входа одиночной мембраны достигает величин в несколько десятков относительных единиц на верхних частотах диапазона. Минимальные потери сигнала, как видно из Рис. 5 а, эта ВЩМ вносит в диапазоне частот 5,4...5,5 ГГц в пределах от 3 до 5 дБ. В совокупности проявленных свойств, полученные частотные зависимости одиночной ВЩМ с шириной щели 1 мм соответствуют ярко выраженной АЧХ фильтра нижних частот. Значения КСВН входа для 1-о миллиметровой мембраны ко -леблются от величины несколько более 2-х относительных единиц на частоте минимальных потерь и до нескольких десятков относительных единиц на частотах максимального затухания (Рис. 5 б, Табл. 1). Таким образом, наблюдаемое одновременное увеличение вносимых в СВЧ тракт потерь с соответствующим увеличением величин КСВН входа на тех же частотах свидетельствует о том, что

139

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

внесение мембраной потерь происходит за счет отражения СВЧ сигнала от входа мембраны.

Вторая одиночная мембрана со щелью шириной 3 мм обладает частотными характеристиками, аналогичными тем, что и одиночная мембрана со щелью шириной 1 мм, и также соответствует явно выраженной АЧХ фильтра нижних частот. Однако, она вносит потери уже менее 10 дБ на частоте 8,3 ГГц (Рис. 6 а), а в диапазоне 5,4...5,5 ГГц имеет потери сигнала всего на уровне 2-3 дБ. Частотная зависимость КСВН входа одиночной ВЩМ с шириной щели 3 мм (Рис. 6 б) также соответствует аналогичной характеристике ФНЧ и показывает монотонное увеличение величины КСВН входа от 2,0 до 16,0 относительных единиц с ростом частоты от 5.4 ГГц до 8,5 ГГц пропорционально увеличению затухания от минимального до максимального значений. При этом угол наклона АЧХ этой 3-х мм ВЩМ меньше, чем угол наклона АЧХ ВЩМ с шириной щели 1 мм. Частотная характеристика КСВН входа 3-х миллиметровой щели имеет угол наклона, противоположный углу наклона АЧХ, что свидетельствует о том, что затухание, вносимое ВЩМ, по-прежнему, как и для 1-о миллиметровой ВЩМ, определяет-^ ся отражением СВЧ сигнала от входа мембраны. Сравнение частотных характе- о ристик КСВН входа 1-о миллиметровой щели (Рис. 5 б) и 3-х миллиметровой щели (Рис. 6 б) показывает, что величина КСВН входа уменьшается с увеличением ширины ВЩМ, что явно отражает факт уменьшения неоднородности, вносимой в волноводный тракт одиночной щелевой мембраной при увеличении ширины щели этой ВЩМ (см. также данные по характеристикам 3-х мм ВЩМ в Таблице 1).

ВЩМ с еще более широкой одиночной щелью величиной 7 мм (третья одиночная мембрана) вносит потери на частоте 8,3 ГГц только до 5 дБ, а в диапазоне 5,4.5,5 ГГц она имеет потери сигнала менее 1 дБ (Рис. 7 а, Табл. 1), то есть, существенно меньше, чем вторая одиночная мембрана со щелью шириной 3 мм (Рис. 6 а) и тем более, чем первая одиночная мембрана со щелью шириной 1 мм (Рис. 5 а). АЧХ третьей одиночной щели также можно назвать характеристикой ФНЧ, но с еще более слабо выраженной частотной зависимостью затухания, чем у второй и первой одиночных щелей. Значения величин КСВН входа третьей одиночной мембраны со щелью шириной 7 мм (Рис. 7 б) укладываются в диапазоне от 1,4 до 3,8 относительных единиц, что также существенно меньше соответствующих величин КСВН входа второй одиночной мембраны со щелью шириной 3 мм (Рис. 6 б), лежащих в пределах от 2,0 до 16 относительных единиц, и тем более величин КСВН входа первой одиночной мембраны со щелью шириной 1 мм (Рис. 5 б), лежащих в пределах от 2,2 нескольких десятков относительных единиц.

Наименьшие потери как на частоте 8,3 ГГц (до 5 дБ), так и на частотах

140

о

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

5,4...5,5 ГГц (существенно менее 1 дБ) вносит одиночная мембрана с шириной щели 22 мм (четвертая одиночная мембрана из первой группы исследованных нами ВЩМ). Её АЧХ (Рис. 8 а) соответствует АЧХ фильтра нижних частот с еще более слабо выраженным затуханием, чем АЧХ первой (со щелью шириной 1 мм), второй (со щелью шириной 3 мм) и третьей (со щелью шириной 7 мм) ВЩМ. Частотная характеристика величины КСВН входа четвертой одиночной мембраны (Рис. 8 б) практически во всем диапазоне принятых нами частот от 5,4 ГГц до 8,3 ГГц показывает значения не более 2-х относительных единиц, и только на верхнем краю диапазона частот исследования доходит до величины чуть менее 6-ти относительных единиц

Кроме перечисленных выше тенденций, экспериментальные измерения как амплитудно-частотных характеристик одиночных ВЩМ (Рис. 5 а - Рис. 8 а), так и частотных характеристик КСВН входа одиночных ВЩМ (Рис. 5 б - Рис. 8 б), показывают существенное уменьшение неравномерности этих характеристик по мере увеличения величины ширины щелей этих ВЩМ. Например, с увеличением ширины щели уменьшается неравномерность АЧХ от примерно 10 дБ для ^ первой одиночной щели шириной 1 мм до примерно 8 дБ для второй одиночной о щели шириной 3 мм и менее, чем до 5 дБ для третьей одиночной щели шириной 7 мм и четвертой одиночной щели шириной 22 мм (см. Табл. 1, пятый столбец). Величина неравномерности частотной характеристики КСВН входа для первой одиночной щели шириной 1 мм составляет несколько десятков относительных единиц, для второй одиночной щели шириной 3 мм - около 14 относительных единиц, для третьей одиночной щели шириной 7 мм - около 3-х относительных единиц и для четвертой одиночной щели шириной 22 мм - около 5-ти относительных единиц (см. Табл. 1, последний столбец).

Таким образом, проведенные эксперименты по измерению амплитудночастотных характеристик первой группы исследованных нами фильтров, представляющих собой одиночные волноводные щелевые мембраны, показывают, что с увеличением ширины щели одиночной ВЩМ, фильтрующие свойства таких структур ухудшаются, но при этом уменьшаются и минимально возможные потери, которые неизбежно вносят такие ВЩМ в волноведущие СВЧ структуры, а также уменьшается неравномерность их АЧХ и частотной характеристики КСВН входа.

141

о

Таблица 1

Основные результаты измерений АЧХ и частотных характеристик КСВН

входа четырех одиночных ВЩМ

№ В Щ м ? П \ п Ширина щели В (в соот-ветств ИИ с Рис. 1), мм Минимальное значение вносимого затухания на частоте, ДБ (ГГц), в соответствии с рисунком Максимальное значение вносимого затухания на частоте, ДБ (ГГц), в соответствии с рисунком Общая нерав-номер-ность затухания в диапазоне частот 5,4... 8,5 ГГц, дБ, в соответствии с рисунком Минимальное значение КСВН входа на частоте, отн. ед. (ГГц), в соответствии с рисунком Максимальное значение КСВН входа на частоте, отн. ед. (ГГц), в соответствии с рисунком Общая неравномерность КСВН входа в диапазоне частот 5,4...8,5 ГГц, отн. ед., в соответствии с рисунком

1 1 3,0 дБ 13,0 дБ (8,2...8,3) 10,0 дБ 2,2 отн. ед. Десятки отн.ед. Десятки отн. ед.

(5,7) ГГц ГГц (5,5) ГГц (7,9; 8,5) ГГц

Рис. 5 а Рис. 5 а Рис. 5 а Рис. 5 б Рис. 5 б Рис. 5 б

2 3 2,0 дБ 10,0 дБ 8,0 дБ 2,0 отн.ед. 16,0 отн. ед. 14,0 отн. ед.

(5,7) ГГц (8,3) ГГц (5,5) ГГц (8,5) ГГц

Рис. 6 а Рис. 6 а Рис. 6 а Рис. 6 б Рис. 6 б Рис. 6 б

3 7 0,5 дБ 5,0 дБ 4,5 дБ 1,4 отн. ед. (5,5) 3,8 отн. ед. 2,4 отн. ед.

(5,5...5,6) ГГц (8,3) ГГц ГГц (8,5) ГГц

Рис. 7 а Рис. 7 а Рис. 7 а Рис. 7 б Рис. 7 б Рис. 7 б

4 22 0,3 дБ (5,5... 5,0 дБ 4,2 дБ 1,3 отн. ед. (6,0) 5,8 отн. ед. 3,5 отн. ед.

5,6) ГГц (8,5) ГГц ГГц (8,4) ГГц

Рис. 8 а Рис. 8 а Рис. 8 а Рис. 8 б Рис. 8 б Рис. 8 б

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

Результаты экспериментального исследования частотных характеристик многозвенных фильтров на ВЩМ

Опираясь на результаты измерения АЧХ четырех одиночных мембран из первой группы исследованных нами фильтров на ВЩМ (Рис. 5 а, б - Рис. 8 а, б, Табл. 1), мы решили реализовать СВЧ фильтры, имеющие существенно более сильно выраженные частотоизбирательные характеристики, используя принцип каскадирования одиночных ВЩМ. При этом для нас не имело значения, какой именно тип АЧХ будет иметь будущий фильтр, то есть, будет ли он фильтром нижних частот (ФНЧ), фильтров верхних частот (ФВЧ), полосно-пропускающим фильтром (ППФ) или полосно-заграждающим фильтром (ПЗФ). На текущем этапе исследования нам важно было получить СВЧ фильтр с минимальными величинами потерь в полосе (полосах) пропускания и максимальными значениями величин потерь в полосе (полосах) задерживания.

Для решения этой задачи мы разработали вариант конструкции фильтра, представляющий собой комбинацию каскадно включенных между собой одиночных мембран с ширинами щелей 7 мм и 22 мм. Комбинация именно этих ^ ВЩМ была выбрана из следующих соображений. По совокупности шести о параметров, приведенных в Табл. 1, таких как минимальные потери и максимальное вносимое затухание, минимальная неравномерность АЧХ, минимальный и максимальный входной КСВН, а также неравномерность частотной характеристики КСВН входа, ВЩМ с шириной щели 7 мм представляется нам оптимальной из набора четырех одиночных ВЩМ с ширинами щелей 1 мм, 3 мм, 7 мм и 22 мм. ВЩМ с шириной щели 22 мм близка по своим свойствам к ВЩМ с шириной щели 7 мм: она вносит на нижних частотах заданного диапазона частот минимальные потери при минимальном значении КСВН входа, обеспечивает достаточно явно выраженный характер частотных характеристик затухания (АЧХ) и КСВН входа, а также обеспечивает минимальные неравномерности АЧХ и частотной характеристики КСВН входа, практически такие же, как и ВЩМ с шириной щели 7 мм. Иными словами, одиночная ВЩМ с шириной щели 22 мм по свойствам АЧХ и КСВН входа практически идентична ВЩМ с шириной щели 7 мм. В то же время, из классической практики разработки и реализации фильтрующих устройств известно [6], что при каскадировании элементов фильтров наилучшие результаты дает использование элементов с наиболее различающимися между собой неоднородностями. Иными словами, если использовать те или иные реактивные элементы для построения фильтров, то наиболее явно выраженная частотная характеристика затухания будет иметь место тогда, когда использованные при построении фильтра реактивные элементы будут иметь максимально отличающиеся друг от друга величины реактивностей. В нашем

143

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

случае использования одиночных ВЩМ, увеличению соотношения

реактивностей, вносимых в регулярный волновод одиночными мембранами, соответствует увеличение соотношения величин ширин щелей этих мембран, поэтому каскадно к одиночной ВЩМ с шириной щели 7 мм мы решили подключить одиночную ВЩМ с шириной щели 22 мм. Толщина 7-ми миллиметровой ВЩМ была выбрана равной 1 мм и определялась только фактором механической прочности. Толщина 22-х миллиметровой ВЩМ была выбрана равной примерно 1/8 длины волны на частоте 6 ГГц (это составило 6 мм) для уменьшения взаимных отражений между элементами будущего фильтра, состоящего из каскадно включенных между собой 7-ми и 22-х миллиметровых мембран.

На Рис. 9 а, б приведены экспериментальная АЧХ (Рис. 9 а) и частотная характеристика КСВН входа двухзвенного фильтра (Рис. 9 б), состоящего из двух каскадно включенных одиночных волноводно-щелевых мембран по принципу «7 -ми мм мембрана + 22-х мм мембрана».

Как видно из Рис. 9 а, двухкаскадная структура, составленная из двух ^ одиночных волноводно-щелевые мембран, включенных по принципу «одиночная о ВЩМ с шириной щели 7 мм + одиночная ВЩМ с шириной щели 22 мм», по типу амплитудно-частотной характеристики представляет собой полоснозаграждающий фильтр (ПЗФ) с явно выраженной резонансной характеристикой, имеющей затухание около 27 дБ на частоте примерно 7,8 ГГц. Такую характеристику следует отнести к категории узкополосных режекторных фильтров. Частотная зависимость КСВН входа (Рис. 9 б) этой двухкаскадной структуры также соответствует характеристике режекторного фильтра с максимальным отражением СВЧ сигнала от входа фильтра на частоте, близкой к частоте режекции (КСВН входа составляет несколько десятков на частоте 7,9 ГГц) и минимальным отражением в диапазоне частот пропускания фильтра (КСВН входа не более 1,5 на частотах 5,6.. .5,7 ГГ ц).

Поскольку двухзвенный фильтр, составленный из двух одиночных волноводно-щелевые мембран, включенных по принципу «одиночная ВЩМ с шириной щели 7 мм + одиночная ВЩМ с шириной щели 22 мм», является конструкцией несимметричной, мы решили, что определенный интерес могут представлять частотные характеристики двухзвенного фильтра, составленного также из двух одиночных волноводно-щелевые мембран, но включенных по принципу «одиночная ВЩМ с шириной щели 22 мм мембрана + одиночная ВЩМ с шириной щели 7 мм».

Далее для краткости мы будет использовать обозначение фильтров на комбинации одиночных ВЩМ, опуская постоянно повторяющееся выражение «одиночная ВЩМ с шириной щели.», то есть, вместо обозначения «одиночная

144

о

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

ВЩМ с шириной щели 22 мм + одиночная ВЩМ с шириной щели 7 мм» используем термин «22 мм + 7 мм» и так далее для фильтров с другим числом звеньев.

о

к

v

«

о

н

о

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

й

Ё

к

иг

к

й

о

и

л

£

о

2

О

Рис. 9. Частотные характеристики двухзвенного фильтра со структурой «7-ми мм мембрана + 22-х мм мембрана»: а - амплитудно-частотная характеристика, б - частотная характеристика КСВН входа

145

о

На Рис. 10 а, б соответственно представлены экспериментальные АЧХ и частотная характеристика КСВН входа двухкаскадного фильтра, составленного по принципу «22 мм + 7 мм».

Как видно из Рис. 10 а, экспериментальная АЧХ двухкаскадного фильтра, составленного из одиночных ВЩМ по принципу «22 мм + 7 мм», представляет собой частотную характеристику узкополосного режекторного фильтра с величиной максимального затухания до 30 дБ на частоте около 7,9 ГГц аналогично тому, как это наблюдалось для АЧХ двухкаскадного фильтра, составленного по принципу «7 мм + 22 мм» (Рис. 9 а).

о

о

Рис. 10. Частотные характеристики двухзвенного фильтра со структурой «22-х мм мембрана + 7-ми мм мембрана»: а - амплитудно-частотная характеристика,

б - частотная характеристика КСВН входа

о

146

а

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

Частотная характеристика КСВН входа двухзвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм» (Рис. 10 б) также практически аналогична одноименной частотной характеристике фильтра со структурой «7 мм + 22 мм» (Рис. 9 б), и также полностью соответствует частотной характеристике КСВН режекторного фильтра с максимальным отражением на частотах задерживания и минимальным - на частотах пропускания.

Сравнивая между собой экспериментальные АЧХ прямого включения двухзвенной структуры («7 мм + 22 мм», АЧХ на Рис. 9 а) и обратного включения этой структуры («22 мм + 7 мм», АЧХ на Рис. 10 а), можно заметить, что по типу АЧХ этих структур идентичны - в обоих случаях это резонансная АЧХ режекторного ПЗФ, с существенным затуханием в полосе режекции (до 30 дБ на частоте около 7,8...7,9 ГГц) для двухзвенной структуры «22 мм + 7 мм» и относительно небольшими потерями в полосе пропускания (менее 1 дБ для частот 5,3 - 5,9 ГГц) для структуры «7мм + 22 мм». В этом случае мы склонны отдать предпочтение структуре двухзвенного фильтра «7мм + 22 мм» из-за того, что она имеет меньшие потери в полосе пропускания, чем структура «22 мм + 7 ^ мм». Частотные характеристики КСВН входа двухзвенной структуры «22 мм + 7 о мм» (Рис. 10 б) практически аналогичны соответствующим частотным характеристикам КСВН входа структуры «7мм + 22 мм» и соответствуют одноименным характеристикам, характерным для режекторного фильтра.

Для большей наглядности и простоты сравнения между собой частотных характеристик многозвенных фильтров на ВЩМ, мы свели данные с основными характерными параметрами фильтров в Таблицу 2. В качестве основных характерных параметров фильтров мы выбрали следующие:

- минимальное значение вносимого фильтром затухания во всем диапазоне исследования фильтров от 5,4 ГГц до 8,5 ГГц с указанием частоты (частот), на которой (которых) достигается такое затухание (4-й столбец Таблицы 2), в дБ;

- максимальное значение вносимого фильтром затухания во всем диапазоне исследования фильтров от 5,4 ГГц до 8,5 ГГц с указанием частоты (частот), на которой (которых) достигается такое затухание (5-й столбец Таблицы 2), также в дБ, и с указанием величины КСВН входа фильтра, соответствующего максимальному вносимому им затуханию в относительных единицах;

- неравномерность АЧХ в диапазоне частот подавления в дБ с указанием этого диапазона частот в ГГц (столбец 6 Таблицы 2);

- минимальное значение КСВН входа фильтра во всем диапазоне исследования фильтров от 5,4 ГГц до 8,5 ГГц с указанием частоты (частот), на которой (которых) достигается это значение (значения) КСВН (7-й столбец Таблицы 2), в относительных единицах;

- максимальное значение КСВН входа фильтра во всем диапазоне

147

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

исследования фильтров от 5,4 ГГц до 8,5 ГГц с указанием частоты (частот), на которой (которых) достигается это значение (значения) КСВН (8-й столбец Таблицы 2), в относительных единицах.

Первый столбец Таблицы 2 содержит информацию о числе звеньев исследуемых фильтров, второй столбец указывает на структуру фильтра, третий столбец обозначает качественный вид АЧХ фильтра.

Наиболее важным результатом экспериментальных измерений АЧХ и КСВН входа двухзвенных фильтров со структурой «7 мм + 22 мм» (Рис. 9 а, б) и со структурой «22 мм + 7 мм» (Рис. 10 а, б) явилось то, что в результате каскадирования двух одиночных ВЩМ со слабо выраженными частотными зависимостями, одна с шириной щели 7 мм (Рис. 7 а, б), а вторая с шириной щели 22 мм (Рис. 8 а, б) как с одной, так и с другой последовательностью чередования этих ВЩМ, удалось реализовать полосно-заграждающие фильтры с глубокой режекцией и небольшими потерями в полосе пропускания. После получения таких результатов логично предположить, что с целью определения предельных возможностей улучшения частотоизбирательных свойств фильтров ^ на основе каскадного включения одиночных ВЩМ следует увеличить число о каскадов фильтров и измерить частотные характеристики многокаскадных структур. Таким путем в своих исследованиях мы и пошли, решив последовательно наращивать число звеньев многозвенного фильтра на ВЩМ. Для удобства дальнейшего изложения, будем называть фильтры на основе каскадного включения одиночных ВЩМ не только многокаскадными фильтрами, но и «фильтрами на чередующихся волноводно-щелевых мембранах» и станем применять этот далее термин в удобных для этого случаях.

На Рис. 11 а, б показаны экспериментальные частотные характеристики трехзвенного фильтра, состоящего из трех каскадно включенных между собой одиночных волноводно-щелевых мембран с чередующейся структурой «7 мм +

22 мм + 7 мм». Рис. 11 а демонстрирует амплитудно-частотные характеристики, Рис 11 б - частотные характеристики КСВН входа такого фильтра.

Сравнение полученных АЧХ и частотных характеристик КСВН входа трехзвенного фильтра, имеющего структуру «7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 11 а, б) с одноименными характеристиками двухзвенного фильтра со структурой «7 мм +

22 мм» (Рис. 9 а, б), показывает, что с увеличением числа звеньев произошло два вида изменений в этих характеристиках - изменения, носящие заранее прогнозируемый и ожидаемый характер, и изменения, появление которых для нас было неожиданным. К изменениям, носящим заранее прогнозируемый и ожидаемый характер при увеличении числа звеньев фильтра, можно отнести следующие:

- во-первых, улучшилась избирательность и крутизна скатов амплитудно-

148

о

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

частотной характеристики;

- во-вторых, уменьшились потери в полосе прозрачности в нижней части АЧХ (нижний скат АЧХ);

- в-третьих, уменьшилась полоса частот режекции фильтр, т.е. увеличилась добротность фильтра;

- в-четвертых, уменьшились потери в полосе прозрачности в верхней части АЧХ (верхний скат АЧХ).

о

о

Рис. 11. Частотные характеристики трехзвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм»: а - амплитудно-частотная характеристика, б - частотная характеристика КСВН входа

149

о

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

К изменениям, неожиданным для нас при проведении исследований, следует отнести резкое изменение значения частоты режекции трехзвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм» (частота максимального затухания стала 6,4...6,5 ГГц, Рис. 11 а) по сравнению со значением частоты режекции, наблюдаемой ранее для двухзвенных фильтров со структурами «7 мм + 22 мм» (частота максимального затухания была 7,8...7,9 ГГц, Рис. 9 а) и «22 мм + 7 мм» (частота максимального затухания была 7,75 ГГц, Рис. 10 а). При этом величина вносимого на резонансной частоте (частоте режекции) затухания практически не изменилась.

Мы полагаем, что произошедшее неожиданное резкое изменение частоты режекции связано с порядком расположения одиночных ВЩМ в трехзвенном фильтре. Логично предположить, что резкое уменьшение частоты режекции фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм» обусловлено тем, что именно в такой структуре впервые из всех исследованных нами до этого комбинаций одиночных и каскадированных ВЩМ, между двумя одиночными мембранами с шириной щели 7 мм и толщиной 1 мм оказывается включенной ВЩМ с ^ шириной щели 22 мм и толщиной 6 мм. Мы считаем, что, поскольку толщина 22- о х миллиметровой мембраны выбрана близкой к 1/8 длины волны на частоте около 6 ГГц, то на частотах, близких к значению 6 ГГц, взаимные переотражения между мембранами с шириной щели 7 мм становятся минимальными, так как мембрана с шириной щели 22 мм становится трансформатором импедансов, и это приводит к перестройке частоты режекции всего фильтра с частот 7,8 - 7,9 ГГц и 7,75 ГГц наблюдавшихся ранее для двухзвенных фильтров со структурой «7 мм + 22 мм» (Рис. 9 а) и «22 мм + 7 мм» (Рис. 10 а), соответственно, на частоты 6,4.6,45 ГГц (Рис. 11 а) для фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм». Нам представляется, что эту версию подтверждает тот факт, что значение величины КСВН входа на частотах 6,0.6,45 ГГц (Рис. 11 б) составляет всего около 5 относительных единиц при значении затухания на этой частоте (Рис. 11 а) около 29 дБ (это максимальное затухание фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм»), что существенно меньше, чем КСВН входа на других частотах, например, на частотах 7,2.7.4 ГГц, где КСВН входа достигает значения 8 относительных единиц, а затухание составляет всего около 10 дБ. Иными словами, в прехзвенном фильтре, представляющем собой каскадное включение одиночных ВЩМ со структурой «одиночная ВЩМ с шириной щели 7 мм + одиночная ВЩМ с шириной щели 22 мм + одиночная ВЩМ с шириной щели 7мм (структура «7 мм + 22 мм + 7 мм»), наблюдается существенное

несоответствие частотного расположения максимального затухания и максимального значения КСВН входа фильтра. Мы полагаем, чт о несоответствие частоты максимального затухания (затухание около 29 дБ на

150

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

частоте около 6,45 ГГц) частоте максимального КСВН входа (КСВН около 8 относительных единиц на частоте около 7,3 ГГц) в фильтре этой конструкции обусловлено тем, что на частоте максимального затухания происходит не отражение энергии от входа фильтра, а противофазное сложение энергии волны, падающей на входную плоскость звена ВЩМ с шириной щели 22 мм, с энергией отраженной от выходной плоскости этого же звена волны, внутри конструкции фильтра. Мы думаем, это происходит за счет того, что толщина 22-х миллиметрового звена составляет 6 мм, что близко к 1/8 длины волны на частоте около 6 ГГц. Заметим, что для трехзвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм» величина КСВН входа существенно уменьшилась по сравнению с КСВН входа двухзвенных фильтров и составляет не более 8-ми относительных единиц (Рис. 11 б), тогда, как для двухзвенных фильтров как со структурой «7 мм + 22 мм» (Рис. 9 б) и со структурой «22 мм + 7 мм» (Рис. 10 б), максимальные величины КСВН входа составляли несколько десятков относительных единиц и около 18,0 относительных единиц, соответственно. Этот факт мы также объясняем включением в структуру фильтра одиночной ВЩМ с шириной щели ^ 22 мм, толщина которой равна 6 мм, что близко 1/8 длины волны на частоте о около 6 ГГц и, судя по всему, оказывает соответствующее влияние на уменьшение КСВН во всем диапазоне частот исследований фильтров. Таким образом, включение в структуру фильтров на ВЩМ волноводно-щелевого элемента, толщина которого близка к 1/8 длины волны на некоторой частоте в рабочем диапазоне фильтра, приводит к резкому уменьшению величины КСВН входа фильтра как на частоте максимального затухания, так и во всем рабочем диапазоне частот. В результ ат е применения т акого т ехнического приема оказывается, что трехзвенный фильтр со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм» обладает величиной КСВН входа, существенно меньшей, чем двухзвенный фильтр как со структурой «7 мм + 22 мм» (Рис. 9 б, КСВН входа составляет несколько десятков на 7,9 ГГц), так и со структурой «22 мм + 7 мм» (Рис. 10 б, КСВН входа доходит до 18 относительных единиц в диапазоне частот 7,5...7,75 ГГц). Все указанные выше данные внесены нами в Табл. 2, строки 2 и 3.

На Рис. 12 а, б показаны экспериментальные частотные характеристики трехзвенного фильтра, состоящего из трех каскадно включенных между собой одиночных волноводно-щелевых мембран со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм». Рис. 12 а демонстрирует амплитудно-частотные характеристики, Рис 12 б -частотные характеристики КСВН входа такого фильтра.

Анализ частотных характеристик, представленных на Рис. 12 а и Рис. 12 б показывает, что трехзвенный фильтр со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм» сохраняет не только качественный вид АЧХ, характерный для режекторного фильтра (Рис. 12 а), но и имеет резонансную частоту около 7,9 ГГц, то есть,

151

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

практически равную той, которая была у двухзвенных фильтров как со структурой «7 мм + 22 мм» (Рис. 9 а), так и со структурой «22 мм + 7 мм» (Рис.

10 а). Максимальная величина КСВН входа трехзвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 12 б) достигает значения 19,0 относительных единиц, что существенно больше величины КСВН входа трехзвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм» (8,0 относительных единиц, Рис. 11 б), но существенно меньше максимальной величины КСВН входа двухзвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм» (десятки относительных единиц, Рис. 9 б), и примерно равно одноименному значению двухзвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм» (16,0... 18,0 относительных единиц, Рис. 10 б). Такое положение дел можно объяснить порядком чередования одиночных мембран со щелями 7 мм и 22 мм в конструкции фильтра «22 мм + 7 мм + 22 мм», которая не содержит в своей внутренней структуре элементов, препятствующих преобразованию СВЧ энергии, отражаемой фильтром в полосе задерживания, в энергию противофазного сложения, что способствовало бы уменьшению величины КСВН входа фильтра при сохранении большой величины затухания в ^ нем. Именно так обстоит дело в фильтре со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм» с о ВЩМ, ширина щели которой равна 22 мм, а толщина ВЩМ равна 6 мм. В конструкции фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм» отсутствует элемент между мембранами с шириной щелей 7 мм и вследствие этого не происходит трансформации импеданса внутри фильтра, и, как следствие, в частотных характеристиках фильтров господствуют тенденции, характерные для 2-звенных фильтров, полностью отражающих поданную на них энергию СВЧ сигнала в полосе режекции с совпадением частот максимального затухания и максимального значения КСВН входа в этих фильтрах. В то же время, сопоставление частот максимального затухания СВЧ сигнала (Рис. 12 а, затухание 30 дБ на частоте 7,9 ГГц) и максимального значения КСВН входа фильтра (Рис. 12 б, частота 7,6 ГГц, величина КСВН входа составляет около 20), а также частот минимального значения КСВН входа (Рис. 12 б, частота 7,8...7,9 ГГц, величина КСВН входа составляет около 4) показывают, что некая трансформация сопротивлений внутри фильтра со структурой «22 мм + 7 мм +

22 мм» все же существует, иначе частоте максимального затухания точно соответствовала бы частота максимального значения КСВН входа, а на частоте минимального затухания наблюдалось бы минимальное значение КСВН входа фильтра.

Продолжая экспериментальное исследование многозвенных фильтров на ВЩМ, мы увеличили число звеньев фильтра до четырех и измерили, как и ранее, АЧХ и частотные характеристики КСВН входа фильтров на ВЩМ со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 13 а, б) и «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7

152

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

мм» (Рис. 14 а, б). На Рис. 13 а показана экспериментальная АЧХ, на Рис. 13 б -экспериментальная частотная характеристика КСВН входа четырехзвенного фильтра, состоящего из четырех каскадно включенных между собой одиночных волноводно-щелевых мембран со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм».

о

X

я

о

н

о

й

н

X

я

К

я

о

и

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

л

я

о

о

Рис. 13. Частотные характеристики четырехзвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм»: а - амплитудно-частотная характеристика, б - частотная характеристика КСВН входа

153

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

На Рис. 14 а показана экспериментальная АЧХ, на Рис. 14 б -экспериментальная частотная характеристика КСВН входа четырехзвенного фильтра, состоящего из четырех каскадно включенных между собой одиночных волноводно-щелевых мембран со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм».

о

о

о

сг

«

о

н

о

Й

н

X

(D

Я

К

0 и л

1

Рис. 14. Частотные характеристики четырехзвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм»: а - амплитудно-частотная характеристика, б - частотная характеристика КСВН входа

154

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

Анализируя поведение амплитудно-частотных характеристик

четырехзвенных фильтров со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 13 а) и АЧХ фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 14 а), прежде всего, отметим большую схожесть этих характеристик между собой. Наиболее важным общим свойством АЧХ фильтров обеих структур, на наш взгляд, является то, что в АЧХ фильтра этих структур оформились два полоснозаграждающих режекторных резонанса (два «горба» амплитудно-частотной характеристики, работающие «на поглощение» или работающие «на отсос энергии»), то есть, четырехзвенный фильтр с комбинацией ВЩМ с шириной щели 7 мм и с шириной щели 22 мм имеет АЧХ двугорбого режекторного фильтра. Первый по шкале частот резонанс наблюдается на АЧХ как фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 13 а), так и для фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 14 а) на частоте около 6,65 ГГц и обусловлен, как мы полагаем, наличием в структуре четырехзвенного фильтра ВЩМ с шириной щели 22 миллиметра с толщиной 6 мм, включенной между двумя ВЩМ с шириной щели 7 мм и толщиной 1 мм. Мы думаем, что это ^ подтверждает предположение о том, что ВЩМ с шириной щели 22 миллиметра с о толщиной 6 мм представляет собой, как уже говорилось ранее, трансформатор импедансов длиной около 1/8 длины волны на частоте 6 ГГц, а в сочетании с каскадным включением этой ВЩМ между двумя ВЩМ с шириной щели 7 мм и толщиной 1 мм этот конструктивный блок дает эффект режекции на частоте, лежащей в области значений частот 6,4...6,65 ГГц («низкочастотный» горб АЧХ) при минимальном КСВН входа на этих частотах. В самом деле, этот «низкочастотный» горб появился в наших экспериментах впервые в АЧХ трехзвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм» (см. Рис. 11 а), когда ВЩМ с шириной щели 22 мм толщиной 6 мм впервые была включена между двумя ВЩМ с шириной щели 7 мм и толщиной 1мм. Этот горб АЧХ был расположен на частоте около 6,45 ГГц. Однако, теперь этот горб расположен на несколько более высокой частоте, около 6,65 ГГц, что можно объяснить тем, что за счет увеличения числа звеньев фильтра за счет 7-ми миллиметровых мембран толщиной 1 мм, влияние ВЩМ с шириной щели 7 мм становится сильнее, так как число этих мембран увеличивается, и они «тянут» частоту резонанса, обусловленного наличием в фильтре 6-ти миллиметровой по толщине и со щелью 22 миллиметра мембраны, вверх по частоте. Второй по шкале частот горб АЧХ («высокочастотный») сформировался в фильтрах обеих структур на частоте около 7,9 ГГц. Этот резонанс обусловлен, как мы себе это представляем, наличием в составе фильтров ВЩМ с шириной щели 7 мм толщиной 1 мм. Таким образом, в частотном интервале от 6,65 ГГц до 7,9 ГГц в четырехзвенных фильтрах формируется некая полоса задерживания, и фильтр по мере

155

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

увеличения числа звеньев превращается из узкополосного режекторного в широкополосный полосно-заграждающий фильтр (ПЗФ). Кроме того, с увеличением числа звеньев увеличивается крутизна ската АЧХ фильтров, уменьшаются потери в полосах пропускания, расположенных по краям полосы задерживания, что наблюдается, в частности, для четырехзвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 14 а) по сравнению с АЧХ трехзвенных фильтров. Так, величина вносимых потерь для четырехзвенного фильтра как со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм», так и со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм», лежит в пределах 0,3.. .1,5 дБ на частотах от 5,4 ГГц до 5,9 ГГц и в пределах 4,5.12 дБ на частоте 8,5 ГГц, в то время, как для трехзвенных фильтров эти величины лежат соответственно в пределах 0,5.2,0 дБ для частот от 5,4 ГГц до 5,9 ГГц и в пределах 2,0.6,0 дБ на частоте 8,5 ГГ ц.

Что касается частотных характеристик КСВН входа четырехзвенных фильтров со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 13 б) и со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 14 б), можно сказать, что эти характеристики соответствуют амплитудно-частотным характеристикам этих ^ фильтров и подтверждают те тенденции, что наблюдались ранее для трезвенных о фильтров. Фильтр со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» обладает существенно меньшими значениями величин КСВН входа (максимальное значение КСВН составляет не более 17 в диапазоне частот 7,0.7,4 и на частоте 7,9 ГГц), чем фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (максимальное значение КСВН входа составляет несколько десятков на частот 6,9 ГГц). То есть, фильтр, конструкция которого имеет структуру, организованную по принципу «тонкие резонансные мембраны с минимальными величинами ширин щелей, разделенные толстыми мембранами с

максимальными величинами ширин щелей, толщина которых соизмерима с 1/8 длины волны для средней частоты рабочего диапазона частот», имеет существенно меньшие величины КСВН входа, чем фильтр, который имеет структуру, организованную по принципу «толстые мембраны с максимальными величинами ширин щелей, толщина которых соизмерима с 1/8 длины волны для средней частоты рабочего диапазона частот, разделенные тонкими резонансными мембранами с минимальными величинами ширин щелей»; при этом АЧХ этих фильтров практически одинаковы как типу частотной характеристики, так и по значениям характерных частот и вносимых затуханий.

Этот вывод подтверждается и значениями КСВН входа фильтров на частотах максимального затухания: для фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» КСВН входа составляет не более 6,0 в диапазоне частот полосы запирания 6,65.7,9 ГГ ц, а для фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» КСВН входа достигает 7,9 в том же диапазоне частот полосы запирания

156

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

6,65...7,9 ГГц.

Получив эти интересные и несколько неожиданные для нас результаты при исследовании трех- и четырехзвенных фильтров, мы решили продолжить увеличение числа звеньев фильтров на ВЩМ с целью исследования дальнейшего поведений частотных характеристик многозвенных фильтров на ВЩМ предложенной нами конструкции.

На Рис. 15 а, б показаны экспериментальные АЧХ и частотные

характеристики КСВН входа пятизвенного фильтра, состоящего из пяти каскадно включенных между собой одиночных волноводно-щелевых мембран со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм».

о

Рис. 15. Частотные характеристики пятизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм»: а - амплитудно-частотная характеристика, б - частотная характеристика КСВН входа

157

о

На Рис. 16 а, б показаны экспериментальные АЧХ и частотные характеристики КСВН входа пятизвенного фильтра, состоящего из пяти каскадно включенных между собой одиночных волноводно-щелевых мембран со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм».

-5

U Щ. -10

дг Г

К -Q-

•в* &

-& а. -15

К

£

S? -20

Он

1)

и

-25

-30

8 9

Частота, ГГц

О

о

о

н

о

ч

Ё

D

(?)

§

4

Ч

ч

1)

и

н

о

М~

CQ

U

Ч

Ч

О

X

оа

о

о

3 и

4 ч о

РЭ

х

20

16

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

14

12

10

8 9

Частота, ГГц

Рис. 16. Частотные характеристики пятизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм»: а - амплитудно-частотная характеристика, б - частотная характеристика КСВН входа

Анализ частотных характеристик пятизвенных фильтров со структурами «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» и «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» дает нижеследующие результаты.

о

158

0

5

6

7

а

6

4

2

1

5

7

6

б

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

1. АЧХ пятизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 15 а) представляет одногорбую кривую режекторного типа, аналогичную АЧХ трехзвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 11 а) с резонансом на частоте около 6,45 ГГц и затуханием около 30 дБ для обоих фильтров. Отличие между АЧХ пятизвенного и трехзвенного фильтров состоит в том, что величина максимального затухания пятизвенного фильтра составляет 30 дБ, а трехзвенного - около 29 дБ. Кроме того, АЧХ пятизвенного фильтра имеет несколько более широкую полосу частот запирания по уровню затухания 27 дБ (около 200 МГц, примерно от 6,35 до 6,55 ГГц), тогда как полоса частот запирания трехзвенного фильтра не превышает 100 МГц, примерно от 6,4 до 6,5 ГГц по уровню затухания 26 дБ; мы объясняем столь существенное расширение полосы запирания увеличением количества звеньев фильтра и связанной с этим большей расстройкой связанной резонансной системы пятизвенного фильтра по сравнению со связанной резонансной системой трехзвенного фильтра.

2. АЧХ пятизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм

+ 22 мм» (Рис. 16 а) представляет двугорбую кривую с двумя частотами о режекции, аналогично тому, как это было для четырехзвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 13 а) и четырехзвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 14 а). Частоты режекции также практически совпадают и находятся примерно в тех же пределах, что и ранее для фильтров с числом звеньев от 2 до 4 - для низкочастотного резонанса - 6,45...6,65 ГГц, для высокочастотного резонанса -

7.8.. . 7,9 ГГ ц при несколько большей величине затухания на частотах режекции -до 30 дБ. Таким образом, для пятизвенных фильтров вновь наблюдаются тенденции формирования их АЧХ как одиночного режекторного типа (Рис. 15 а), так и широкополосного полосно-заграждающего фильтра (Рис. 16 а). Отмечается продолжение тенденции формирования АЧХ типа широкополосного ПЗФ (Рис.

15 а, Рис. 16 а) по мере увеличения числа звеньев фильтра. Заметим, что потери на нижнем краю диапазона частот по сравнению с четырехзвенными фильтрами (0,3.1,5 дБ в диапазоне частот 5,4.5,9 ГГц, Рис. 13 а, Рис. 14 а) заметно уменьшаются для фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (0,3.0,5 дБ в диапазоне частот 5,4.5,9 ГГц, Рис. 16 а). Потери также несколько уменьшаются и на верхнем краю диапазона задерживаемых частот с величины 6,0 дБ на частоте 8,5 ГГц для четырехзвенных фильтров до величины

3.0. 4.0 дБ на частоте 8,5 ГГц (рис. 13 а, Рис. 14 а) для пятизвенных фильтров (Рис. 15 а, Рис. 16 а), что объясняется, на наш взгляд, продолжающимся процессом увеличения крутизны скатов амплитудно-частотной характеристики, также наблюдаемой при увеличении числа звеньев фильтра.

159

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

3. Максимальный КСВН входа пятизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 15 б, максимальное значение КСВН около

10,0 относительных единиц в диапазоне частот 7,0...7,4 ГГц) остался практически на уровне КСВН входа трехзвенного (Рис. 11 б, максимальное значение КСВН около 8,0 относительных единиц в диапазоне частот 7,0.7,3 ГГц), и существенно меньше, чем даже КСВН входа двухзвенных фильтров как со структурой «7 мм + 22 мм» (Рис. 9 б, КСВН входа составляет несколько десятков относительных единиц на частоте 7,9 ГГц), так и со структурой «22 мм + 7 мм» (Рис. 10 б, КСВН входа достигает 18,0 относительных единиц в диапазоне частот 7,5.7,75 ГГц). При этом качественный вид частотной характеристики КСВН входа пятизвенного фильтра практически идентичен качественному виду частотной характеристики КСВН входа трехзвенного фильтра.

4. Максимальные величины КСВН входа для пятизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 15 б, максимальный КСВН составляет около 10,0 относительных единиц для диапазона частот 7,0.

^ 7,3 ГГц) радикально меньше максимальной величины КСВН входа для о пятизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 16 б, максимальный КСВН составляет несколько десятков относительных единиц на частотах около 6,9 ГГц и 7,4 ГГц).

Продолжая процесс исследования частотных характеристик многозвенных фильтров на ВЩМ, перейдем к измерению этих характеристик для шестизвенных фильтров. На Рис. 17 а, б приведены: экспериментальная АЧХ (Рис. 17 а) и экспериментальная частотная характеристика КСВН входа (Рис. 17 б) шестизвенного фильтра, состоящего из шести каскадно включенных между собой одиночных волноводно-щелевых мембран со структурой «7 мм + 22 мм +

7 мм + 22 мм + 7 мм +22 мм». На Рис. 18 а, б показаны экспериментальная АЧХ (Рис. 18 а) и экспериментальная частотная характеристика КСВН входа (Рис. 18 б) шестизвенного фильтра, состоящего из шести каскадно включенных между собой одиночных волноводно-щелевых мембран со структурой «22 мм + 7 мм +

22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм».

Анализ частотных характеристик шестизвенных фильтров со структурами «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 17 а, б) и «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 18 а, б) показывает нижеследующее.

I. АЧХ шестизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 17 а) представляет собой двугорбую АЧХ широкополосного полосно-заграждающего фильтра с двумя явно выраженными максимумами затухания на частотах 6,45.6,8 ГГц (затухание более 30 дБ) и 7,6 ГГц (затухание также более 30 дБ), что соответствует общей тенденции,

160

о

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

отмеченной ранее для исследованных нами многозвенных фильтров с большим числом звеньев, начиная с четырехзвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 13 а), далее продолжавшейся для четырехзвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 14 а), и затем наблюдаемой для пятизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм +

7 мм + 22 мм» (Рис. 16 а). При этом максимумы затухания становятся менее явно выраженными, а неравномерность АЧХ внутри полосы задерживания уменьшается. Так, если для четырехзвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 13 а) неравномерность АЧХ внутри полосы задерживания составляла около 13 дБ (величина затухания составляла от 29 дБ на частотах 6,6 ГГц и 7,9 ГГц до 16 дБ на частоте 7,4 ГГц), для четырехзвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 14 а) неравномерность была около 12 дБ (величина затухания составляла от 28 дБ на частоте 6,6 ГГц и в диапазоне частот 7,8...7,9 ГГц до 16 дБ в диапазоне частот

7,1...7,3 ГГц), для пятизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм +

7 мм + 22 мм» (Рис. 16 а) неравномерность была около 8-9 дБ (величина ^ затухания составляла от 28 дБ на частоте 6,6 ГГц и 29 дБ в диапазоне частот о

7.7.7.9 ГГц до 20 дБ на частоте 6,9 ГГц), то для рассматриваемого в настоящий момент шестизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 17 а) неравномерность АЧХ внутри полосы задерживания существенно меньше и составляет около 5 дБ (от 30 дБ в диапазоне частот

6.45.6.9 ГГц и на частоте 7,6 ГГц до 25 дБ в диапазоне частот 7,1.7,45 ГГц). АЧХ шестизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 18 а) также представляет собой АЧХ широкополосного полосно -заграждающего фильтра с двумя явно выраженными максимумами затухания: на тех же частотах 6,45.6,8 ГГц, что и для шестизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 17 а), но с несколько меньшим затуханием (около 26 дБ), и с затуханием около 27 дБ на частоте 7,8 ГГц, то есть, несколько выше по частоте, чем у фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм».

II. Величина потерь сигнала, вносимая на нижнем краю частотного диапазона полосы запирания шестизвенным фильтром со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» несколько уменьшаются (Рис. 17 а, потери составляют около 1,3 дБ на частоте 6 ГГц и всего около 0,3.0,7 дБ на частотах

5.4.5.7 ГГц), а вносимые шестизвенным фильтром со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» несколько увеличиваются (Рис. 18 а, потери составляют около 2,5 дБ также на частоте 6 ГГц и около 0,3.1,0 дБ на частотах

5.4.5.7 ГГц) по сравнению с величинами потерь сигнала, вносимыми на нижнем краю частотного диапазона полосы запирания четырехзвенным

161

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

фильтром со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 13 а, потери составляют около 1,5 дБ на частоте 6 ГГц) и потерями, вносимыми на нижнем краю частотного диапазона полосы запирания четырехзвенным фильтром со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 14 а, потери составляют около 1,5 дБ на частоте 6 ГГц), а также потерями, вносимыми пятизвенным фильтром со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 16 а, потери составляют около 1,5 дБ на частоте 6 ГГц).

III. Величина потерь сигнала, вносимая на верхнем краю частотного диапазона полосы запирания шестизвенным фильтром со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм», в частности, на частоте 8,5 ГГц, составляют около 5,5 дБ (Рис. 17 а) и остается примерно той же по сравнению с величиной

4,0 дБ для пятизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм +

7 мм» (Рис. 15 а) на той же частоте, и величина потерь сигнала, вносимая на верхнем краю частотного диапазона полосы запирания шестизвенным фильтром со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» около 3,0 дБ также на частоте 8,5 ГГц практически не меняется по сравнению с величиной около 3,0

^ дБ также на частоте 8,5 ГГц для пятизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 о мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 16 а).

IV. Неравномерность АЧХ в диапазоне частот подавления (полосе задерживания сигнала) для многозвенных фильтров с двугорбой АЧХ (начиная с четырехзвенных фильтров - см. Табл. 2) уменьшается с величин 13,0 дБ и 11,0 дБ для четырехзвенных фильтров со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» и «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм», и величин 10,0 дБ для пятизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм», до величин 6,0 дБ и 4,0 дБ соответственно для шестизвенных фильтров со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» и «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм».

V. Максимальный КСВН входа шестизвенных фильтров со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» и «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» составляет около 20,0 относительных единиц (Рис. 17 б, Рис. 18 б соответственно) и значительно превышает значение максимального КСВН входа пятизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (около 10,0 относительных единиц, Рис. 15 б), и практически равен величине КСВН входа пятизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (около 20,0 относительных единиц, Рис. 16 б).

VI. Величина КСВН входа шестизвенного фильтра со структурой «7 мм +

22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» лежит в пределах 4,0...6,5 относительных единиц в диапазоне частот максимального затухания 6,5...7,6 ГГц и существенно превышает величину КСВН входа пятизвенного фильтра со структурой «7 мм +

22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» на частотах максимального затухания 6,4.6,45

162

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

ГГц, лежащую в пределах 2,5.. .3,2 относительных единиц.

VII. Величина КСВН входа шестизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» лежит в пределах 4,8.8,0 относительных единиц в диапазоне частот максимального затухания 6,5.7,8 ГГц и существенно меньше величины КСВН входа пятизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» на частотах максимального затухания 6,45... 7,9 ГГ ц, лежащей в пределах 4,0... 20,0 относительных единиц.

VIII. Величина КСВН входа шестизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (4,0.6,5 относительных единиц в диапазоне частот максимального затухания 6,5.7,6 ГГц) существенно меньше величины КСВН входа шестизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» на частотах максимального затухания 6,5.7,8 ГГц, лежащей в пределах 4,8.8,0 относительных единиц.

о

о

8 9

Частота, ГГц

о

Рис. 17. Частотные характеристики шестизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм»: а - амплитудно-частотная характеристика, б - частотная характеристика КСВН входа

163

5

6

7

а

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

о

о

Рис. 18. Частотные характеристики шестизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм»: а - амплитудно-частотная характеристика, б - частотная характеристика КСВН входа

Сравнение между собой частотных характеристик шестизвенных фильтров со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм +22 мм» (Рис. 17 а, б) и со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм +7 мм» (Рис. 18 а, б), показывает некоторое преимущество фильтра типа «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм +22 мм» по величине затухания, вносимого в полосе задерживания, минимуму вносимых потерь в полосе пропускания на нижних частотах 5,4...6,0 ГГц, однако, шестизвенный фильтр со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм +7 мм» имеет явное преимущество по обеспечению минимальной

164

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

величины затухания на верхней частоте полосы прозрачности 8,5 ГГц, по минимальной величине неравномерности АЧХ в полосе подавления, а также по минимальному значению величины КСВН входа.

Следующими из исследованных нами фильтров были семизвенные фильтры со структурами «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм +22 мм + 7 мм» и «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм +22 мм + 7 мм + 22 мм». На Рис. 19 а показана экспериментальная АЧХ семизвенного фильтра, состоящего из семи каскадно включенных между собой одиночных волноводно-щелевых мембран со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм +22 мм + 7 мм», на Рис. 19 б -экспериментальная частотная характеристика КСВН входа этого фильтра. На Рис. 20 а показана экспериментальная АЧХ семизвенного фильтра, состоящего из семи каскадно включенных между собой одиночных волноводно-щелевых мембран со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм +22 мм + 7 мм + 22 мм», на Рис. 20 б - экспериментальная частотная характеристика КСВН входа этого фильтра.

Анализ частотных характеристик семизвенных фильтров со структурами ^ «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 19 а, б) и «22 мм + 7 о мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 20 а, б) позволяет заключить нижеследующее.

1. АЧХ семизвенного фильтра как со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм», так и со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм +

22 мм + 7 мм + 22 мм», представляют собой АЧХ типа АЧХ широкополосного полосно-заграждающего фильтра, которые невозможно отнести ни к АЧХ одногорбого типа, характерных для исследованных нами выше двухзвенных фильтров (Рис. 9 а, Рис. 10 а), трехзвенных фильтров (Рис. 11 а, Рис. 12 а),

пятизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис.

15 а), ни к АЧХ двугорбого типа, характерных для четырехзвенных фильтров со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 13 а) и со структурой «22 мм +

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

7 мм + 22 мм + 7 мм» Рис. 14 а), пятизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 16 а) и шестизвенных фильтров как со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 17 а), так и со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 18 а). Мы определили полученную для фильтров со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» и со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» АЧХ как «широкополосная, плоская». Таким образом, при увеличении числа звеньев фильтра до 7, вид АЧХ фильтра стал иным - она представляет собой широкополосную АЧХ полосно-заграждающего типа с плоской характеристикой затухания при практически нулевой неравномерности затухания в полосе задерживания на частотах от 6,4 ГГц до 7,9 ГГц, что не

165

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

наблюдалось ни для одного из исследованных нами выше фильтров с числом звеньев менее 7-ми.

2. Семизвенный фильтр со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» по уровню затухания сигнала около 27 дБ имеет полосу частот задерживания 6,4... 7,9 ГГц, что существенно больше полосы задерживания семизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм», который обеспечивает в полосе частот 6,5.6,85 ГГц затухание сигнала на уровне 30 дБ.

3. Величины потерь сигнала, вносимых на нижнем краю частотного диапазона полосы запирания семизвенным фильтром со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» несколько уменьшаются (Рис. 19 а, потери составляют около 1,0 дБ на частоте 6 ГГц и всего около 0,2.0,7 дБ на частотах 5,4.5,7 ГГц), а вносимые семизвенным фильтром со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» несколько увеличиваются (Рис. 20 а, потери составляют около 2,5 дБ также на частоте 6 ГГц и около 0,5.

1,0 дБ на частотах 5,4.5,7 ГГц) по сравнению с величинами потерь сигнала,

^ вносимыми шестизвенным фильтром со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 о мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 17 а, потери составляют около 1,3 дБ на частоте 6 ГГц).

4. Величина потерь сигнала, вносимая на верхнем краю частотного диапазона полосы запирания семизвенным фильтром со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм», в частности, на частоте 8,5 ГГц, составляют около 2,0 дБ (Рис. 20 а) и представляется существенно лучшей по сравнению с 5,5 дБ для шестизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 17 а), и также существенно лучшей, чем величина потерь сигнала, вносимая на верхнем краю частотного диапазона полосы запирания шестизвенным фильтром со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (около 3,0 дБ также на частоте 8,5 ГГц) и даже является лучшей по сравнению с величиной потерь для пятизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (около 3,0 дБ также на частоте 8,5 ГГц, Рис. 16 а).

5. Величина потерь сигнала, вносимая на верхнем краю частотного диапазона полосы запирания семизвенным фильтром со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (3,0 дБ на частоте 8,5 ГГц) несколько хуже, чем величина вносимых потерь семизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (2,0 дБ на частоте 8,5 ГГц).

6. Максимальный КСВН входа семизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» составляет около 11,0 относительных единиц (Рис. 19 б), что значительно меньше соответствующего значения максимального КСВН входа шестизвенных фильтров (в пределах

166

о

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

16,0...20,0 относительных единиц, Рис. 17 б, Рис. 18 б) и КСВН входа пятизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (около 20,0 относительных единиц, Рис. 16 б), а также немного ниже КСВН входа пятизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (около 10,0 относительных единиц, Рис. 15 б).

7. Величины КСВН входа семизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» лежат в пределах 3,5.5,2 относительных единиц в диапазоне частот максимального затухания 6,5.6,8 ГГц и являются минимальными для всех исследованных нами ранее в настоящей работе многозвенных фильтров на ВЩМ, кроме величин КСВН входа трехзвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм» (КСВН входа 4,0 относительных единицы на частоте 7,9 ГГц, Рис. 12 б) и пятизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм» (КСВН входа 2,5.3,2 относительных единиц в диапазоне частот 6,4.6,45 ГГц, Рис. 15 б).

8. Максимальные величины КСВН входа семизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» составляют

^ около 20,0 относительных единиц на частотах 6,85.6,9 ГГц и около 16,0 на о частоте 7,4 ГГц, что существенно больше соответствующих показателей для семизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» и практически совпадает с максимальными значениями этого параметра для всех предыдущих многозвенных фильтров, исследованных в настоящей работе, кроме двухзвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм» (максимальный КСВН входа достигает нескольких десятков относительных единиц на частоте 7,9 ГГц) и четырехзвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (максимальный КСВН достигает также нескольких десятков относительных единиц на частоте 6,9 ГГц).

Отметим, что, несмотря на то, что, как показано выше, по многим важным характеристикам семизвенный фильтр со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» превосходит семизвенный фильтр со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм», визуально АЧХ фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» выглядит предпочтительнее, чем АЧХ фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм +22 мм + 7 мм», демонстрируя более сформированный вид широкополосного ПЗФ, более близкий к идеальной прямоугольной форме амплитудно-частотной характеристики.

167

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

а

Частота, ГГц

б

Рис. 19. Частотные характеристики семизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм»: а - амплитудно-частотная характеристика, б - частотная характеристика КСВН входа

168

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

о

к

ЕГ

§

н

о

ей

Ё

К

ИГ

к

-е-

-е-

ел

О

И

Л

ч

ч

о

О

Рис. 20. Частотные характеристики семизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм»: а - амплитудночастотная характеристика, б - частотная характеристика КСВН входа

На Рис. 21 а, б показаны экспериментальные частотные характеристики восьмизвенного фильтра, состоящего из восьми каскадно включенных между собой одиночных волноводно-щелевых мембран со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм +22 мм + 7 мм + 22 мм»: на Рис. 21 а - АЧХ, на Рис. 21 б -

169

о

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

частотные характеристики КСВН входа фильтра.

На Рис. 22 а, б показаны экспериментальные частотные характеристики восьмизвенного фильтра, состоящего из восьми каскадно включенных между собой одиночных волноводно-щелевых мембран со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм +22 мм + 7 мм»: на Рис. 22 а - АЧХ, на Рис. 22 б -частотные характеристики КСВН входа фильтра.

о

о

ж

Г

g

о

сЗ

Ё

<D

Я

к

-в-

•в*

со

О

и

л

ч

о

а

б

Рис. 21. Частотные характеристики восьмизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм»: а - амплитудночастотная характеристика, б - частотная характеристика КСВН входа

170

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

о

к

ЕГ

§

н

о

ей

Ё

К

ИГ

к

-е-

-е-

ел

О

И

Л

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ч

ч

о

О

Рис. 22. Частотные характеристики восьмизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм»: а - амплитудночастотная характеристика, б - частотная характеристика КСВН входа

Анализ частотных характеристик восьмизвенных фильтров позволяет сделать нижеследующие выводы.

1. АЧХ восьмизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22

171

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

мм + 7 мм +22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 21 а) по сравнению со своим прототипом - семизвенным фильтром со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм +22 мм + 7 мм» (Рис. 19 а) имеет вид лучше сформированной характеристики широкополосного ПЗФ, более близкой к идеальной прямоугольной характеристике с более широкой полосой запирания. В самом деле, полоса запирания восьмизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм +

7 мм + 22 мм + 7 мм +22 мм + 7 мм + 22 мм» составляет 6,4.. .7,8 ГГц по уровню затухания 30 дБ с неравномерностью около 2,0 дБ, тогда, как полоса запирания семизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм +22 мм + 7 мм» составляет 6,5.6,8 ГГц по уровню затухания 30 дБ с неравномерностью около 11 дБ. Таким образом, при увеличении числа звеньев фильтра с 7-ми до 8-ми, произошло существенное расширение полосы задерживаемых фильтром частот с существенным улучшением вида АЧХ фильтра.

2. АЧХ восьмизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм +22 мм + 7 мм» (Рис. 22 а) по сравнению с его прототипом -

^ семизвенным фильтром со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 о мм +22 мм» (Рис. 20 а) приобретает вид двухступенчатой плоской характеристики затухания, не наблюдавшейся в исследованных нами выше фильтрах. Первая «ступень» АЧХ восьмизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм +22 мм + 7 мм» обеспечивает затухание около 29 дБ в диапазоне частот 6,3...7,0 ГГц, вторая «ступень» - затухание около 23,0.24,0 дБ в диапазоне частот 7,1.7,9 ГГц. Ширина полосы частот запирания в этом 8-звеном фильтре по сравнению с его 7-звенным прототипом увеличилась незначительно - с 6,4.7,9 ГГц по уровню затухания 27 дБ у семизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм +22 мм» до 6,3.7,9 ГГц по уровню затухания 24 дБ у восьмизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм +22 мм + 7 мм». Общая неравномерность АЧХ в полосе запирания в связи с образованием двухступенчатой плоской АЧХ достигает значения около 5,0.6,0 дБ при неравномерности АЧХ в пределах каждой из «ступеней» не более 1,0 дБ.

3. Величина потерь сигнала, вносимая на нижнем краю частотного диапазона полосы запирания восьмизвенным фильтром со структурой «7 мм +

22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм», несколько больше (около

6,0 дБ на частоте 6 ГГц, Рис. 21 а), чем величина потерь сигнала, вносимая его семизвенным фильтром-прототипом со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (около 4,0 дБ на частоте 6 ГГц, Рис. 19 а). Однако, на частотах 5,4.5,8 ГГц потери, вносимые восьмизвенным фильтром со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (0,5.

172

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

1,2 дБ, Рис. 21 а) очень мало отличаются от потерь, вносимых семизвенным фильтром со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (0,2...1,0 дБ, Рис. 19 а).

4. Величины потерь сигнала, вносимые на нижнем краю частотного диапазона полосы запирания восьмизвенным фильтром со структурой «22 мм +

7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (6,0 дБ на частоте 6 ГГц и 0,8...1,2 дБ в диапазоне частот 5,4.5,8 ГГц) практически равны потерям, вносимым на тех же частотах восьмизвенным фильтром со структурой «7 мм +

22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (6,0 дБ на частоте 6 ГГц и 0,5.. .1,2 дБ в диапазоне частот 5,4.5,8 ГГ ц).

5. Величина потерь сигнала, вносимая на верхнем краю частотного диапазона полосы запирания восьмизвенным фильтром со структурой «7 мм +

22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм», в частности, на частоте 8,5 ГГц, составляет около 6,0 дБ (Рис. 21 а) и оказывается по этому показателю хуже всех остальных многозвенных фильтров, исследованных нами выше, кроме двухзвенных (Рис. 9 а, Рис. 10 а).

6. Величина потерь сигнала, вносимая на верхнем краю частотного о диапазона полосы запирания восьмизвенным фильтром со структурой «22 мм +

7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» составляет около 3,0 дБ на частоте 8,5 ГГц (Рис. 22 а) и находится на уровне той же величины для той же частоты для семизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» (Рис. 20 а), а также для шестизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (Рис. 18 а), превосходит по этому показателю все остальные исследованные нами многозвенные фильтры на ВЩМ и уступает только четырехзвенному фильтру со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (2,0 дБ на частоте 8,5 ГГц, Рис. 14 а).

7. Максимальный КСВН входа восьмизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» составляет около

18.0 относительных единиц (Рис. 19), а восьмизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» составляет около

20.0 относительных единиц (Рис. 20 б), что превосходит одноименное значение двухзвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм» (десятки относительных единиц, Рис. 9 б), четырехзвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (десятки относительных единиц, Рис. 14 б), существенно уступает трехзвенному фильтру со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм» (КСВН входа равен

8.0 относительных единиц, Рис. 11 б), и находится в тех же пределах одноименных величин, что и для всех остальных исследованных нами фильтров.

Нам представляется, что по совокупности показателей основных характеристик, наилучшим из всех исследованных многозвенных фильтров на

173

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

комбинациях ВЩМ с шириной щели 7 мм и толщиной 1 мм и шириной щели 22 мм и толщиной 6 мм является семизвенный фильтр по структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм».

На Рис. 23 для большей наглядности проведенных экспериментов помещена фотография восьмизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм +7 мм +22 мм + 7 мм». ВЩМ толщиной 6 мм с шириной щели 22 мм обозначены на этом рисунке поз. 1, ВЩМ толщиной 1 мм с шириной щели 7 мм обозначены поз 2.

4

Рис. 23 Фотография восьмизвенного фильтра со структурой «22 мм + 7 мм + 22

мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм»

Как видно на Рис. 23, вертикальный габарит фильтра составляет 28 мм, а его длина и ширина равны размеру фланцев входного и выходного волноводно-коаксиальных переходов 3 и 4, соответственно.

174

о

Таблица 2

Основные результаты измерений АЧХ и частотных характеристик КСВН входа многозвенных

фильтров на ВЩМ

Чис- Струк- Вид Минимальное Максимальное Неравномер- Минималь- Максималь-

ло тура АЧХ значение вно- значение вносимо- ность АЧХ в ное значение ное значение

зве- фильтра симого затуха- го затухания на диапазоне ча- КСВН входа КСВН входа

ньев ния на частоте, частоте, стот подавления, на частоте, на частоте,

фил ДБ (ГГц), ДБ (ГГц), ДБ (ГГц), отн. ед. отн.ед.

ьтра в соответствии при КСВН входа, в соответствии с (ГГц), (ГГц).

с рисунком отн. ед., рисунком в соответ- в соответ-

в соответствии с ствии с ри- ствии с ри-

рисунком сунком сунком

1 2 3 4 5 6 7 8

7мм + Одногорбая 0,3... 1,0 дБ 28,0...29,0 дБ 1,0 дБ 1,5 отн. ед. десятки отн.

22 мм (5,4...5,9) ГГц (7,8...7,9) ГГц (7,8...7,9) ГГц (5,6... 5,7) ед.

2 12,0...8,0 дБ (8,1...8,5) ГГц десятки отн. ед. ГГц (7,9) ГГц

Рис. 9 а Рис. 9 а, б Рис. 9 а Рис. 9 б Рис. 9 б

22 мм + Одногорбая, 1,0...2,0 дБ 30,0 дБ 1,4 отн. ед. 16,0...18,0

7 мм остро- (5,4...5,9) ГГц (7,75) ГГц - (5,4) ГГц отн. ед.

резонансная 12,0...4,5 дБ 17,0 отн. ед. (7,5... 7,75)

(8,1...8,5) ГГц ГГц

Рис. 10 а Рис. 10 а, б Рис. 10 6 Рис. 10 6

7мм + Одногорбая 1,0...2,0 дБ 28,0...29,0 дБ 1,0 дБ 1,05...1,3 8,0 отн. ед.

22 мм + (5,4...5,9) ГГц (6,4...6,45) ГГц (6,4...6,45) ГГц отн.ед. (7,2) ГГц

3 7 мм 5,0;7,0;5,0 дБ 4,8...5,5 отн. ед. (5,4... 5,9)

(8,0;8,2... 8,3;8,5) ГГц ГГц

Рис. 11а Рис. 11 а, б Рис. 11а Рис. 116 Рис. 116

22 мм + Одногорбая, 0,5...2,5 дБ 30 дБ 1,05 отн. ед. 19,0 отн. ед.

7 мм + остро- (5,4...5,9) ГГц (7,9) ГГц - (5,4) (7,6)

22 мм резонансная 5,0 дБ (8,5) ГГц Рис. 12 а 4,0 отн. ед. Рис. 12 а, б Рис. 12 б Рис. 12 б

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

о

Продолжение Таблицы 2

1 2 3 4 5 6 7 8

7мм + Двугорбая 0,3... 1,5 дБ 29,0; 17,0; 30,0 дБ 13,0 дБ 1,03... 1,1 отн. 17,0 отн. ед.

22 мм + 7 (5,4...5,9) ГГц (6,65; 7,35; 7,9) ГГц (6,65...7,9) ГГц ед. (7,0...7,4; 7,9)

4 мм + 22 6,0 дБ 6,0 отн. ед. (5,4... 5,9)

ММ (8,5) ГГц

Рис. 13 а Рис. 13 а, б Рис. 13 а Рис. 13 б Рис. 13 б

22 мм + Двугорбая 0,3... 1,5 дБ 28,0; 17,0; 28,0 дБ 11,0 дБ 1,2... 1,5 отн. десятки отн.

7мм + (5,4... 5,9) (6,65; 7,0...7,2; (6,65...7,9) ГГц ед. ед.

22 мм + 7 2,0 дБ 7,8...7,9) ГГц Рис. 14 а (5,4... 5,9) (6,9)

ММ (8,5) ГГц 7,0 отн. ед. Рис. 14 б Рис. 14 б

Рис. 14 а Рис. 14 а, б

7мм + Одногорбая 0,3... 1,5 дБ 29,0...30,0 дБ 1,0 дБ 1,05... 1,3 отн. 10,0 отн. ед.

22 мм + 7 (5,4...5,9) ГГц (6,4; 6,45) ГГц (6,4...6,5) ГГц ед. (7,0... 7,3)

5 мм + 22 6,0;9,0;4,0 дБ 2,5...3,2 отн. ед. (5,4... 6,0)

мм + 7 (8,0;8,3;8,5) ГГц

ММ Рис. 15 а Рис. 15 а, б Рис. 15 а Рис. 15 б Рис. 15 б

22 мм + Двугорбая 0,3...0,5 дБ 29,0; 20,0; 30,0 дБ 10,0 дБ 1,4... 1,9 отн. 20,0 отн. ед.

7мм + (5,4...5,9) ГГц (6,45; 6,9; 7,7...'7,9) (6,45...7,9) ГГц ед. (6,9; 7,5)

22 мм + 7 3,0 дБ ГГц (5,4... 5,9)

мм + 22 (8,5) ГГц 10,0; 20,0; 4,0; отн.

ММ ед.

Рис. 16 а Рис. 16 а, б Рис. 16 а Рис. 16 6 Рис. 16 6

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

7мм + Двугорбая 0,3... 1,5 дБ 30,0 дБ 6,0 дБ 1,3 отн. ед. 20,0 отн. ед.

22 мм + 7 (5,4...6,0) ГГц (6,5...6,7; 7,6) ГГц (6,4...7,6) ГГц (5,4) (7,1... 7,2)

6 мм + 22 5,5 дБ 4,0...9,0; 6,5; отн.

мм + 7 (8,5) ГГц ед.

мм + 22 Рис. 17 а Рис. 17 а Рис. 17 б Рис. 17 б

ММ Рис. 17 а, б

22 мм + Двугорбая 0,3...2,5 дБ 26,0; 27,0 дБ 4,0 дБ 1,05 отн. ед. 20,0; 16,0 отн.

7мм + (5,4...6,0; 8,5) (6,5...6,8; 7,8) ГГц (6,4...7,9) ГГц (5,4...5,5) ед.

22 мм + 7 ГГц 8,0...4,8; 6,0; отн. (6,9; 7,4)

мм + 22 3,0 дБ ед.

мм + 7 (8,5) ГГц Рис. 18 а Рис. 18 6 Рис. 18 6

ММ Рис. 18 а Рис. 18 а, б

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

о

Продолжение Таблицы 2

1 2 3 4 5 6 7 8

7мм + Широко- 0,2... 1,0 дБ >30,0 дБ 0,0 дБ 1,05... 1,2 отн. 11,0 отн. ед.

22 мм + полосная, плос- (5,4...5,8) ГГц (6,5...6,8) ГГц (6,5...6,8) ГГц ед. (7,0... 7,2)

7 7 мм + кая 3,0;1,5;2,0 дБ 3,5...5,2 отн. ед. (5,4...5,8)

22 мм + (8,0;8,3;8,5) ГГц

7 мм + Рис. 19 а Рис. 19 а, б Рис. 19 а Рис. 19 6 Рис. 19 6

22 мм +

7 мм

22 мм + Широко- 0,5...2,5 дБ 27,0 дБ 0,0 дБ 1,05 отн. ед. 20,0; 16,0 отн.

7 мм + полосная, плос- (5,4...5,8) ГГц (6,4...7,9) ГГц (6,4...7,9) ГГц (5,6) ед.

22 мм + кая 3,0 дБ 3,8...20,0 отн. ед. (6,85...6,9;

7 мм + (8,5) ГГц 7,4)

22 мм + Рис. 20 а Рис. 20 а, б Рис. 20 а Рис. 20 б

7 мм + Рис. 20 б

22 мм

7мм + Широко- 0,5... 1,2 дБ >30,0 дБ 2,0 дБ 1,1; 1,4 отн. 18,0 отн. ед.

22 мм + полосная, плос- (5,4...5,8) ГГц (6,4...7,8) ГГц (6,4...7,8) ГГц ед. (7,2... 7,3)

8 7 мм + кая 4,2... 10 отн. ед. (5,8; 8,2)

22 мм + Рис. 21а Рис. 21 а, б Рис. 21а Рис. 216

7 мм + Рис. 216

22 мм +

7 мм +

22 мм

22 мм + Широко- 0,8... 1,2 дБ 29,0; 24,0 дБ 5,0 дБ 1,2; 2,2 отн. 20,0 отн. ед.

7 мм + полосная, плос- (5,4...5,8) ГГц (6,3...6,7,0;7,1...7,9) (6,3...7,9) ГГц ед. (6,9; 7,4)

22 мм + кая, с двумя 4,0...3,0 дБ ГГц (5,4...5,9;

7 мм + плоскостями (8,3...8,5) ГГц 5,0...20,0; 4,0...20,0 8,3... 8,5)

22 мм + отн. ед.

7 мм + Рис. 22 а Рис. 22 а, б Рис. 22 а Рис. 22 б

22 мм + Рис. 22 б

7 мм

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

Заключение

Проведенное нами экспериментальное исследование частотных характеристик одиночных волноводно-щелевых мембран (ВЩМ) и

многозвенных фильтров на их основе в сантиметровом диапазоне длин волн позволило сделать нам следующие выводы.

1. Одиночные волноводно-щелевые мембраны с простой геометрией в виде одиночной щели, расположенной вдоль широкой стенки волновода и смещенные к её краю, показывают относительно слабо выраженные частотно-селективные свойства и имеют АЧХ и частотные характеристики КСВН входа, характерные для фильтров нижних частот малых порядков и не имеют явно выраженных резонансных характеристик.

2. Двухкаскадные и трехкаскадные фильтры, состоящие из каскадно включенных между собой тонкой ВЩМ (толщиной 1 мм, или менее 0,1 длины волны на центральной частоте исследуемого диапазона) с шириной щели 7 мм и толстой (толщиной 6 мм, или около 1/8 длины волны на центральной частоте исследуемого диапазона) ВЩМ приобретают ярко выраженную АЧХ

^ режекторного резонансного типа с величиной затухания, вносимого на о резонансной частоте, порядка 28 дБ.

3. При увеличении числа каскадов в фильтрах на ВЩМ с чередующимися 7-ми и 22-х миллиметровыми щелями до четырех, АЧХ таких фильтров становится двугорбой с двумя режекторными горбами, каждый из которых соответствует наличию в фильтре ВЩМ со своей шириной щели.

4. Пятизвенный фильтр со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» показывает вновь одногорбую кривую АЧХ.

5. Пятизвенный фильтр со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм», а также последующие за ним шестизвенные фильтры вновь имеют ярко выраженную двугорбую кривую с двумя режекторными резонансами, каждый из которых соответствует наличию в фильтре ВЩМ со своей шириной щели.

6. Семи- и восьмизвенные фильтры с чередующимися 7-ми и 22-х миллиметровыми щелями имеют АЧХ типа широкополосного ПЗФ с плоской равномерной характеристикой затухания. При этом восьмизвенный фильтр со структурой «22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм» имеет двухступенчатую характеристику затухания.

7. Максимальные величины КСВН входа соответствуют по расположению на оси частот максимальному затуханию в фильтрах только для двухзвенных структур.

8. Максимальные величины КСВН входа перестают соответствовать по расположению на оси частот максимальному затуханию в фильтрах, начиная с трехзвенных структур, содержащих между тонкими ВЩМ (толщиной 1 мм, или

178

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

менее 0,1 длины волны на центральной частоте исследуемого диапазона) с шириной щели 7 мм толстые (толщиной 6 мм, или около 1/8 длины волны на центральной частоте исследуемого диапазона) ВЩМ, которые, по нашему представлению, обеспечивают уменьшение внутреннего отражения между тонкими и толстыми мембранами (ВЩМ) путем трансформации импедансов, вносимых в регулярный волновод этими ВЩМ, что обеспечивает компенсацию внутренних переотражений СВЧ энергии в конструкции фильтров.

9. Сопоставление экспериментальных данных по АЧХ и по частотным характеристикам КСВН входа фильтров с конструкциями фильтров, показывает, что наименьшее значение КСВН входа фильтров имеет место быть для трехзвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм» (максимальное затухание 29 дБ на частоте 6,45 ГГц, а максимальный КСВН входа 8,0 относительных единиц на частоте 7,2 ГГц), пятизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (максимальное затухание 30 дБ на частоте 6,45 ГГц, а максимальный КСВН входа 10,0 относительных единиц в диапазоне частот 7,0...7,3 ГГц), и для семизвенного фильтра со структурой «7 мм + 22 мм +

^ 7 мм + 22 мм + 7 мм + 22 мм + 7 мм» (максимальное затухание более 30 дБ в о диапазоне частот 6,5...6,8 ГГц, а максимальный КСВН входа 11,0 относительных единиц в диапазоне частот 7,0.7,2 ГГц), а исследованные нами фильтры других структур с противоположным порядком чередования ВЩМ с 7-ми и 22-х миллиметровыми щелями показывают максимальные величины КСВН в пределах от нескольких десятков единиц до 16,0.20,0 единиц. На наш взгляд, это свидетельствует о том, что для получения наилучших результатов с точки зрения обеспечения минимального КСВН входа фильтров при сохранении их остальных технических параметров, фильтры на ВЩМ следует каскадировать по принципу «тонкая (менее 0,1 длины волны на центральной частоте работы фильтра) узкая щель - толстая (порядка 1/8 длины волны на центральной частоте работы фильтра) широкая щель - вновь тонкая узкая щель.» и так далее, чередуя ВЩМ начиная с 7-миллиметровой и выдерживая общее число звеньев нечетным. Схематически такие конструкции показаны ниже на Рис. 24 а, б, в. На этих рисунках показан схематически вид с торца фильтра, представляющего собой набор ВЩМ с ширинами щелей 7 мм (толщиной 1 мм) и 22 мм (толщиной 6 мм), схематический рисунок которых в поперечном сечении рабочего окна волновода размерами 35х15 мм показан на Рис 1, а фотографии этих ВЩМ приведены на Рис. 4 а, б соответственно для 7 мм и 22 мм щелей.

10. Увеличение числа звеньев фильтров на ВЩМ приводит к улучшению избирательных свойств фильтров и оптимизирует АЧХ этих фильтров только до определенного числа звеньев, в случае наших исследований - до семи.

11. Наличие мембран с шириной щели 7 мм «поднимает» резонансную

179

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

частоту первого резонанса фильтра вверх по частоте от значения 6 ГГ ц (частота, на которой толщина ВЩМ с шириной щели 22 мм и толщиной 6 мм, приближается к 1/8 длины волны), а наличие мембран с шириной щели 22 мм «толкают» резонансную частоту фильтра вниз по частоте от значения 7,8 - 7,9 ГГц.

12. При увеличении числа звеньев фильтра полоса частот, заключенная между первым и вторым резонансами многозвенного фильтра на ВЩМ, сужается, АЧХ выравнивается в области частот запирания и, по мере увеличения числа звеньев, фильтр по типу АЧХ переходит из разряда резонансных режекторных в разряд полоснозаграждающих широкополосных.

13. С увеличением числа звеньев до 7-ми растет затухание в полосе заграждения формируемого ПЗФ, уменьшаются потери на краях полосы при переходе полосы задерживания в верхнюю и нижнюю полосы пропускания, увеличивается крутизна скатов АЧХ фильтров, то есть, с увеличением числа звеньев фильтра на ВЩМ его избирательные свойства улучшаются.

Перечисленные выше тенденции наблюдаются при увеличении числа ^ звеньев до 7-ми, а при числе звеньев, равном 8-ми, избирательные свойства о фильтров обоих структур начинают ухудшаться как в переходных полосах между пропусканием и задерживанием, так и внутри полосы задерживания.

Литература:

1. URL: http://en. wikipedia.org/wiki/ Waveguide_filter. Access Date 05.26.14.

2. Fano R.M., Lawson A.W. Microwave Filters Using Quarter Wave Couplings // Research Laboratory of Electronics, Massachusetts Institute of Technology, Technical Report No 8. June 28, 1946. 20 P. IDO RLE-TR-008-14266277.pdf.

3. Мосейчук Р.С., Копылова Н.А., Копылов А.Ф. Исследование резонанснощелевых топологических структур для создания волноводных фильтров СВЧ // Материалы VII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, посвящённой 50-летию первого полёта человека в космос. г. Красноярск, 19-25 апреля 2011 г. [Электронный ресурс] / отв. ред. О.А.Краев - Красноярск : Сиб. федер. ун-т., 2011.

4. Копылов А. Ф., Копылова Н. А., Патуров Д. Е. Исследование частотных характеристик щелевых структур в прямоугольном волноводе // Всероссийская научно-техническая конференция «Системы связи и радионавигации»: сб. тезисов / Научн. ред. акад. РАН В. Ф. Шабанов; отв. за вып. А. Н. Фролов. -Красноярск: ОАО «НПП «Радиосвязь», 2014. - 156 с. С. 14-16. ISBN 978-59905691-0-2.

5. Соркин А. Р Малогабаритные волноводные фильтры: расчет и

180

о

о

УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА

проектирование: Монография // Красноярск: Издательско-полиграфический центр Красноярского государственного технического университета, 2002. 210 с. ISBN 5-7637-0479-2.

6. Маттей Д. Л., Янг А., Джонс Е. М. Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи // Пер. с англ. под ред. Л.В. Алексеева, Ф.В. Кушнира. Т. 2. Москва: Связь, 1972, 496 с.

о

о

181

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.