CC BY
25
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №1
УДК 621.372.88
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕМИЗВЕННЫХ СВЧ ФИЛЬТРОВ НА КАСКАДНО ВКЛЮЧЕННЫХ ЩЕЛЕВЫХ МЕМБРАНАХ С ВЕЛИЧИНАМИ ЩЕЛЕЙ 1 ММ И 22 ММ В ПРЯМОУГОЛЬНОМ
ВОЛНОВОДЕ 35Х15 ММ
А.Ф. Копылов, Н.А. Копылова
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF FREQUENCY CHARACTERISTICS OF THE SEVEN-STAGE FILTERS REALIZED ON THE SLOT MEMBRANES WITH VALUES OF THE SLOTS ABOUT 1 MM AND 22 MM IN THE RECTANGULAR WAVEGUIDE WITH OPERATING SECTION 35X15 MM
A.F. Kopylov, N.A. Kopylova
Аннотация. В статье приведены конструкции и частотные характеристики двух семизвенных СВЧ фильтров, выполненных на каскадно включенных щелевых мембранах с величинами щелей 1 мм и 22 мм, помещенных в волновод рабочим сечением 35х15 мм. Показано, что в диапазоне 4,2...8,9 ГГц такие фильтры демонстрируют амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) широкополосного типа с двумя кратными полосами прозрачности и полосой задерживания между ними. Потери в полосах прозрачности составляют величины от 1,3 до 5 дБ, затухание в полосе задерживания достигает величин 70 дБ. Приведены частотные характеристики величины КСВН входа фильтров.
Ключевые слова: семизвенные СВЧ фильтры; каскадно включенные волноводно-щелевые мембраны.
Abstract. The paper presents the design and frequency characteristics of the two seven-stage microwave filters made on slot membranes cascaded with width of slot about 1 mm and 22 mm located in waveguide with operating section 35x15 mm. It is shown that in the range 4,2 ... 8,9 GHz such filters exhibit an amplitude-frequency characteristics (AFC) of broadband type with two multiple passbands and one stopband there between. The transmission losses in the passbands amounts to between 1,3 to 5 dB, and the attenuation in the stopband to values of more than 70 dB. In paper shows the frequency characteristics of VSWR values of input filters.
Key words: seven-stage microwave filters; cascaded waveguide-slotted membrane.
Введение
Ранее исследованию СВЧ фильтров на основе волноводно-щелевых мембран (ВЩМ) был посвящен ряд работ авторов настоящей статьи [1-7]. Эти исследования касались как моделирования и экспериментального измерения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и частотных характеристик КСВН входа простых щелей в рабочем сечении волновода 35х15 мм [1, 2], так и достаточно сложных многозвенных фильтров на их основе [3-7], представляющих собой каскадные соединения ВЩМ с ширинами щелей 7 мм и 22 мм. При этом конструкции фильтров представляли собой каскадное соединение ВЩМ с различным порядком чередования мембран с 7-ми мм и 22-х мм ширинами щелей. В частности, исследования многозвенных фильтров на ВЩМ с чередующимися щелевыми мембранами с 7-ми мм и 22-х мм ширинами щелей [3, 6, 7] показали, что оптимальное число звеньев в таких фильтрах составляет 7. При меньшем количестве звеньев величина затухания, вносимого фильтром в полосе задерживания, может быть увеличена без существенного увеличения потерь, вносимых фильтрами в полосе прозрачности.
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №1
В настоящей работе мы провели экспериментальное исследование АЧХ и частотных характеристик КСВН входа двух семизвенных фильтров также с различным порядком чередования мембран с 1-о мм и 22-х мм ширинами щелей.
Задача исследования
Задачей исследования является получение экспериментальных частотных характеристик двух семизвенных фильтров на волноводно-щелевых мембранах, включенных каскадно в волновод с рабочим сечением 35х15 мм с целью оценки возможности использования таких фильтров в качестве СВЧ частотоселективных систем. Порядок следования мембран (каскадов) первого фильтра выражается формулой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм +22 мм + 1 мм», а второго фильтра выражается формулой «22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм +22 мм + 1 мм+22 мм». Габаритный размер фильтров при этом составляет не более 50 мм.
На рис. 1 приведены фотографии двух волноводно-щелевых мембран, из которых набираются каскады исследуемых фильтров.
> к
о > к о сч" < > <
#
35,0 <-2-►
а б
Рисунок 1 - Фотографии двух волноводно-щелевых мембран, из которых набираются каскады исследуемых фильтров: а - мембрана с размером окна по высоте волновода 22 мм; б - мембрана с размером окна по высоте волновода 1 мм
На рис. 1а и рис. 1б изображены ВЩМ с шириной щели 22 мм и 1 мм, соответственно на фоне мембраны со стандартной шириной щели 15 мм (высота рабочего окна волновода 35х15 мм). На рис. 1а обозначены: ширина рабочего окна волновода 35,0 мм, стандартная высота рабочего окна волновода 15,0 мм, ширина щели мембраны 22,0 мм. На рис. 1 б обозначены: ширина рабочего окна волновода 35,0 мм, стандартная высота рабочего окна волновода 15,0 мм, ширина щели мембраны 1,0 мм. Толщины ВЩМ были выбраны следующим образом: мембраны с шириной щели 1,0 мм выполнена из фольги толщиной 0,5 мм; мембраны с шириной щели 22,0 мм взята равной 6 мм близкой к 1/8 длины СВЧ волны на частоте 6 ГГц.
Основываясь на выводах предыдущих исследований [3, 6-9], мы решили, что оптимальным является число звеньев фильтров на ВЩМ, равное 7-ми. При этом в первом из исследуемых фильтров («1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм +22 мм + 1 мм») чередование мембран начинается и заканчивается мембраной, имеющей 1-о миллиметровую щель, а во втором из исследуемых фильтров («22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм +22 мм + 1 мм+22 мм»)
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т 1, №1
чередование мембран начинается и заканчивается мембраной, имеющей 22-х миллиметровую щель.
Исследования проводились с использованием автоматических измерителей КСВН и ослаблений Р2-54/2 и Р2-54/3 в диапазоне частот 4,2...8,9 ГГц. Измерялись частотные характеристики величин вносимых фильтрами ослаблений (коэффициентов прямой передачи) и частотные характеристики величин КСВН входа фильтров. Измерения проводились по методикам, описанным в инструкциях по эксплуатации приборов Р2-54/2 и Р2-54/3. Каждый из фильтров для проведения измерений его частотных характеристик устанавливался между волноводно-коаксиальными переходами (ВКП), пара которых заранее подбиралась по минимальным потерям и максимальной равномерности АЧХ и КСВН входа. Калибровка приборов Р2-54/2 и Р2-54/3 проводилась при включенных в их тракт ВКП для уменьшения влияния частотных характеристик ВКП на результаты измерений характеристик фильтров.
Результаты экспериментальных исследований
На рис. 2 а,б показаны амплитудно-частотные характеристики затухания и КСВН входа, соответственно, первого из исследованных семизвенных фильтров, структура (порядок следования мембран (каскадов)) которого выражается формулой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм +22 мм + 1 мм».
На рис. 3 а, б показаны амплитудно-частотные характеристики затухания и КСВН входа, соответственно, второго из исследованных семизвенных фильтров, структура (порядок следования мембран (каскадов)) выражается формулой «22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм +22 мм + 1 мм+22 мм». По вертикальной оси рисунков 2 а и 3 а отложены величины модулей коэффициентов передачи мощности |КР| в децибелах (отношение мощности на выходе фильтра к мощности на входе); далее для удобства изложения мы будем чаще использовать термин «затухание», имея в виду, что это есть величина, обратная величине |КР|. По вертикальной оси рисунков 2б и 3б отложены значения величин КСВН входа фильтров в относительных единицах.
По горизонтальным осям рисунков 2 и 3 отложены значения частот от 4,2 ГГц до 8,9 ГГц. Этот диапазон частот выбран нами для того, чтобы увидеть частотные характеристики фильтров в полосе частот, соответствующих основному типу электромагнитных колебаний в волноводе рабочим сечением 35х15 мм. На рисунках 2 а и 3 а для удобства чтения величин потерь, вносимых фильтрами в полосах пропускания, выполнены выносные таблички, в которых указанны численные значения величин |КР|.
Как видно из рис. 2 а, АЧХ семизвенного фильтра со структурой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм» имеет три явно выраженных частотных поддиапазона -первый поддиапазон полосы пропускания (1-й ППФ), поддиапазон полосы задерживания (ПЗФ), второй поддиапазон полосы пропускания (2-й ППФ).
В полосе пропускания 1-й ППФ (4,65.5,4 ГГц) минимальные потери, вносимые семизвенным фильтром со структурой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм», составляют 2,3 дБ на частоте 4,7 ГГЦ, что является весьма существенной величиной. В полосе пропускания 1-й ППФ неравномерность АЧХ также имеет существенную величину -затухание меняется от 2,3.8,2 дБ. Столь высокая неравномерность АЧХ в полосе пропускания 1-й ППФ позволяет говорить о наличии двух смежных полос пропускания в этом диапазоне. Итак, первый поддиапазон частот общей АЧХ фильтра - первый поддиапазон полосы пропускания фильтра (1-й ППФ) мы определяем как полосу частот от нижней частоты исследуемого диапазона 4,2 (частота, находящаяся в диапазоне частот отсечки волновода с шириной рабочей части окна 35 мм) до нижней частоты максимального затухания 5,8 ГГц. В 1-ом ППФ фильтра имеется первая полоса пропускания от 4,6 до 5,45 ГГц на уровне вносимых фильтром потерь 5,3 дБ (эта величина получается как сумма минимальных потерь, вносимых фильтром в 1-й ППФ, что составляет 2,3 дБ на частоте 4,7 ГГц, плюс 3 дБ потерь, на величину которых должно отличаться затухание на крайних
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т. 1, №1
частотах полосы пропускания при определении полосы по уровню половинной мощности). Эта полоса пропускания разделена на две полосы, определяемых по уровню вносимых фильтром потерь 5,3 дБ: первая - от 4,65 ГГц до 4,85 ГГц, вторая - от 5,05 ГГц до 5,45 ГГц. Эти полосы разделены между собой «провалом» в частотной характеристике затухания на частотах от 4,85 ГГц до 5,05 ГГц при уровне вносимых фильтром потерь от 5,3 дБ (частоты 4,85 ГГц и 5,05 ГГц) до 8,2 дБ (частота 4,9 ГГц), однако, для нас этот факт не является принципиальным на этапе предварительных исследований и мы условно включим описанный «провал» частотной характеристики затухания в полосу пропускания фильтра в поддиапазоне 1-й ППФ.
В поддиапазоне ПЗФ на частотах максимального затухания фильтр имеет равномерную АЧХ в широкой полосе частот 5,8...6,25 ГГц при численных значениям затухания на этих частотах до 70 дБ. Измерение столь больших значений вносимого затухания осуществлялось нами путем переключения детекторной головки направленного ответвителя канала проходящей волны из канала ответвления (затухание -20 дБ относительно основного канала) непосредственно на выход ответвителя с последующей калибровкой этих величин путем включения в цепь тарированных аттенюаторов с известной величиной вносимого ими затухания.
В полосе пропускания 2-й ППФ (примерно 8,4.8,5 ГГц) минимальные потери, вносимые семизвенным фильтром со структурой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм», составляют 5,5 дБ на частоте 8,45 ГГЦ, что не удивительно для второй (неосновной) полосы пропускания.
Общий вид частотной зависимости КСВН входа семизвенного фильтра со структурой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм» в ряде частотных поддиапазонов соответствует АЧХ этого фильтра, а в ряде поддиапазонов показывает ряд аномальных зависимостей, не соответствующих, на наш взгляд, АЧХ фильтра.
Рассмотрим подробнее ход частотной зависимости КСВН входа семизвенного фильтра со структурой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм» в тех поддиапазонах частот фильтра, которые были определены выше при анализе его АЧХ.
В первом поддиапазоне общей АЧХ фильтра (поддиапазон полосы пропускания фильтра - 1-й ППФ) на частотах 4,2.5,8 ГГц ход частотной зависимости КСВН входа семизвенного фильтра со структурой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм» в основном соответствует ходу АЧХ: максимальному затуханию на частотах 4,2.4,6 ГГц от 46 дБ до 11 дБ соответствуют максимальные величины КСВН входа фильтра от 18 до 8,5 относительных единиц. Выпуклой АЧХ с минимальным затуханием 2,3 дБ на частоте 4,7 ГГц соответствует вогнутая зависимость КСВН входа с минимальным КСВН около 2,2 относительных единиц на той же частоте. Однако, в этом поддиапазоне на частотах 4,9.5,0 ГГц наблюдается и существенное несоответствие между относительно небольшими значениями вносимых фильтром затуханий - от 8 дБ до 7 дБ и большими значениями КСВН входа фильтра на тех же частотах - от 7 до 6,5 относительных единиц. Кроме того, нам представляется аномальным большие затухания, вносимые фильтром на частотах 5,6.5,8 ГГц в пределах от 33 дБ до 70 дБ, и относительно небольшие значения КСВН входа фильтра на этих же частотах - от 6,5 до 8 относительных единиц. Эти несоответствия мы по-прежнему объясняем наличием в конструкции фильтра ВЩМ с шириной щели 22 мм и толщиной 6 мм (1/8 длины волны на частоте около 6 ГГц), осуществляющими трансформацию импедансов внутри конструкции фильтра.
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2015, Т. 1, №1
Г, ГГц |КС|, дБ Г, ГГц |КС|, дБ
4.7 4.8 4.9 5,0 -2,3 -4,7 -8,2 -6,4 5.1 5.2 5.3 5.4 -2,6 -3,0 -6,2 -4,9
Г, ГГц |Кр|, дБ
8.4 8,45 8.5 -7,2 -5,5 -6,7
РЭ
¿К -10
-20
-30
8 (Т
ев «
Щ
Л Щ
с
ев Н
X
<&
* -40 -50
о и
л
£
о
-60
-70
л X
ч о
и
«
(Т «
о н о
ев
£ Щ
К Я К
о и л ч
о 2
X н о
"5Н и
о
ев «
О X и
о о
X
<&
«
а с
ев X
20 16
14 12
10
6
4
л
I
у
1
;
4 5 6 7 8 9 Частота, ГГц а)
Частота, ГГц
б)
Рисунок 2 - Частотные характеристики первого из исследованных семизвенных фильтров, структура (порядок следования мембран (каскадов)) которого выражается формулой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм +22 мм + 1 мм»: а -амплитудно-частотные характеристики затухания (АЧХ), б - КСВН входа
Во втором поддиапазоне частот общей АЧХ фильтра - поддиапазоне полосы задерживания фильтра (ПЗФ) на частотах 5,8.6,25 ГГц - ход частотной зависимости КСВН входа семизвенного фильтра со структурой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1
0
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т. 1, №1
мм» качественно соответствует ходу АЧХ этого фильтра - равномерной АЧХ соответствует относительно равномерная частотная характеристика КСВН входа, но большие величины затуханий - до 70 дБ не соответствуют относительно небольшим КСВН входа - в пределах 5,9.8,0 относительных единиц; эти несоответствия мы также объясняем наличием в конструкции фильтра ВЩМ с шириной щели 22 мм и толщиной 6 мм (1/8 длины волны на частоте около 6 ГГц), осуществляющими трансформацию импедансов внутри конструкции фильтра на этих частотах.
В третьем поддиапазоне частот общей АЧХ фильтра - втором поддиапазоне полосы пропускания фильтра (2-й ППФ), занимающем полосу частот 6,25.8,85 ГГц, ход частотной зависимости КСВН входа семизвенного фильтра со структурой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм» вновь соответствует ходу АЧХ лишь на отдельных частотных участках: на частотах 6,25.6,8 ГГц КСВН входа фильтра уменьшается и соответственно уменьшается затухание, вносимое фильтром на этих частотах, однако, при величинах КСВН входа от 8 до 2,6 относительных единиц на указанных частотах, величины затуханий составляют от 70 дБ до 48 дБ, что представляется нам слишком большим затуханием для слишком малых значений КСВН входа. На частотах 6,8.8,2 ГГц частотная зависимость КСВН входа показывает скачкообразную зависимость со значениями от 2,4 до 22 относительных единиц с общим резким ростом величины КСВН в то время, как АЧХ имеет вид монотонно возрастающей зависимости величины |КР| от частоты, т.е. показывает монотонное уменьшение затухания, вносимого фильтром на указанных частотах с ростом частоты. Также аномальным представляется, например, несоответствие небольших значений КСВН входа фильтра на частотах 7,9.8,1 ГГц (КСВН от 5,9 до 9 относительных единиц) относительно большому затуханию, вносимому фильтром на этих частотах (затухание от 32 дБ до 21 дБ). Еще одно существенное несоответствие между небольшими значениями КСВН входа фильтра и относительно большими потерями наблюдается во второй полосе пропускания на частотах 8,4.8,45 ГГц; здесь при КСВН входа фильтра 2,2.2,1 относительных единиц потери сигнала составляют 7,2.5,5 дБ.
Скат общей АЧХ фильтра на частотах 8,55.8,85 ГГц показывает увеличение затухания от 8,5 дБ до 15 дБ, тогда, как КСВН входа на этих же частотах подскакивает от 4 до 16 относительных единиц, что нам представляется также несоответствующим КСВН значениям затухания, однако, частотные тенденции АЧХ и КСВН входа качественно соответствуют друг другу - увеличению затухания (уменьшению величины |КР|) соответствует рост величины КСВН входа.
На рис. 3 а, б показаны амплитудно-частотные характеристики затухания и КСВН входа, соответственно, второго из исследованных семизвенных фильтров, структура (порядок следования мембран (каскадов)) выражается формулой «22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм +22 мм + 1 мм+22 мм». Общий вид АЧХ этого фильтра показывает следующее:
- АЧХ фильтра так же, как и для предыдущего фильтра, имеет три явно выраженных частотных поддиапазона - первый поддиапазон полосы пропускания (1-й ППФ), поддиапазон полосы задерживания (ПЗФ), второй поддиапазон полосы пропускания (2-й
- в поддиапазоне 1-й ППФ АЧХ первая полоса пропускания фильтра стала заметно более «собранной», имеет меньшую неравномерность и меньшие потери по сравнению с АЧХ предыдущего семизвенного фильтра со структурой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм»;
- минимальные потери, вносимые семизвенным фильтром со структурой «22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм» в полосе пропускания поддиапазона 1-й ППФ составляют 1,2 дБ на частоте 4,75 ГГЦ, что существенно ниже аналогичного показателя для предыдущего фильтра со структурой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм»;
- в полосе пропускания поддиапазона 1-й ППФ неравномерность АЧХ стала иметь существенно меньшую величину, чем неравномерность АЧХ в полосе пропускания
ППФ);
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т. 1, №1
поддиапазона 1-й ППФ предыдущего семизвенного фильтра со структурой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм»;
- величина максимального затухания, вносимого семизвенным фильтром со структурой «22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм» в поддиапазоне ПЗФ составляет около 59 дБ, что существенно хуже, чем величина максимального затухания, вносимого предыдущим семизвенным фильтром со структурой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм»;
- АЧХ поддиапазона ПЗФ состоит из двух частей, первая из которых представляет собой одногорбую кривую типа полосно-заграждающего фильтра, вторая - практически равномерную горизонтальную линию;
- второй поддиапазон полосы пропускания (2-й ППФ) сформирован не полностью, однако, судя по величине вносимых потерь на частоте 8,85 ГГц (потери около 1,3 дБ), мы наблюдаем максимум пропускания на верхней частоте принятого нами общего диапазона частот исследования;
- АЧХ семизвенного фильтра со структурой «22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм» можно характеризовать как трехгорбую с четырьмя скатами.
Рассмотрим подробнее поддиапазоны частот семизвенного фильтра со структурой «22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм»:
- первый поддиапазон частот общей АЧХ фильтра - первый поддиапазон полосы пропускания фильтра (1-й ППФ) занимает полосу частот от нижней частоты исследуемого диапазона 4,2 до частоты максимального затухания 5,9 ГГц. В 1-ом ППФ фильтра имеется первая полоса пропускания от 4, до 5,35 ГГц на уровне вносимых фильтром потерь 4,2 дБ (эта величина получается как сумма минимальных потерь, вносимых фильтром в 1-й ППФ, что составляет 1,2 дБ на частоте 4,75 ГГц, плюс 3 дБ потерь, на величину которых должно отличаться затухание на крайних частотах полосы пропускания при определении полосы по уровню половинной мощности). В отличие от предыдущего семизвенного фильтра со структурой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм», первая полоса пропускания в поддиапазоне 1-й ППФ семизвенного фильтра со структурой «22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм» (Рис. 13 а) имеет компактный вид без значительных провалов АЧХ и представляет собой единую полосу пропускания с неравномерностью АЧХ внутри указанной полосы частот от 1,2 дБ до 2,7 дБ;
- второй поддиапазон частот общей АЧХ фильтра - поддиапазон полосы задерживания фильтра (ПЗФ) занимает полосу частот от частоты максимального затухания 5,9 ГГц до частоты 7,7 ГГц, на которой заканчивается плоский участок АЧХ поддиапазона ПЗФ и происходит резкое изменение крутизны ската АЧХ, связанное с началом следующего поддиапазона - второго поддиапазона полосы пропускания (2-й ППФ). Поддиапазон ПЗФ состоит из двух участков - первый на частотах от 5,9 ГГц до 6,2 ГГц (это правый скат кривой АЧХ первого участка поддиапазона ПЗФ); второй - на частотах от 6,2 ГГц до 7,7 ГГц -участок плоской АЧХ поддиапазона ПЗФ;
- третий поддиапазон частот общей АЧХ рассматриваемого фильтра - второй поддиапазон полосы пропускания фильтра (2-й ППФ) занимает полосу частот 6,2.8,85 ГГц. Вторая полоса пропускания, находящаяся в этом поддиапазоне частот, полностью не оформлена, но на высшей частоте исследуемого диапазона частот 8,85 ГГц наблюдается минимальное значение потерь, вносимых семизвенным фильтром со структурой «22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм» - около 1,3 дБ.
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2015, Т. 1, №1
Р, ГГц |КР|, дБ Р, ГГц |КР|, дБ
4,7 -2,4 5,05 -1,6
4,75 -1,2 5,1 -1,8
4,8 -1,4 5,2 -2,4
4,9 -2,7 5,3 -1,8
5,0 -1,8 5,4 -4,7
Р, ГГц |Кр|, дБ
8,4 -4,8
8,5 -4,8
8,6 -2,1
8,7 -1,6
8,8 -2,1
8,85 -1,3
л
£
о
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
Частота, ГГц
а)
да
Л 20
д ч 16
о X
м н
« о 14
^
(Т « о X
и 12
& ев о к.
Ё ев 10
к о
я X 6
к и
о
о
^ « 4
о к
и X
Л £ <и * а 2
о X
2 ев X 1
.....ч>........................ !
\ !
............................
А........................
Л Х-
1/ ..................
Частота, ГГц
б)
Рисунок 3 - Частотные характеристики второго из исследованных семизвенных фильтров, структура (порядок следования мембран (каскадов)) которого выражается формулой «22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм +22 мм + 1 мм+22 мм»: а -амплитудно-частотные характеристики затухания (АЧХ), б - КСВН входа
0
5
6
7
с
5
6
7
и
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т. 1, №1
Общий вид частотной зависимости КСВН входа семизвенного фильтра со структурой «22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм» (рис. 3б) в ряде частотных поддиапазонов соответствует АЧХ этого фильтра, а в ряде поддиапазонов показывает ряд аномальных зависимостей, не соответствующих АЧХ фильтра. Рассмотрим подробнее ход частотной зависимости КСВН входа семизвенного фильтра со структурой «22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм» в тех поддиапазонах частот фильтра, которые были определены ранее при анализе его АЧХ.
В первом поддиапазоне общей АЧХ фильтра (поддиапазон полосы пропускания фильтра - 1-й ППФ, рис. 3а) на частотах 4,2.5,9 ГГц ход частотной зависимости КСВН входа семизвенного фильтра со структурой «22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм» (рис. 3б) в основном соответствует ходу АЧХ: максимальному затуханию на частотах 4,2.4,65 ГГц от 42 дБ до 3,2 дБ соответствуют величины КСВН входа фильтра от 20 до 8 относительных единиц; выпуклой АЧХ с минимальным затуханием соответствует вогнутая зависимость КСВН входа. Однако, в этом поддиапазоне на частоте 4,7 ГГц наблюдается и существенное несоответствие между относительно небольшим значением вносимого фильтром затухания (2,4 дБ) и относительно большим значением КСВН входа фильтра (около 7 относительных единиц).
Во втором поддиапазоне частот общей АЧХ фильтра - поддиапазоне полосы задерживания фильтра (ПЗФ), в полосе частот от 5,9 ГГц до 7,7 ГГц, частотную зависимость КСВН входа фильтра стоит разбить на два участка, как это мы сделали для АЧХ в поддиапазоне ПЗФ ранее: первый - участок с резонансной кривой АЧХ от 5,9 ГГц до 6,2 ГГц; второй - участок с плоской АЧХ от 6,2 ГГц до 7,7 ГГц. На первом участке поддиапазона ПЗФ от 5,9 ГГц до 6,2 ГГц частотная зависимость КСВН входа фильтра имеет вид выпуклой кривой и соответствует вогнутой кривой АЧХ, но, на наш взгляд, при этом величины КСВН входа фильтра на этом частотном отрезке слишком малы (величины КСВН составляют от 6,2 до 4,2 относительных единиц) для относительно больших величин затухания (величины затухания на соответствующих частотах составляют от 59 дБ до 39 дБ). На втором участке поддиапазона ПЗФ на частотах от 6,2 ГГц до 7,7 ГГц практически плоской АЧХ соответствует аналогичный плоский участок частотной зависимости КСВН входа, но только на частотах от 6,3 ГГц до 6,7 ГГц, но при этом вновь наблюдается несоответствие между относительно малыми значениями КСВН входа фильтра (от 2,8 до 2,4 относительных единиц) и относительно большими значениями потерь, вносимых фильтром на этих частотах (около 39 дБ). На частотах от 6,7 ГГц до 7,7 ГГц частотная зависимость КСВН входа фильтра представляет собой ломаную линию со скачкообразными изменениями величины КСВН от 4 до 11 относительных единиц, что не соответствует продолжающейся плоской кривой АЧХ в том же диапазоне частот; величины КСВН входа на этом частотном отрезке (4 до 11 относительных единиц), на наш взгляд, малы для затухания, вносимого здесь фильтром (около 39 дБ). Все имеющиеся несоответствия между относительно небольшими КСВН входа фильтра при больших затуханиях, вносимых фильтром на тех же частотах, мы по-прежнему объясняем наличием в конструкции фильтра ВЩМ с шириной щели 22 мм и толщиной 6 мм (1/8 длины волны на частоте около 6 ГГц), осуществляющими трансформацию импедансов внутри конструкции фильтра на этих частотах;
В третьем поддиапазоне частот общей АЧХ фильтра - втором поддиапазоне полосы пропускания фильтра (2-й ППФ), сформированном лишь частично и занимающем полосу частот 7,7.8,85 ГГц, ход частотной зависимости КСВН входа семизвенного фильтра со структурой «22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм», на наш взгляд, полностью соответствует ходу АЧХ как на участке с большими значениями вносимых фильтром затуханий (КСВН входа от 13 до 3,9 относительных единиц на частотах 7,7.8,0 ГГц при затуханиях 39.14 дБ), так и на участке с малыми значениями вносимых фильтром затуханий (КСВН входа от 3,9 до 2,1 относительных единиц на частотах 8,0.8,85 ГГц при затуханиях 14.1,3 дБ). На этом участке выпуклой возрастающей кривой частотной
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т 1, №1
зависимости величины коэффициента передачи |КР| соответствует вогнутая падающая кривая частотной характеристики КСВН входа фильтра.
Заключение
В результате проведенных экспериментальных исследований можно констатировать, что семизвенные фильтры на волноводно-щелевых мембранах как со структурой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм +22 мм + 1 мм», так и со структурой «22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм», могут быть использованы в СВЧ аппаратуре в качестве малогабаритных широкополосных частотоизбирательных устройств как полоснопропускающего, так и полоснозаграждающего типа. При этом фильтр со структурой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм +22 мм + 1 мм» показывает более высокие значения потерь в основной полосе прозрачности и существенно более высокие значения затухания в полосе задерживания, чем фильтр со структурой «22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм». Объяснение этому, вероятно, весьма простое и заключается, на наш взгляд, в том, что фильтр со структурой «1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм +22 мм + 1 мм» имеет в первом и последнем звеньях 1-о миллиметровые по ширине щели мембраны с гораздо более резким отличием по геометрии от основного сечения волновода и вносит большее значение неоднородности в волноводный тракт, чем фильтр со структурой «22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм + 1 мм + 22 мм».
Мы полагаем, что в дальнейшем при использовании известных методов оптимизации при проектировании фильтров на каскадно включенных в волноводный тракт ВЩМ, возможно улучшение частотных характеристик таких фильтров.
1. Мосейчук Р.С., Копылова Н.А., Копылов А.Ф. Исследование резонансно-щелевых топологических структур для создания волноводных фильтров СВЧ // Молодёжь и наука: сборник материалов VII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 50-летию первого полета человека в космос: Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. [Электронный ресурс]. URL: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2011 (дата обращения 01.11.2015).
2. Копылов А.Ф., Копылова Н.А., Патуров Д.Е. Исследование частотных характеристик щелевых структур в прямоугольном волноводе // Системы связи и радионавигации: сб. тезисов Всероссийской научно-технической конференциия. Красноярск: ОАО «НПП «Радиосвязь», 2014. С. 14-16.
3. Копылов А.Ф. Частотные характеристики фильтров на волноводно-щелевых мембранах. Ч 1. Экспериментальное исследование многозвенных фильтров на волноводно-щелевых мембранах (ВЩМ) в диапазоне частот 5,4.8,5 ГГц / LAP LAMBERT Academic Publishing; OmniScriptum GmbH & Co. KG; Heinrich-Bocking-Str. 6-8 Saarbrucken, Deutschland / Германия, 2015. 85 с.
4. Копылов А.Ф., Копылова Н.А., Забродин А.Н. Частотные характеристики трехзвенных фильтров на волноводно-щелевых мембранах (ВЩМ) с различными величинами межмембранного зазора // Инновации в науке: сб. ст. по материалам XLI междунар. научно-практ. конф. № 1 (38). Новосибирск: Изд-во «СибАК», 2015. С. 51-63.
5. Копылов А.Ф., Копылова Н.А., Баскова А.А. Влияние величины межмембранного зазора на частотные характеристики трехзвенных фильтров на волноводно-щелевых мембранах (ВЩМ) // Южно-Сибирский научный вестник, 2015. №1(9). С. 5-9. [Электронный ресурс]. URL: http://s-sibsb.ru/issues-of-the-journal.html?catid=30 (дата обращения 01.11.2015).
6. Копылов А.Ф., Копылова Н.А. Экспериментальное исследование частотных характеристик пятизвенных фильтров на волноводно-щелевых мембранах с различными величинами ширины щелей // Южно-Сибирский научный вестник, 2015. №1(9). С. 24-34.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №1
[Электронный ресурс]. URL: http://s-sibsb.ru/issues-of-the-journal.html?catid=30 (дата обращения 01.11.2015).
7. Копылов А.Ф., Копылова Н.А. Экспериментальное исследование частотных характеристик волноводно-щелевых мембран (ВЩМ) и многозвенных фильтров на их основе в сантиметровом диапазоне длин волн // Междунар. научн. журнал: Уникальные исследования XXI века: материалы объемных статей и коллективных монографий Общества Науки и Творчества за январь 2015. Под общ. Ред С.В. Кузьмина. Казань, № 1(1), 2015. С. 129-181. [Электронный ресурс]. URL: http://perechen-izdaniy.ru/entity/unikal-nye-issledovaniya-xxi-veka (дата обращения 01.11.2015).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Копылов Алексей Филиппович ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», Институт инженерной физики и радиоэлектроники, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехника», г. Красноярск, Россия,
E-mail: kopaph@yandex.ru.
Kopylov Alexei Filippovich FSAEI HPE «Siberian Federal University», candidate of technical sciences, associate professor of the Radio Technical Department of Physicists and Radio Technicians Engineering Institute, Krasnoyarsk, Russia,
E-mail: kopaph@yandex.ru.
Копылова Наталья Алексеевна ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», Институт инженерной физики и радиоэлектроники, кафедра «Приборостроение и наноэлектроника», магистрант 2-го года обучения, г. Красноярск, Россия, E-mail: kopaph@yandex.ru
Kopylova Natalia Alexeevna FSAEI HPE «Siberian Federal University», undergraduate of the 2-nd year education, Department of Instrument-making and nanoelectronics of Physicists and Radio Technicians Engineering Institute, Krasnoyarsk, Russia, E-mail: kopaph@yandex.ru
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 660074, Красноярск, ул. Киренского 28, Институт инженерной физики и радиоэлектроники СибФУ, кафедра Радиотехники, тел. 8-983-287-24-93.
