Научная статья на тему 'Реализация в волноводе фильтров лестничной структуры '

Реализация в волноводе фильтров лестничной структуры Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
328
49
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Соркин А. Р.

Рассмотрены структуры волноводных фильтров, имеющих лестничную схему без промежуточных каскадных отрезков линий – инверторов импедансов. Приведены конструкции полосового и режекторного фильтров. Приведены расчётные соотношения, экспериментальные результаты.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Соркин А. Р.

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

Realization filters with ladder structure in the waveguide

Structures waveguide filters having the ladder circuit without intermediate cascade lines – inverters of impedances are examined. bandpass and stopband filters constructions are given. Calculated ratio, experimental results are given.

Текст научной работы на тему «Реализация в волноводе фильтров лестничной структуры »

Реализация в волноводе фильтров лестничной

структуры

Соркин А.Р. [email protected] ) Красноярский государственный технический университет

Традиционно волноводные фильтры строятся на однотипных резонаторах [1-3]. В полосовых фильтрах это либо резонансные диафрагмы, либо каскадные резонаторы. В режекторных фильтрах это последовательные шлейфы. При синтезе волноводных фильтров за исходный прототип принимают лестничную структуру. Далее в неё вводятся инверторы сопротивлений, в качестве которых используются четвертьволновые отрезки. Популярные фильтры с непосредственными связями получаются преобразованием схем с четвертьволновыми связями.

Установлено, что в волноводах возможна реализация лестничной схемы без инверторов иммитансов. При этом фильтры содержат резонаторы в параллельной и последовательной ветвях и исключаются соединительные отрезки. Для сокращения размеров контуры выполняются с малыми продольными размерами, что позволяет считать их сосредоточенными. На рис.1 показаны варианты реализации параллельного контура в виде резонансных диафрагм. Методом эквивалентных схем автором получены расчётные соотношения для диафрагм с различной формой апертуры -зависимость резонансной частоты и нагруженной добротности от геометрических размеров [4]. Наибольшая добротность прямоугольной щели получается при расположении её около широкой стенки (Ау = (Ъ -Ь1)/2 на рис.1 б). Такая щель при

разумном размере Ъ1 не позволяет получить добротность Q выше нескольких единиц. и-образная щель (рис.1 в, г) используется для достижения значения Q до 5060. В волноводах с пониженной высотой удобнее использовать конфигурацию рис.1 г.

б) в) Рис.1. Резонансные диафрагмы

V/

г)

Резонансная диафрагма при встраивании в волновод требует фланцевого соединения, что не всегда приемлемо. Добротность в полосе пропускания можно формировать не только полосно-пропускающим контуром, но и парой режекторных контуров (рис.2 а, б). Можно показать, что при одинаковых собственных добротностях пропускающего и режекторных контуров схема с парой режекторных контуров даёт заметный выигрыш по потерям. Кроме того, пара контуров позволяет увеличить уровень режекции в выделенном участке полосы заграждения.

О и

- п

f Г f

*гР "Р *+Р

3,01 ав

о*

а) б)

Рис.2. Пара режекторных контуров

Эквивалентная добротность такой цепи в полосе пропускания

б, =

А

0 Р

А - А

^+Р ^-р

(1)

При заданных частотах режекции , 2 (обычно + 2 « 2¡р) нагруженные добротности режекторных контуров определяются выражениями

б, =

х ( х 2 х 2 ^

J р ./ р J V

^ А2 у

бр

' / 2 У 1 - ¡2

. ¡\ У

1 -

2

$ 2 у

(2)

б, 2 =

ХР Хр

А

2

2 ^ ¡$\ 2 у

б

2

А

1 р

1 - ~Г

. у

1 -

А

22

(3)

Простейшим режекторным контуром в волноводе является резонансный штырь, эквивалентный последовательному контуру в параллельном включении (рис. 3 а).

а) б) в)

Рис. 3. Резонансные штыри в волноводе

Резонансная длина I примерно равна А0/4 ( А0-длина волны в вакууме). Нагруженная добротность б зависит от местоположения штыря и в меньшей степени от диаметра ё. Получены зависимости б и 1рез от геометрических размеров и частоты. Диапазон достижимой добротности от 2...3 до 30. Для получения больших значений штырь

2

2

помещается в угол волновода и наклоняется к стенке. В волноводах пониженного сечения (Ь < Л0/4) часть штыря помещается в коаксиальном отрезке (рис. 3 б, в).

Пара режекторных контуров реализуется парой резонансных штырей, размещённых в одном сечении. В первом приближении при достаточном разносе режекторных частот штыри рассчитываются без учёта влияния второго штыря.

ь с

0--и

2 2

о

в-я

а) б) в) г)

Рис. 4. Последовательный контур (а) и его реализации в волноводе (г) (б, в - эквивалентные схемы)

Последовательные контуры в последовательной ветви могут быть реализованы двумя способами (рис. 4).

Добротность полуволнового шлейфа (рис. 4 б) при В=0 П 7р

Qv =

8 70

(4)

Здесь не учитывается реактивность Т-соединения. Видно, что при использовании одного сечения для магистрального волновода и шлейфа (7р = 70) добротность

получается очень низкой. Для получения заданной добротности в каждом случае требуется индивидуальное сечение волновода шлейфа. При включении реактивности ]Б можно увеличить добротность, но при этом появляются паразитные резонансы.

Схема, показанная на рис. 4 в, г, более гибка с точки зрения получения заданной добротности и имеет меньший габарит (практически не выходит за размеры фланца). Условие резонанса при полной связи шлейфов с основным волноводом

7 7

- ТТ^с = ^Ь

7 0

7 0

(5)

Добротность

7 7

27 0

70

(6)

Из (6) получаем вс > ж/2, вЬ < ж/2 и обычно 7с = 7Ь .

При в = П2 шлейф даёт полюс затухания. При выбранном волноводе шлейфов 7Ь = 7с не сложно получить требуемую величину Q в широком диапазоне значений. Если есть конструктивная возможность изменять размер волноводов шлейфов (ширину и высоту), то это можно использовать для формирования полюса затухания на требуемой частоте.

ч

а)

б)

в)

Рис. 5. Режекторные контуры в последовательной ветви

В режекторных фильтрах наибольшее распространение получили последовательные шлейфы, эквивалентные параллельному контуру в последовательной ветви (рис.5). Тип резонанса - четвертьволновый. Добротность шлейфа

б

' 2

(7)

Здесь справедлив комментарий к рис. 4 б. Если нет подходящего заниженного сечения волновода, то для повышения добротности вход шлейфа шунтируется реактивной проводимостью ]Б, в качестве которой обычно используют индуктивную диафрагму либо в виде решётки штырей [2], либо в виде малой апертуры [3].

На основе рассмотренной элементной базы были спроектированы полосно-пропускающие и режекторный фильтры.

Исследованы две схемы пятизвенного полосно-пропускающего фильтра (рис.6).

0„2

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

Р-

£р4

О- 9*

т

т

и

т

-0 0-

2

т

РР1 йрз Рр, % ^ ^

а) б)

Рис. 6. Лестничные схемы пятизвенных фильтров

Нагруженные добротности контуров определяются по формуле [1]

О, = «,/ 2 »,

¿Г

■4-а

(8)

где - параметры ФНЧ-прототипа, = (т=р - р)/

Р// т0 р

относительная полоса,

т р, т0 т= - соответственно нижняя, средняя и верхняя частоты полосы пропускания

Фильтры построены на волноводе сечением 61х10 мм. Средняя частота фильтров 3,4 ГГц, полоса пропускания 60 МГц. Расчётные значения добротностей при чебышев-ской АЧХ с пульсациями 0,1 дБ равны: 0р1=0р5 =28,4; Ор2=бр4=33,03; 0р3=48,4.

Параллельные контуры в схеме рис. 6 а реализованы в виде резонансной диафрагмы с С-образной апертурой (рис. 7). Толщина диафрагмы 0,5 мм. Добротность определяется величиной сдвига концов щели А. Длина щели сделана немного короче

резонансной. Настроечный винт смещён вдоль волновода относительно плоскости диафрагмы и размещён во фланце.

<Д1

о 2

у 61 /

/

настроечный вннт

Рис. 7. Резонансная диафрагма

Последовательные контуры представляют собой два короткозамкнутых шлейфа, включённых последовательно в противоположные широкие стенки. Фильтр выполнен из двух одинаковых узлов, между фланцами которых вставлена центральная диафрагма Qp3.

Конструкция фильтра по схеме рис. 6 б показана на рис. 8. Здесь добротность Qp3

формируется парой режекторных контуров. На рис. 8 эти режекторные контура выполнены в виде резонансных штырей 1. Длина штырей примерно равна четверти длины волны в вакууме. Поскольку высота волновода меньше длины штырей, то для них предусмотрены специальные карманы 2. Во втором варианте этого фильтра режекторные контуры реализованы в виде четвертьволновых штырей, параллельных широким стенкам.

Рис. 8. Конструкция фильтра по схеме рис.8 б

В полосе пропускания потери обоих фильтров не превышают 0,3 дБ. Уровень затухания в полосе заграждения у фильтра по схеме рис. 6 а соответствует обычному пятизвенному фильтру с непосредственными связями. У фильтра с парой режекторных контуров в параллельной ветви крутизна скатов может быть получена больше, но затухание вдали от полосы пропускания несколько меньше, это определяется выбором частот полюсов.

Длина фильтров: по схеме рис. 6 а - 48 мм, по схеме рис. 6 б - 44 мм, то есть немного меньше половины длины волны в волноводе. Выигрыш по длине в сравнении с фильтром с непосредственными связями составляет 4-5 раз.

Аналогично можно строить и режекторные фильтры по лестничной схеме на контурах с непосредственной связью (рис. 9).

т т

5 1

чн

о

5

5

2

а) б)

Рис. 9. Режекторный фильтр с непосредственными связями

Резонансные штыри размещаются в референсных плоскостях Е-тройника. Как показывает опыт, при таком соединении за счёт дополнительной связи эквивалентные добротности шлейфа и особенно штырей снижаются. Для уменьшения этой связи можно использовать диафрагму на входе шлейфа или - что конструктивно проще -шлейф выполнять на волноводе меньшего сечения.

Пример частотной характеристики трехзвенного фильтра (волновод 58х25 мм) показан на рис. 10.

-6.оооо

-8.ОООО

-10.0000 -12.0000 -14.0000 -16.0000 -18.0000 -28.ВВ00

ав 3000 3250 3500 3750

4750 5000 5250 5500

-10.0000

-15.0600

—20.0000

-25.0000

-36.0000

-35.0000

-40.0000

-45.0000

-50.0000 ¿В

X \ г

\

\ /

\ /

\ /

\ /

\ /

V

3500 3600 3700 3000 3900 4000 4100 4200 4300 £МНе

а) б)

Рис.11. Расчётная (а) и экспериментальная (б) характеристики режекторного фильтра с

непосредственными связями

Таким образом, показано, что применение лестничных структур при незначительном возрастании потерь позволяет существенно уменьшить размеры волноводных фильтров.

Литература

1. Фельдштейн, А. Л. Справочник по элементам волноводной техники / А. Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич, В.П. Смирнов. М: Сов. Радио, 1967

2. Модель, А.М. Фильтры СВЧ в радиорелейных системах / А.М. Модель. М.: Связь, 1967

3. Маттей, Д. Л. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи .в 2 т. т. 2. / Д. Л. Маттей, Л. Янг, Е.М.Т. Джонс. М.: Связь, 1972

4. Соркин, А. Р. Плоские резонансные диафрагмы в волноводе / Соркин А. Р. // Нижний Новгород: Вестник Верхне-Волжского отделения Академии Технологических наук, сер. Высокие технологии в радиоэлектронике и связи. № 1(6)/99-2000. с. 107-113.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.