CC BY
50Реализация в волноводе фильтров лестничной
структуры
Соркин А.Р. fsorkin@fromru.com ) 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
2у
(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
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.
