Главная  Волноводные диэлектрические фильтры 

[ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Волноводные диэлектрические фильтры

Уже длительное время ведутся работы по созданию новых типов полосно-пропускающих фильтров СВЧ, реализующих компромисс между габаритами и потерями; в этом, по существу, и заключается проблема миниатюризации фильтров СВЧ. В процессе поиска предложены фильтры новых типов: микрополосковые, диэлектрические, на запредельных волноводах и др. Фильтры этих, .типов многие авторы, как правило, снабжают комментариями, содержащими термины миниатюрность , малые потери , высо-кая избирательрость и др. Такие характеристики обычно реализуются при соответствующей полосе пропускания. В последние-годы стало очевидным, что оценку миниатюрности фильтров нельзя проводить на основе качественных критериев, так как при этом легко перейти из области научного поиска в область эмоций. Такая опасность требует оценивать качество фильтра СВЧ, в том числе и его миниатюрность, с помощью обобщенных критериев, содержащих взаимосвязанные количественные характеристики фильтра [1]. Использование таких комплексных критериев позволило сделать заключение, что среди фильтров разлнчны.х^ типов действует своеобразный закон сохранения : выигрыш в значении одного из параметров сопровождается проигрышем в-значении другого или даже других параметров фильтра. Таки.\£ образом, были выявлены следующие закономерности:

а) одновременное улучшение всех параметров фильтра возможно лишь до определенного предела;

б) фильтры новых типов заполняют вакуум , образовавшийся на шкалах одновременного изменения потерь, полосы и объема фильтра.

Основная направленность данной книги - стремление заполг-нить указанный вакуум . Рассмотренные автором диэлектрические волноводные фильтры с запредельными связями по комплексу* своих параметров расположены между волноводными и воздуш-но-полосковыми фильтрами. Удачное сочетание запредельных; волноводов с волноводно-диэлектрическими структурами придает фильтрам указанного класса определенные конструктивно-техно^ логические преимущества и широкие возможности по реализации разнообразных частотных характеристик. Для проектироваии$ таких фильтров потребовалось достаточно подробное исследование их элементной базы - волноводно-диэлектрических резонаторов. Данному вопросу посвящены первая и вторая главы книги.



в которых выполнен анализ запредельных волноводно-дизлектри-ческих резонаторов с плоским слоем и с диэлектрическим цилиндром. Приведены результаты расчета основных параметров указанных резонаторов (резонансные частоты, собственная и нагруженная добротности, распределение поля). Довольно разреженный спектр паразитных колебаний таких резонаторов способствует подавлению нежелательных полос пропускания в фильтрах с запредельными связями.

В третьей и четвертой главах на основе данных, полученных в предыдущих главах, формируется модель многорезонаторной вол-новодно-диэлектрической структуры с запредельными связями. Подробно исследованы частотные характеристики таких структур и даны примеры практической реализации запредельных волно-водно-диэлектрических фильтров. Здесь же рассмотрены важный для практики вариант сопряжения фильтров с микрополосковой линией, а также вопросы расчета диэлектрических трансформаторов, используемых для перехода к волноводам с диэлектрическим заполнением.

До сих пор эта тематика была частично отражена в периодической литературе и других (иногда труднодоступных) источниках. Автору удалось систематизировать и обобщить почти десятилетний опыт, накопленный в области расчета и проектирования волноводно-диэлектрических фильтров с запредельными связями. Положительной стороной являются новизна и в то же время определенная заверщенность материала. Числовые примеры, графики, программы для ЭВМ создают комплекс средств, облегчающих практическое овладение рассматриваемой тематикой, делают книгу доступной и интересной для инженеров, аспирантов и студентов старщих курсов вузов.

Будет ли в будущем найдено абсолютное решение проблемы миниатюризации фильтров, обеспечивающее одновременное улучшение всех их параметров? Этот вопрос пока не имеет обоснованного ответа; можно предполагать, что абсолютное решение проблемы следует искать на пути использования функциональных сред поверхностных акустических и магнитостатических волн и др.; возможно, что здесь комплексный критерий качества габаритный индекс фильтра можно будет улучшить (уменьшить) на порядок.

В то же время из материалов предлагаемой книги видно, что резервы миниатюризации в ее классических направлениях еще далеко не исчерпаны. Более того, дальнейшее освоение запредельных волноводно-диэлектрических структур открывает новые возможности:

1) создание малогабаритных фильтров на новышенные уровни СВЧ мощности ца основе диэлектрических материалов с высокой теплопроводностью (окись бериллия или нитрид бора);

2) переход от запредельных волноводно-диэлектрических структур к запредельным волноводно-ферритовым структурам и

создание на этой основе фильтров с электрически управляемыми характеристиками;

3) использование запредельных волноводно-диэлектрических структур для дальнейшей интеграции с активными приборами СВЧ диапазона и создание активных фильтров.

Перечисленные вопросы затрагивают довольно широкий круг проблем и выходят за рамки данной монографии. В этом смысле предлагаемую вниманию читателя книгу можно рассматривать как определенный предварительный итог, стимулирующий дальнейшие работы в области создания элементной базы СВЧ ап-ларатуры с целью решения проблем миниатюризации и электромагнитной совместимости.

Доктор технических наук . - профессор А. Л. ФЕЛЬДШТЕИН

ОТ АВТОРА

Твердотельные устройства СВЧ диапазона заняли прочное место в со-Ч>еменной радиоэлектронике. Большинство таких устройств представляет собой отрезки линий передачи, содержащие диэлектрические, ферритовые или полупроводниковые элементы. Выбирая определенным образом параметры линий передачи, электрические и геометрические параметры материалов и элементов, можно реализовать требуемые электрические характеристики СВЧ устройств.

В настоящей книге сделана попытка систематического изложения теории и практики сравнительно нового класса твердотельных устройств - диэлектрических волноводных фильтров. Основное внимание уделено фильтрам с запредельными связями, базовыми звеньями которых являются запредельные вол-новодно-диэлектрические резонаторы. Из-за ограниченного объема книги рассмотрены лишь волноводно-диэлектрические резонаторы двух типов: с плоским диэлектрическим слоем и с диэлектрической неоднородностью цилиндрической формы. Обсуждается методика проектирования фильтров, базовым ззе-№Ш которых являются данныерезонаторы, рассматривается вопрос сопряжения волноводно-диэлектрических структур с регулярными линиями передачи. Ори изложении материала предпочтение отдано волновой трактовке явлении, Однако там, где это целесообразно, использован аппарат теории цепей.

В приложениях приведены программы расчета параметров запредельных В|олноводно-диэлектрнческих резонаторов н частотных характеристик много-нных фильтров. Все программы реализованы На ЭВМ ЕС-1022 или 1инск-32 на языке ФОРТРАН-IV. После небольшой корректировки их мо;к-использовать на ЭВМ других типов, имеющих ФОРТРАН-трансляторы. ие программы окажут существенную помощь читателю при проектировании сдельных волноводно-диэлектрических фильтров с исходными параметра-отличными от рассмотренных в настоящей книге.

Большая часть материала, вошедшего в книгу, является результатом ра-, выполненных в Новосибирском электротехническом институте связи в М73-1979 гг. Автор искренне благодарен д-ру техн. наук профессору -Л Л. Фельдштейну за постоянное внимание к работе и ценные указания, д-ру ipXH. наук профессору В. И. Вольману и канд. техн. наук Л. Р. Явичу за ряд ммечаний и советов, которые были учтены при доработке рукописи. Автор

Йизнателен сотрудникам кафедры технической электродинамики и антенн Н. Бергеру, Н. С. Симину, Т. Н. Федотовой, О. Н. Безугловой, А. А. Ищук за помощь при выполнении отдельных этапов работы.

Отзывы и замечания просьба направлять в издательство Связь : 101000, Москва, Чистопрудный бульвар, 2.



ВВЕДЕНИЕ

Фильтры являются важным компонентом радиоэлектронных устройств СВЧ диапазона. Конкретная физическая реализация их может быть весьма разнообразной и зависит от типа резонансного элемента, конструкции линии передачи, требований к электрическим, габаритным и механико-климатическим параметрам.

Если сравнивать известные СВЧ фильтры, в которых формирование частотных характеристик осуществляется на основе классических волновых процессов, по минимуму потерь [1], то наилучшими показателями обладают волноводные фильтры. Это объясняется тем, что в сантиметровом диапазоне волноводные линии передачи имеют наибольшую собственную добротность [2]. Волноводные фильтры хорошо зарекомендовалн себя в стационарной аппаратуре [3, 50], где требование минимальных потерь имеет более важное значение, чем габаритные и весовые показатели. Однако для малогабаритной аппаратуры (переносной или устанавливаемой на подвижных объектах) габариты и масса являются решающими факторами и вопросы миниатюризации фильтров оказываются здесь весьма актуальными. В то же время накопленный опыт по миниатюризации СВЧ фильтров позволяет сделать вывод, что габаритные и энергетические показатели являются противоречивыми [4], и в каждом конкретном случае приходится идти на компромисс.

Прогресс в разработке высококачественных диэлектрических материалов существенно расширил возможности волноводных линий с диэлектрическим заполнением, в которых удачно сочетаются малые потери и уменьшенные поперечные размеры [5, 6]. Однако для практической реализации фильтров на волноводах с диэлектриками требуется иная элементная база, чем для реализации фильтров на незаполненных волноводах, в которых в качестве резонансных элементов используются обычно объемные резонаторы. Последние создаются путем установки в волноводе металлических неоднородностей в виде диафрагм, штырей и т. д.

В фильтрах на основе заполненных диэлектриком волноводов (будем называть их волноводно-диэлектрическими) из конструктивно-технологических соображений удобнее использовать резонансные элементы импедансного типа. Частотные характеристики таких элементов формируются за счет отражений волн от границ раздела диэлектрических сред с различными проннцаемостями. Проще всего это осуществить с помощью диэлектрических структур, 6

1ницаемость которых изменяется по определенному закону вдоль направления распространения волны непрерывно или дискретно за счет чередования диэлектрических слоев с высокой и низкой проницаемостью. Данный подход широко используется в многослойных фильтрах оптического диапазона [7] и успешно реализован в сантиметровом и миллиметровом диапазонах .£8-13, 18].

Чтобы не допустить распространения волн высших типов в волноводе со слоистым диэлектриком, его поперечные размеры уменьшают примерно в У~~ёмакс раз (емакс - максимальное значение относительной проницаемости слоя) по сравнению с незаполненным волноводом, работающим в одноволновом режиме. В результате в областях с низким значением проницаемости оказывается возможным переход от распространяющегося к затухающему волновому процессу (запредельный режим). Было бы ошнб- кой считать, что образование запредельных участков в линии передачи будет препятствовать переносу энергии. Это, строго говоря, справедливо только для запредельных волноводов бесконеч-йой длины. В реальных фильтрах запредельные области имеют конечные размеры и в них существуют затухающие волны с противоположным направлением распространения. Тогда при определенных условиях результирующий волновой процесс может переносить энергию [14], а отрезки запредельных волноводов играют роль элементов связи между отдельными резонансными звеньями фильтра. Такой фильтр относится к классу волноводно-диэлект-Вческих фильтров с запредельными связями. Габариты его определяются в основном размерами запредельного волновода, которые в 2-5 раз меньше соответствующих размеров регулярного волновода.

Линии передачи, работающие на частотах ниже критической, длительное время находили весьма ограниченное применение в технике СВЧ. Положение резко изменилось после того, как в 1956 г. в [15] было указано на возможность создания резонансных Элементов, использующих отрезки запредельных волноводов. В конце 60-х и начале 70-х гг. были описаны различные СВЧ устройства на запредельных волноводах [16]. С этого момента количество публикаций, посвященных теории и практике данного Класса СВЧ устройств, непрерывно растет. Накопленный за пос-л йП1нее десятилетие опыт проектирования и практического приме-нЙ1ия устройств на запредельных волноводах позволяет выделить следующие наиболее характерные их черты [17, 60]:

* 1. Возможность реализации узкополосных и широкополосных устройств при отсутствии побочных полос пропускания в диапа-зоне частот ниже критической частоты.

2. Высокая степень предсказуемости параметров устройств. - 3. Отсутствие паразитных элементов емкостного характера.

4. Сравнительно небольшие диссипативные потери и высокий уровень согласования.



[ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23