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

Для простоты положим, что все волноводно-диэлектрические резонаторы фильтра имеют одинаковую собственную добротность. Зададим параметры материалов, определяющие диссипативные потери: проводимость стенок волновода а=5 7-10 См/м, тангенс угла диэлектрических потерь материала tgAe-= 10-*, высота запредельного волновода 5,5 мм.

Из табл. 1.1 берем ориентировочное значение Qo 2000 и по (4.9) вычис ляем

4,343

0-04-2000

(2.1.372-f 2-1,378 + 2-2,276-f 1,5) 0,63 дБ.

Полученные данные позволяют рассчитать габаритный индекс [1], который является обобщенным показателем его качества;

N N

фильтра

(4.10)

где объем, см; Д - полоса пропускания, % Имеем при наружных размерах волновода 1,2X0,65 см

V = (2-0,627-f2.1,364-f 2-1,606-4- 2.1,639-f 7-0,44)-1,2-0,65= 10.6 см я согласно (4.10)

10,6 0,63 , 0 = -----

!0,5.

Довольное низкое значение габаритного индекса свидетельствует о перспективности рассмотренного варианта запредельного волноводно-диэлектрического фильтра.

По этой же методике можно рассчитывать и фильтры с диэлектрическими неоднородностями цилиндрической формы.

4.2. УСТОЙЧИВОСТЬ ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАПРЕДЕЛЬНОГО ВОЛНОВОДНО-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ФИЛЬТРА

Частотная характеристика СВЧ фильтра зависит от большого числа параметров, которые в процессе изготовления и эксплуатации фильтра могут изменяться в определенных пределах. Это приводит к неизбежному искажению формы частотной характеристики, которое прежде всего проявляется в изменении уровня согласования в полосе пропускания. Таким образом, речь идет от установлении функциональной связи между отклонением коэффициента отражения и допусками на параметры отдельных элементов фильтра. В предположении, что имеет место нормальный закон распределения погрешностей в поле допусков, можно показать [119], что максимальное допустимое отклонение коэффициента отражения ASii , определяющее допуск на конкретный пара- Щ метр, составит Ш

A\sri\=A\sf,\/VM,

где A5* I-максимальное (с вероятностью 0,997) значение отклонения коэффициента отражения фильтра; М - число незави-мых параметров, определяющих результирующее согласование фильтра. 92

Отметим наиболее существенные факторы, влияние которых необходимо учитывать при изготовлении запредельных волноводно-диэлектрических фильтров:

1) разброс значений диэлектрической проницаемости материалов;

2) температурный уход диэлектрической проницаемости;

3) температурный уход линейных размеров арматуры фильтра;

4) неточность изготовления диэлектрических образцов:

5) неточность установки диэлектрических образцов в запредельном волноводе.

Влияние некоторых факторов (например, п. 3) на параметры волноводно-диэлектрического резонатора рассмотрено в работе [120]. Однако отсутствие аналитических выражений, связывающих коэффициент Отражения фильтра с каждым параметром, затрудняет выработку общих рекомендаций о влиянии допусков. Для любого конкретного варианта фильтра информацию об устойчивости его характеристики можно получить из данных численного анализа с помощью программы (приложение 3). В качестве примера такой анализ выполним для двухзвенного волноводно-диэлектрического фильтра с запредельными связями при кварцевом (62 = 3,8) заполнении и отношении размеров Л/а = 2.


lifS PJ 0,11 0,72 0,73 0,79

Рис. 4.5. Влияние разброса диэлектрической проницаемости слоя на модуль коэффициента отражения \Sii\


т 0,7

0,72 0,73 Q7 0,75

Рис. 4.6. Влияние разброса относительного размера диэлектрического слоя hIa на модуль коэффициента отражения )Sii



На рис. 4.5 приведены зависимости модуля коэффициента отражения от нормированной ширины ЛД регулярного волновода при отклонении проницаемости Ле2=±0,05 от номинального значения. Разброс диэлектрической проницаемости приводит к смещению частотной характеристики, которое составляет в данном случае 0,42% на каждый процент изменения диэлектрической проницаемости материала. Форма же частотной характеристики сохраняется прежней. Количественные показатели разброса проницаемости поликора можно найти в [121].

1.0 Js,



0J3 0J4

Рис. 4.7. Влияние неидеп-тичности относительных размеров диэлектрических слоев на модуль коэффициента отражения 5и|

OJB 0,71 0,1 D,S2 0,дИ B,8S

Рис. 4.8. Влияние песнмметрии расположения диэлектрических слоев относительно друг друга на модуль коэффициента отражения Sii

На рис. 4.6 показано влияние разброса длины диэлектрического образца при отклонении Ша от номинапьного значения на ±0 08 у двух образцов одновременно. Результаты аналогичны результатам, полученным для предыдущего случая, однако относительное смещение характеристики почти в 2 раза меньше и составляет 0,26% на каждый процент изменения ширины слоя.

Неидентичность размеров диэлектрических образцов (рис. 4.7) приводит к увеличению коэффициента отражения в полосе пропускания фильтра. В данном случае изменение составляет 0 2 при отклонении относительного размера диэлектрических слоев Ша на 1% в противоположные стороны. Неточность уста-

новки одного диэлектрического слоя относительно другого оказывает сильное влияние на форму частотной характеристики: расширяется полоса пропускания и одновременно нарушается симметрия при резком ухудшении согласования в полосе пропускания (рис. 4.8).

Проведенный анализ показывает, что частотная характеристика запредельного волноводно-диэлектрического фильтра весьма чувствительна к изменениям проницаемости материала и геометрических размеров отдельных элементов. Для снижения требований ;на допуски при изготовлении фильтра необходимо в его конструкции предусмотреть регулировочные элементы.

4.3. ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ВОЛНОВОДНО-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ С ЗАПРЕДЕЛЬНЫМИ СВЯЗЯМИ

Рассмотрим примеры практической реализации запредельных волноводно-диэлектрических фильтров в диапазоне частот 6-12 ГГц. Как уже отмечалось, частотные характеристики таких фильтров весьма чувствительны к допускам на геометрические размеры отдельных диэлектрических элементов и их взаимное расположение. Поэтому экспериментальная доводка частотной характеристики фильтра даже при весьма совершенной методике его проектирования и качественном изготовлении оказывается в большинстве случаев обязательной процедурой. Особенно это относится к многозвенным фильтрам. Для доводки частотной характеристики фильтра, т. е. для его настройки, в конструкции должна быть предусмотрена возможность независимого изменения: резонансной частоты отдельных звеньев фильтра, степени связи между звеньями, между запредельным и регулярным волноводами. Эти условия можно выполнить двумя способами:

1) использованием резонансных звеньев, диэлектрический элемент которых может перемещаться в поперечном и продольном направлениях; тогда за счет смещения в поперечном направлении изменяется резонансная частота, а за счет смещения в продольном направлении - степень связи .между отдельными звеньями;

2) введением дополнительных регулировочных элементов при фиксированном положении диэлектрических неоднородностей.

В качестве регулировочных элементов удобно использовать тонкие металлические штыри с переменной глубиной погружения. Ось штыря должна быть параллельна вектору электрического поля волны Ню. Если штырь установить вблизи диэлектрической неоднородности, то при изменении глубины его погружения будет изменяться в небольших пределах и резонансная частота волноводно-диэлектрического резонатора. При расположении штыря между диэлектрическими неоднородностями в запредельном волноводе можно управлять степенью связи между отдельными звеньями фильтра. При установке штыря в сечении запредельный-регулярный волноводы появляется возможность регулировать степень связи с подводящими линиями на входе и выходе фильтра. Пос-



леднее позволяет изменять величину внешней добротности Qe крайних звеньев фильтра. Поскольку штыри, регулирующие резонансную частоту, и штыри связи разделены отрезками запредельных волноводов, их взаимодействием в первом приближении можно пренебречь. Следует иметь в виду, что погружение штыря в запредельный волновод приводит к понижению резонансной частоты и увеличению степени связи между звеньями. Поэтому размеры диэлектрических неоднородностей и длины отрезков запредельных волноводов следует выбирать с учетом этого фактора. Отметим также, что в целом формирование частотной характеристики фильтра осуществляется волноводно-диэлектрическими резонаторами, а штыри

г/-1 ШиМЦЗ'!

20 мм


92 9S да iDfi Щ Ц2 а)


играют лишь вспомогательную роль настроечных элементов.

Запредельные вол-, новодно - диэлектрические фильтры с плоскими слоями. На рис. 4.9а приведена экспериментальная зависимость затухания от частогы двухзвенного фильтра радиорелейного диапазона И ГГц [122]. Диэлектрические слои выполнялись из материала 22 ХС (е=9,4) и имели размеры 2Х ХЗ,4Х7,2 ммз, сечение регулярного волновода

j 3,4X23 мм, сечение за-

11,6 {/Гц предельного волновода 3,4X7,2 мм; оба волновода изготовлены из латуни. Общая длина фильтра 20 мм. На этом же рисунке показан эскиз фильтра. Для настройки фильтра использовались латунные

Рис. 4.9. Двухзвенный вол-новодно - диэлектрический фильтр с запредельными связями (62 = 9,4): а - частотная характеристика затухания; б - общий вид

штыри диаметром 2 мм. С помощью центрального штыря изменялась связь между звеньями фильтра, а штыри, расположенные вблизи диэлектрических слоев, использовались для подстройки резонансных частот каждого звена. В данной конструкции штыри позволяют смещать частотную характеристику на 4-5%. Потери в полосе пропускания составили менее 1,3 дБ при коэффициенте стоячей волны КСВ^1,25. Общий вид данного фильтра показан на рис. 4.96.

На рис. 4.10а показан эскиз четырехзвенного фильтра. Верхние штыри диаметром 2 мм служат для подстройки частоты, нижние диаметром 2,6 мм -для регулировки степени связи. Размеры регулярного волновода 5,5X23 мм, запредельного волновода 5,5X11 мм; размер диэлектрических слоев, изготовленных из кварца, 5,5X5.5X11 мм. Результаты измерений потерь и КСВ приведены на рис. 4.106: Рмин = 2 дБ, КСВ^1,16.

На рис. 4.11 приведена измеренная зависимость затухания от частоты волноводно-диэлектрического фильтра с запредельными

гэд

115,5мм.

Волновод 23Щим^


9,0 9.1

Рис. 4.10. Четырехзвенный (Л^=4) запредельный волноводно-диэлектрический фильтр (82=3,8):

а - эскиз; б - частотная характеристика ослабления и КСВ

\ ji ) ц у ti }j

-1-I-1

Bf5 nj9§0n9.! m in m Щ lOi IM

Puc. 4.11. Частотная характеристика затухания семизвенно-го (iV=7) запредельного волноводно-диэлектрического фильтра (62=3,8)



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