связями при числе звеньев N=1. Геометрические размеры фильтра были заданы в соответствии с расчетными данными фильтра на рис. 4.4. Полоса пропускания составила Д = 4% при КСВ< 1,5 и потерях 1,8-2 дБ для запредельного волновода, выполненного из латуни. По крутизне скатов и полосе пропускания экспериментальные данные близки к расчетным. Несколько больший уровень потерь по сравнению с расчетным объясняется относительно низкой величиной проводимости латуни, а 1,5-10 См/м.

В,тО,ШО,Ш1р 1,0075 1,0225 i)

Рис. 4.12. Свернутый вариант трехзвенного (JV=3) волноводно-диэлектрического

фильтра с запредельными связями:

а -эскиз; б - частотная характеристика затухания:

/-регулировочный винт; 2 - диэлектрически! ! сло1-5; .3 - фланец; 4 - запредельный волновод

При необходимости уменьшить продольные размеры фильтра можно применить свернутый вариант. Схематично конструкция свернутого трехзвенного фильтра показана на рис. 4.12а. Частотная характеристика потерь (рис. 4.126) соответствует следующим

значениям параметров: сечение подводящего волновода 5,5X23 мм, сечение запредельного волновода 5,5X11 мм потери в полосе пропускания 1,3 дБ, КСВ<1,3. Дополнительные данные, относящиеся к фильтрам с плоскими диэлектрическими слоями, приведены ъ [45, 123].

Рис. 4.13. Частотная характеристика затухания двухзвенного (N=2) волноводно-диэлектрического фильтра с цилиндрическими неоднородностями в запредельном волноводе [е = 3,8 (кварц); поляризация - вертикальная]

Запредельные волноводно-диэлектрические фильтры с цилиндрическими неоднородностями. На рис. 4.13 приведены расчетная (сплошная линия) и измеренная (пунктирная линия) зависимости потерь от частоты двухзвенного фильтра с цилиндрическими неоднородностями, изготовленными из кварцевого стекла [64]. Сечение подводящего волновода равнялось 10X23 мм, сечение запредельного волновода 10X13 мм, общая длина фильтра 60 мм. Диаметр цилиндра равен ширине запредельного волновода, поляризация - вертикальная. Настройка фильтра состояла в подборе взаимного расположения диэлектрических цилиндров друг относительно друга. Потери в полосе пропускания составили 0,5 дБ, КСВ<1,25. Расчетное значение центральной частоты фильтра равно 10,1 ГГц, измеренное - 10,25 ГГц, т. е. расхождение расчетных и экспериментальных данных составляет 1,5%.

При использовании диэлектрических неоднородностей цилиндрической формы легко управлять резонансной частотой звена за счет изменения глубины погружения цилиндра в волновод. Это позволяет реализовать перестраиваемый полосовой фильтр и одновременно выполнить необходимые регулировочные операции.

На рис. 4.14 приведены измеренные зависимости затухания двухзвенного фильтра от частоты при использовании диэлектриче-

15 Р,№

щ( 10,7

Щ9 10,0 11,1 11,2 11,5 11,1 11,5 11,1 11,7 11,д

Рис. 4.14. Частотные характеристики перестраиваемого двухзвенного (Af=2) полосового фильтра с цилиндрическими неоднородностями в запредельном волноводе (8=9,4):

а - вид со стороны узкой стенки; б - со стороны широкой стенки: / - регулировочный винт; 2 - диэлектрический цилиндр

ских цилиндров с переменной глубиной погружения. Фильтр выполнен на запредельном волноводе сечением 5,5X1 Imm; диаметр диэлектрических цилиндров равен 4,6 мм, проницаемость е = 9,4, сечение подводящего волновода 5,5X23 мм. При увеличении за-4* 99

зора h между торцевой поверхностью цилиндра и широкой стенкой волновода частотная характеристика смещается в область высоких частот. Потери в полосе пропускания остаются почти без изменения и составляют 0,7-0,9 дБ при КСВ < 1,2. Чтобы компенсировать неизбежное при перестройке фильтра изменение внешней добротности Qe запредельных резонаторов, в сечении регулярный-запредельный волноводы установлены дополнительные регулировочные винты связи.

На рис. 4.15а дан эскиз пятизвенного (Л'=5) фильтра с диэлектрическими резонаторами, оси которых параллельны поперечной составляющей магнитного поля волны Ню (поляризация - горизонтальная) [57]. Там же показано распределение магнит-

6,38 6,иг 6,116 BfiO Б,5Ч

Рис: 4.15. Пятнзвеннын (iV=5) запредельный волноводпый фильтр с диэлектрическими резонаторами (е = 35; поляризация - горизонтальная): а - эскиз п распределение магнитного поля; б - частотная характеристика ослабления:

/ - диэлектрические резонаторы; ? -запредельный волновод; J - регулярный волновод

ного поля в регулярном и запредельном волноводах. Диэлектрические резонаторы изготовлены из материала, имеющего г~ЗЪ, сечение регулярного волновода 8X35 мм, запредельного - 8X16 мм, длина фильтра - около 80 мм. Зависимость затухания от частоты приведена на рис. 4.156.

На рис. 4.] 6а показан шестизвенный (jV = 6) фильтр с цилиндрическими кварцевыми резонаторами; поляризация - вертикальная [58]. Для изменения резонансной частоты цилиндр перемещается вдоль своей оси и фиксируется в требуемом положении с помощью стопорной гайки (рис. 4.166). С целью уменьшения потерь использован квадратный волновод 16X16 мм. Частотные зависимости потерь и КСВ приведены на рис. 4.160. Получены следующие характеристики: центральная частота / 0=7,587 ГГц, полоса пропускания 33,4 МГц, потери в полосе пропускания составили 1,2 дБ, КСВ<1,2.

Рассмотренные выше примеры иллюстрируют широкие возможности запредельных волноводно-диэлектрических фильтров по реализации разнообразных электрических пара.метров. В конструктивном отношении они достаточно просты, а процедура их на-

стройки [124] не менее сложна, чем в обычных волноводных фильтрах. Некоторые общие рекомендации по настройке рассматриваемых фильтров можно сформулировать на основе анализа влияния допусков. Так, согласно рис. 4.7 при расстройке резонанс-

т 7,55 7,58 7,60 7,62

Рис. 4.16. Шестизвенный (iV=6) запредельный волноводно-диэлектрический фильтр (е=3,8; поляризация - вертикальная):

а -общий вид фильтра, б - конструкция перестраиваемого диэлектрического элемента, в - частотная характеристика затухания и КСВ:

/ - запредельный волновод; 2 - диэлектрический резонатор; Л - стопорная гайка; 4 - кварцевый стержень

ных частот отдельных звеньев увеличивается общий уровень отражений на входе фильтра. Тогда настройку следует осуществлять с помощью регулировочных элементов, воздействующих на резонансную частоту. При отклонении связи от правильной наблюдается асимметрия частотной характеристики коэффициента отражения (см. рис. 4.8). В это.м случае необходимо использовать для подстройки регулировочные элементы связи. При настройке фильтров удобно использовать автоматический измеритель КСВ, имеющий свип-генератор и индикатор, на экране которого развертывается изображение частотной характеристики.

Как уже отмечалось выше, объективным критерием качества фильтра является его габаритный индекс [1,4, 126]. Чем меньше габаритный индекс, тем более качественно выполнен фильтр.

В табл. 4.1 приведены параметры ряда запредельных волноводно-диэлектрических фильтров и их габаритный индекс G. Габаритный индекс фильтров на основе запредельных волноводно-диэлектрических структур в диапазоне частот 6-!2 ГГц лежит в пределах 0,5-1,5. Для сравнения там же приведен габаритный индекс обычного волноводного фильтра в диапазоне 11 ГГц, который равен 1,2. Таким образом, по габаритному индексу запредельные волноводно-диэлектрические фильтры сравнимы, а в ряде случаев превосходят волноводные резонаторные фильтры, у которых достижимы минимально возможные потери [2,4]. С этой

Таблица 4.1

ТОЧКИ зрения запредельные волноводно-диэлектрические фильтры являются весьма перспективными и конкурентноспособными по сравнению с фильтрами СВЧ других типов [1].

Важной характеристикой твердотельных СВЧ устройств является их температурная стабильность. Для фильтров рассматриваемого класса она определяется двумя факторами: температурным уходом диэлектрической проницаемости материала и изменением линейных размеров арматуры фильтра и диэлектрических элементов. Если известен температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, то на основе данных, приведенных в гл. 1 и 2, можно оценить влияние первого фактора. Так, согласно [127] в интервале температур от -50 до -Ь70°С относительная диэлектрическая проницаемость плавленого кварца Изменяется в пределах 3,795-3,8. Это приводит к смещению резонансной частоты запредельного волноводно-диэлектрического резонатора с плоским слоем примерно на 3 МГц при значении /о=10 ГГц. Согласно [120] у материалов типа сапфир в интервале температур ±70°С уход резонансной частоты составляет ±20 МГц в диапазоне 3 см.

Чтобы устранить влияние первого фактора, желательно использовать термостабильные диэлектрические материалы [24, 102]. Можно также применять материалы с противоположным знаком температурного коэффициента ТК*, из которых затем формируется составной диэлектрический элемент. Такой подход уже оправдал себя при создании диэлектрических резонаторов с температурной жомпеисацией [55, 67, 128].

Дать какие-либо количественные оценки второго фактора затруднительно. Здесь многое зависит от конкретной конструкции резонатора и металлической арматуры. В ряде случаев может оказаться, что каждый из рассмотренны.х факторов имеет противоположную направленность. Тогда при соответствующем выборе конструкции волноводно-диэлектрического резонатора достигается эффект температурной компенсации у.хода резонансной часто-

ты. Одна из возможных реализаций такого подхода основана на введении контролируемых зазоров между диэлектриком и металлом [120]. В результате уход резонансной частоты уменьшается на порядок. Однако конструкция фильтра заметно усложняется. Данные, полученные в § 4.2, позволяют прогнозировать температурный уход частотной характеристики фильтра. Так, для фильтра рис. 4.5 смещение рабочей частоты /о составляет 0,42% на 1% изменения диэлектрической проницаемости. В интервале температур от -50 до -f 70°С изменение величины проницаемости кварца составляет 0,13%- Тогда при настройке фильтра на частоту /о=10 000 МГц смещение рабочей частоты А/о=10 000 МГц-0,42Х Х0,13~5,5 МГц, что дает относительную температурную стабильность 4,6-10 град-.

Экспериментально измерялись зависимости относительного ухода частоты Д /о в интервале температур от -50 до -f ЮОС для фильтров, выполненных на кварце и поликоре. Параметры фильтра с кварцевым заполнением соответствовали данным * рис. 4.5, а с поликором - данным рис. 3.7а. Как и следовало ожидать, температурная стабильность фильтра с заполнением из поликора значительно хуже. По результатам этого эксперимента найдено, что относительная температурная стабильность фильтра с кварцевым заполнением составляет 5,6-10 град~. Это примерно на 20% выше расчетного значения. Указанное расхождение объясняется тем, что влияние арматуры не учитывалось. Для фильтра на поликоре в той же арматуре этот параметр равен 50-10- град-.

4.4. СОПРЯЖЕНИЕ ВОЛНОВОДНО-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ С РЕГУЛЯРНОЙ ЛИНИЕЙ ПЕРЕДАЧИ

Одним из достоинств СВЧ устройств на запредельных волноводах является их миниатюрность. Существенный выигрыш в уменьшении общих габаритов аппаратуры можно получить, если регулярные линии передачи, с которыми сопрягаются эти устройства, также являются достаточно миниатюрными. В качестве таких линий передачи (если иметь в виду сопряжение с запредельными волноводно-диэлектрическими структурами) удобно использовать микрополосковые линии передачи и волноводы с диэлектрическим заполнением [125].

В первом случае речь идет, по существу, о создании гибридно-интегральной схемы, где в качестве навесного элемента используется миниатюрное устройство на запредельном волноводе. Результирующие электрические характеристики здесь будут во многом зависеть от того, насколько качественно выполнен переход от микрополосковой линии к запредельному волноводу. Во втором случае наиболее привлекательной является простота создания запредельных областей. Действительно, при достаточно малых поперечных размерах волновода нарушение однородности заполняющего диэлектрика позволяет легко образовать запредель-