Мощные СВЧ полосовые объемно-резонаторные фильтры с минимальными потерями

Аннотация: Разработан ряд мощных полосовых фильтров на основе двух встречно направленных гребенок прямоугольных резонаторов с лицевой связью, размещенных в запредельном волноводе, и предназначенных для установки в симметричную полосковую линию. Приведены результаты расчетов и измерений параметров изготовленных фильтров 4-х поддиапазонов частот в L- и S- диапазонах. Фильтры обеспечивают полосу пропускания полезного сигнала

½ октавы с потерями не хуже 0,8 дБ, подавление 2 и 3 гармоники сигнала не менее 60 дБ и способные пропускать непрерывную мощность не менее 200 Вт.

Ключевые слова: Полосовой фильтр, резонатор, лицевая связь, гармоники сигна-ла, СВЧ мощность.

1. Введение

Для подавления высших гармоник сигнала в усилителях мощ-ности широко используют фильтры нижних частот (ФНЧ) на основе различного вида резонаторов. Применение ФНЧ может быть огра-ничено, если мощность сигнала достигает несколько десятков ватт, так как необходим хороший отвод тепла от резонаторов фильтра, которые изолированы от теплоотводящей поверхности диэлектриче-скими слоями с низкой теплопроводностью.

При высоких уровнях мощности СВЧ-сигнала вплоть до не-скольких сотен ватт возможно применение встречно-стержневых фильтров (ВСФ), в которых резонаторы (стержни) заземлены на бо-ковых стенках запредельного волновода и тем самым обеспечивают необходимый отвод тепла. Одним из основных недостатков ВСФ является наличие паразитной полосы пропускания в районе третьей гармоники сигнала. Существуют решения, например, показанные в [1], позволяющие расширить полосу заграждения ВСФ, однако технологически такие фильтры сложны в изготовлении и настройке.

В данной работе предложена конструкция модернизированно-го ВСФ, обеспечивающая подавление до третьей гармоники сигнала включительно. Разработка фильтров выполнена с использованием усовершенствованных программ численного моделирования и па-раметрической оптимизации [2, 3].

2. Проектирование фильтра 

Разработанная конструкция фильтра состоит из нескольких пар встречных прямоугольных резонаторов, связанных между собой сильной лицевой связью и слабой боковой связью. Резонаторы, объ-единенные в две гребенки, помещены в прямоугольный запредель-ный волновод и заземлены на противоположные стенки волновода (см. рис. 1), что обеспечивает хороший отвод тепла. Для увеличения лицевой связи резонаторов и их точной фиксации относительно друг друга, между ними помещена диэлектрическая подложка с ма-лой удельной диэлектрической проницаемостью (не более 2,3). Кон-струкция фильтра, который можно условно назвать «встречно гре-бенчатый фильтр» (ВГФ), похожа на показанную в [4], но отличает-ся тем, что подложка с объемными резонаторами расположена в волноводе, а резонаторы согласованы с полосковыми выводами.

Рис. 1 Конструкция встречно гребенчатого фильтра

1 – верхняя гребенка, 2 – нижняя гребенка, 3 – диэлектрик, 4 – запредельный волновод, 5 – симметричная линия, 6 – места заземления гребенок.

Отметим, что конструкция ВГФ представляет собой по своей сути аналог ФНЧ на сосредоточенных элементах. Пары встречных резонаторов, связанных между собой сильной лицевой связью, эк-вивалентны заземленным сосредоточенным емкостям, а слабая ли-цевая связь между соседними парами резонаторов имеет индуктив-ный характер. Основная разница между ФНЧ на сосредоточенных элементах и ВГФ заключается в том, что в ВГФ заземлены обе об-кладки конденсаторов, образованных гребенками резонаторов, тогда как в ФНЧ заземлена только одна обкладка конденсатора. Эквива-лентные схемы ФНЧ и ВГФ приведены на рис. 2а и 2б соответ-ственно.

 а) ФНЧ б) ВГФ

Рис. 2 Эквивалентные схемы фильтров

Синтез ВГФ выполнялся в 2 этапа. На 1 этапе с использовани-ем электростатической модели многопроводной линии с лицевой связью [1] и параметрической оптимизации было определено необ-ходимое количество резонаторов фильтра в гребенке — 8 шт., а также требования к диэлектрической пластине.

Оказалось, что при уменьшении толщины диэлектрика или увеличении диэлектрической проницаемости геометрические раз-меры фильтра уменьшаются, однако это входило в противоречие с требуемой электрической прочностью фильтра и потерями. С этой точки зрения в реализованной конструкции ВГФ был выбран ди-электрический материал Rogers 5880 толщиной 0,38 мм.

На втором этапе выполнялся полный электродинамический расчет фильтра методом конечных элементов [2] и корректирова-лись размеры фильтра , полученные на 1 этапе, с целью обеспечения минимального уровня вносимых потерь и минимального коэффици-ента отражения от входа фильтра в заданной полосе пропускания.

3. Результаты изготовления опытной партии фильтров

Рис. 5 Сравнение расчетных и измеренных характеристик ВГФ 4 литер. Приведены резуль-

таты измерений без учета потерь в контактных устройствах.

 4. Заключение

В работе показана конструкция мощных полосовых фильтров, названных «встречно гребенчатыми фильтрами». Фильтры выдер-живают непрерывную мощность не менее 350 Вт, эффективно по-давляют вторую и третью гармоники и вносят малые потери (не бо-лее 0,8 дБ). Приведены результаты расчетов и измерений парамет-ров изготовленных фильтров 4-х поддиапазонов частот в L- и S- диапазонах.

 Список литературы

[1] Геворкян В. М., Перевезенцев С. А. Широкополосные полосно-пропускающие фильтры для трактов высокого уровня средней мощности // Материалы 15-й Международ-ной Крымской конференции.– Севастополь, 2015. С. 574 – 575.
[2] Радченко В.В. Анализ и синтез СВЧ-устройств на многопроводных полосковых линиях передачи // Материалы 8-й Международной Крымской конференции.– Севастополь, 1998. С. 569 – 572.
[3] Радченко В.В. Электромагнитное моделирование СВЧ устройств на основе ба-зисных функций высшего порядка // Материалы 21-й Международной Крымской конфе-ренции. — Севастополь, 2011. — С. 207 – 209.
[4] Патент РФ № 2237320/28,МПК7 Н01Р 1/203, опубл. 27.09.2004, Бюл. №27 Полосно-пропускающий фильтр / Беляев Б.А. , Лексиков А.А., Тюрнев В.В., Казаков А.В.