Файл: Негурей, А. В. Конструкции и техника СВЧ учебное пособие.pdf

Находим размер окна диафрагм по формуле (43)

, , 2 а

а х— а л — — arctg

7,2 (— 1,18)

4,30 см; d-> = 3,82 см.

16,'О

Толщину диафрагм выбираем из конструктивных соображе­ ний t= (0,2-^0,3) мм.

Вычисляем общую длину собственно фильтра (без учета: соединительных фланцев):

з

\Л,2 + l-j,a = 2 •5.35 -г- 5,88 [- 2 •9,62 « 36,0 см.

Конструктивный чертеж фильтра аналогичен рис. 18, а и б.

§4. Полосно-пропускающие фильтры на полосковых линиях

Впоследние годы при проектировании СВЧ узлов, рабо­ тающих с малыми и умеренными уровнями мощности, в том числе и фильтров, используются полосковые линии, внедрение которых в практику конструирования позволило получать СВЧ узлы с превосходными характеристиками методами мас­ сового производства, например с применением техники печат­ ных схем. В настоящее время узлы на полосковых линиях передачи освоены практически во всем диапазоне сантимет­

ровых волн и успешно внедряются в миллиметровые волны, в частности при проектировании интегральных схем прием­ ников и других устройств этого диапазона. Полосовые фильтры с применением других линий передачи, например ко­ аксиальных, сейчас выходят или уже вышли из употребле­ ния, поэтому ниже рассматриваются только ППФ на по­ лосковых линиях.

Проектирование сравнительно узкополосных ППФ на по­ лосковых линиях производится, как правило, по уже рассмот­ ренной методике использования фильтров-прототипов и пре­ образования частоты в соответствии с табл. 3. Проектирова­ ние широкополосных фильтров (с полосой до октавы и более) требует уже специального подбора функций преобразования частоты, например, преобразования Ричардса или подобных, хотя при проектировании некоторых типов широкополое-

72

ных ППФ оказываются достаточными более простые преоб­ разования табл. 3. Задача строгого синтеза широкополосных ППФ очень сложна, поэтому чаще проектирование фильтра осуществляется путем анализа заданной структуры, которая в общих чертах может быть получена из схемы фильтра-про­ тотипа, и подбором закона (Преобразования частоты, обеспе­ чивающего расчет характеристик реальной структуры с наи­ большим приближением.

Так же, как и волноводные ППФ, фильтры на полосковых линиях могут проектироваться с четвертьволновой или непо­ средственной связью. Возможные конфигурации таких фильт­ ров показаны на рис. 19. В схеме рис. 19, а резонансные диа­ фрагмы заменены параллельными короткозамкнутыми шлей­

фами 4 ’ схемы рис. 19, в, г аналогичны схеме фильтра с не­

рис. 19, б и г дуальны схемам а и б при замене параллельных проводимостей последовательными сопротивлениями того же знака, т. е. волновая проводимость линии заменяется волно­ вым сопротивлением, индуктивная проводимость — емкостным сопротивлением, параллельный короткозамкнутый шлейф — последовательным разомкнутым шлейфом; все характери­ стики фильтра при этом сохраняются. Все конфигурации рис. 19 (кроме б) легко реализуются на полосковых линиях, однако наибольшее практическое применение получила схема

частотной характеристики, вычислению длин соединительных отрезков lh и реактивностей связи Хи. Волновое сопротивле­ ние всех отрезков обычно берется одинаковым и равным вол­ новому сопротивлению подводящих линий Z0, хотя вариа­ цией волновых сопротивлений можно несколько улучшить ха­ рактеристики фильтра. Нагрузки на обоих концах фильтра также принимаются одинаковыми и равными RT= R a —Z0.

и Х ь вычисляются по

Ло

известным параметрам фильтра-прототипа gu с помощью сле­ дующих соотношений [15]:

73

Рис. 19. Схемы полосковых ППФ с четвертьволновой и’ непосредственной связью: а — фильтры с четвертьволновой

74

Электрическая длина отрезков линий 0ь отсчитывается от центров промежутков, как показано на рис. 2 0 , а. Конструк­ тивные размеры емкостных промежутков проще всего полу­ чить опытным путем, измеряя емкость между торцами отрез­ ков полосковой линии заданного поперечного сечения (рис. 20,6). Для увеличения емкости промежуток может иметь конфигурацию «ласточкиного хвоста» (рис. 2 0 , в), а иногда можно использовать и сосредоточенные конденсаторы, напри­ мер керамические.

Недостатками фильтров с непосредственной связью яв­ ляются значительная геометрическая длина и наличие пара­ зитной полосы пропускания на удвоенной центральной ча­ стоте 2 f0. Можно сократить длину фильтра в два раза, если перейти от сосредоточенной связи на торцах к распределен­ ной индуктивно-емкостной связи между соседними резонато­

^■о

рами, осуществляемой на длине отрезка, равной -г-, как по- 4

75

казано на рис. 20, г, д. Дополнительными преимуществами фильтров с параллельно связанными резонаторами являются увеличенные зазоры между резонаторами, что упрощает из­

в область 3f0. Резонаторы фильтра могут быть замкнуты на­ коротко или разомкнуты на концах. Фильтр с разомкнутыми резонаторами особенно удобен для печатного исполнения.

Можно показать, что фильтры рис. 20, г, д имеют те же характеристики, что и фильтры рис. 19, причем фильтр с разомкнутыми резонаторами аналогичен фильтру рис. 19,6, а фильтр с короткозамкнутыми резонаторами — фильтру рис. 19,а. Поэтому расчет фильтров с параллельно связан­ ными резонаторами также может производиться на основе характеристик фильтра-прототипа. Если полоса пропускания не превышает 20—30%, то расчет дает хорошее прибли­ жение к реальным характеристикам фильтра, только действи­ тельная полоса пропускания оказывается несколько уже рас­ четной. Сужение полосы увеличивается с расширением по­ лосы пропускания ППФ и равно 0,02 ( / 2 — Л)//о для полосы

10% и (0,05 — 0,08) ( /2 — /i)//o Для полосы 20%. Конструк­ тивный расчет фильтров с параллельно связанными резона­ торами может быть выполнен по формулам, имеющимся в работах [15], [16]. Широкополосные (с полосой до октавы и более) фильтры с параллельно связанными резонаторами мо­ гут быть рассчитаны по уточненной методике [15], отличаю­ щейся от приближенной выбором функции преобразования частоты прототипа нижних частот.

В качестве примера на рис. 21 приведены расчетные ха­ рактеристики и примерная конструкция фильтра с парал­ лельно связанными резонаторами (рис. 2 0 , д), проводники которого выполнены в виде полосок прямоугольного сечения, механически поддерживаемых короткозамыкающими пласти­ нами. Такая конструкция пригодна как для узкополосных, так и для широкополосных фильтров и не нуждается в диэлектри­ ческих опорах, а следовательно, имеет уменьшенные потери в полосе пропускания.

Дальнейшим усовершенствованием конструкций ППФ на полосковых линиях с распределенной связью явились так на­ зываемые фильтры на встречных стержнях и фильтры на гре­ бенчатой линии, представляющие собой цепочку связанных полосковых резонаторов, закороченных на одном конце и разомкнутых на другом. Резонаторы помещаются между

76

двумя параллельными заземленными платами, образующими наружные проводники симметричной полосковой линии. Резо-

наторы фильтра на встречных стержнях имеют длину Х0

Рис. 21. Конструкция (а) и расчетные характеристики (б) шестирезонаторного ППФ с параллельно связанными по­ лосковыми резонаторами.

поэтому короткозамкнутые концы соседних резонаторов должны быть противоположно расположены, иначе емкост­ ная и индуктивная связи компенсируют друг друга и пере­ дача энергии через фильтр станет невозможной. Резонаторы

77

между ними осуществляется преимущественно за счет маг­ нитного поля, поэтому короткозамкнутые концы всех резо­ наторов находятся на одной стороне, а для обеспечения резо­ нанса на рабочей частоте разомкнутые концы резонаторов нагружены сосредоточенными емкостями. Схематичное изоб­ ражение внутренних проводников (резонаторов) фильтров на встречных стержнях и на гребенчатой линии дано

фильтра с параллельно связанными резонаторами к фильтру на встречных стержнях (в).

на рис. 22, а и б соответственно. Структура ППФ на гребен­ чатой линии достаточно очевидна — это просто цепочка уко­ роченных резонаторов с магнитной связью, эквивалентная полосовому фильтру из параллельных контуров с индуктив­ ной связью. Структуру фильтра на встречных стержнях можно рассматривать как производную от фильтра, показан­ ного на рис. 2 0 , д, в котором каждый из полуволновых резо­ наторов разрезан пополам в узле тока и сложен вдвое, как показано на рис. 22, в. Крайние элементы фильтров с па-

78