150459 (Коммутационно-фильтровое устройство радиолокатора непрерывного излучения с частотной манипуляцией и модуляцией), страница 2

,

где Q_m – требуемая добротность m-го звена;

Q_ф – заданная добротность всего фильтра;

n – число звеньев фильра.

Второй способ преодоления расчетных трудностей заключается в полной каталогизации всех трудоемких процессов расчета.

Приведем пример расчета полосно-пропускающего фильтра (ППФ) по следующим произвольно заданным характеристикам:

ГГц;

ГГц;

ГГц;

;

дБ;

тип характеристики – чебышевский.

1.Определим число звеньев фильтра:

;

;

;

;

;

;

Выбираем .

Определяем нормированную добротность каждого звена фильтра пользуясь табулированными значениями приведенными в [ ]:

;

;

3. Находим абсолютные значения добротностей:

;

4. Вычислим начальные добротности:

.

Аналогично вычисляем

с той лишь разницей, что контуры расположенные не на краях цепочки, а внутри имеют приращение вместо .

5. По графикам приведенным в [1,2] находим соответствующие проводимости индуктивных неоднородностей:

6. По графику в [1,2] находим относительные, а затем и абсолютные значения диаметров штырей:

мм;

мм;

мм;

7. Определим длину объемных резонаторов:

мм;

и аналогично

мм;

мм;

8. Вычислим расстояние между контурами:

мм;

мм;

Для объективной оценки основных параметров СВЧ фильтров специалисты используют понятие габаритного индекса потерь (G) [3,7], которое включает такие характеристики, как объем, затухание, избирательность, число звеньев и полосу пропускания.

Полоснопропускающий фильтр, имеющий наименьшую величину габаритного индекса потерь, считается оптимальным. Экспериментальные значения G для основных типов ППФ СВЧ для различных диапазонов длин волн приведены в [3]; исходя из них следует, что критерий качества фильтра (габаритный индекс потерь) ограничен по своему наименьшему значению.

Среднее значение G для длины волны см составляет 0,8 .

Рассчитаем G по следующей формуле:

;

где - потери ППФ;

V – эффективный объем ППФ в ;

n – число резонаторов;

- относительная полоса пропускания.

.

Вывод: фильтр рассчитан рационально.

Идея использования многослойных структур для фильтрации электромагнитных волн первоначально была успешно реализована в оптическом диапазоне. В 60 – 70-е годы эти же принципы фильтрации были перенесены в СВЧ диапазон, где в качестве волноведущих элементов широко используются как различные типы линии передачи, так и волны в свободном пространстве. Основными преимуществами, которые достигаются в таких фильтрах, являются: широкий частотный диапазон использования (0,5…30 ГГц); простота конструкции; низкий уровень вносимых потерь; высокий уровень пропускаемой мощности (до нескольких киловатт). К недостаткам ВДР, использующих традиционные волноведущие конструкции, следует отнести большие поперечные размеры, которые в основном определяются поперечными размерами волновода, и довольно низкие значения нагруженной добротности резонансных звеньев, что вынуждает увеличивать их число.

Для устранения отмеченных недостатков используют три направления:

1. Применение в качестве резонаторов структуры типа «А- сэндвич» с четвертьволновыми связями. Здесь нагруженная добротность существенно возрастает, но поперечное сечение остаётся довольно большим, так как необходимо обеспечить режим распространения основной волны на участке четвертьволновой связи.

2. Увеличение относительной диэлектрической проницаемости диэлектрических элементов, что приближает их к диэлектрическим резонаторам.

Однако спектр собственных колебаний ДР оказывается весьма насыщенным , в результате чего возможно появление нежелательных побочных полос пропускания в фильтрах, если не приняты специальные меры для их подавления.

3. Одновременное уменьшение поперечных размеров линии передачи и увеличение проницаемости ДЭ, когда рабочие частоты оказываются ниже критической частоты основной волны регулярной линии передачи (запредельный режим). В конструкции фильтра тогда можно достаточно четко выделить отрезки линий передачи с распространяющимися или затухающими волнами, которые чередуются в определённой последовательности. Такие фильтры естественным образом сопрягаются с СВЧ элементами, выполненными на волноводах, полностью заполненных диэлектриком, что создаёт условия для комплексной миниатюризации СВЧ устройств. Запредельные области легко создаются за счет нарушения однородности диэлектрического заполнения. Эти же области благоприятствуют разрежению спектра собственных колебаний резонансных элементов ВДФ.

Одномодовые волноводно – диэлектрические фильтры.

Для описания ВДР с плоскими слоями удобно ввести понятие обобщённого резонансного звена.

Физическая структура модели одномодового ВДФ

Обобщённое звено (рис. ) состоит из двух одинаковых отрезков запредельного волновода сечением , длиной , заполненного средой с проницаемостью , и диэлектрического слоя с проницаемостью длиной . Электрические длины диэлектрического слоя и запредельных участков обозначим и (рис. ).

Представление обобщённого звена ВДФ в виде четырёхполюсника

Обобщенное звено обладает резонансными свойствами и может быть представлено в виде четырёхполюсника, характеризуемого внешними параметрами: центральной частотой и нагруженной добротностью (рис.).

Представление обобщённого звена ВДФ в виде четырёхполюсника

Внешние параметры и однозначно определяются внутренними параметрами и , зависящими от конструктивного исполнения ВДР.

Использование обобщённых звеньев при анализе и синтезе многозвенных ВДФ в качестве базового элемента позволяет избежать искусственного разделения функций диэлектрического слоя и запредельных участков в формировании частотных характеристик и сократить число переменных, подлежащих определению при решении задачи синтеза ВДФ.

Волноводно-диэлектрический фильтр N-го порядка представляет собой каскадное соединение N обобщённых резонансных звеньев. Следует выделить три основных способа соединения обобщённых звеньев (рис. ), получивших наибольшее распространение на практике: непосредственное соединение обобщённых звеньев; соединение обобщённых звеньев через дополнительные участки запредельного волновода; соединение обобщенных звеньев через реактивные элементы, в роли которых обычно используются индуктивные диафрагмы.

Различным способам соединения обобщённых звеньев соответствуют различные типы реализуемых АЧХ. Так анализ структуры [ ] функции рабочего затухания N-звенного фильтра показывает возможность реализации при непосредственном соединении обобщённых звеньев АЧХ максимально плоского типа при N произвольном и чебышевских АЧХ при N нечётном, так как на центральной частоте структуры данного типа обеспечивают полную передачу энергии .

Для реализации чебышевских АЧХ при N четном связь обобщённых звеньев должна осуществляться через дополнительные отрезки связи, имеющие электрическую длину и выполненные на запредельном волноводе того же сечения, что и запредельный волновод обобщённого звена (рис. ).

Для связи обобщённых звеньев используют в определённых случаях металлические диафрагмы (рис. ). Введение металлических диафрагм в волноводно-диэлектрическую структуру позволяет уменьшить продольные габариты фильтров, в значительной степени уменьшить влияние паразитных колебаний в области частот выше критической частоты волновода.

Непосредственное соединение обобщённых звеньев

Соединение обобщённых звеньев через дополнительные участки запредельного волновода.

Соединение обобщённых звеньев через реактивные элементы

Аналитический синтез ВДФ основан на сравнении внешних параметров обобщённых звеньев , и нормированных параметров фильтров-прототипов с чебышевскими и максимально плоскими АЧХ. Расчет параметров фильтров-прототипов подробно рассмотрен в [ ] и для инженерных расчётов составлены соответствующие таблицы.

Эквивалентная схема многозвенного ВДФ приведена на (рис. .) Каждое обобщённое звено эквивалентно резонансному контуру с нагруженной добротностью . Фазовый набег или эквивалентная электрическая длина . Таким образом, каскадное соединение N обобщённых звеньев можно рассматривать как систему из резонансных контуров, соединённых через четвертьволновые участки линии или идеальные инверторы. Эквивалентная схема ВДФ оказывается тождественна схеме полосно-пропускающего фильтра-прототипа, используемого для расчета большинства типов СВЧ фильтров.

Эквивалентная схема многозвенного ВДФ

Задача синтеза ВДФ включает следующие этапы:

1. Выбор требуемого распределения нагруженных добротностей звеньев для реализации заданной АЧХ. Этот этап проводится при помощи таблиц параметров фильтров-прототипов [ ] или [ ].

2. Выбор диэлектрических материалов и геометрии запредельного волновода.

3. Определение внутренних параметров обобщённых звеньев , по известным внешним параметрам и .

4. Определение длин дополнительных отрезков связи при реализации чебышевских АЧХ четного порядка.

5. Определение конструктивных размеров ВДФ в соответствии с выбранной схемой реализации (рис. ).

Рассчитаем ВДФ со следующими параметрами:

1. Определим длину диэлектрического слоя , одинаковую для всех обобщённых звеньев в узкополосных ВДФ :