5.6. ФИЛЬТРЫ СВЧ НА ОСНОВЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ

Основным применением твердотельных резонаторов является использование их в малогабаритных фильтрах различных конструкций. На основе диэлектрических резонаторов обычно создаются миниатюрные полосно-заграждающие и полосно-пропускающие фильтры в том числе и в интегральном исполнении.

Принцип построения полосно-заграждающих фильтров (ПЗФ) основан на использовании связи диэлектрического резонатора с согласованной линией передачи [31, 140]. При сильной связи прохождение электромагнитной энергии уменьшается за счет отражения энергии ко входу устройства. Вносимое затухание при использовании одиночного резонатора определяется соотношением

Полоса режекции на уровне 3 дб равна

где полоса пропускания ненагруженного резонатора; К — общий коэффициент связи; обобщенная расстройка.

Необходимая в ряде случаев избирательность и степень заграждения достигается при каскадном включении нескольких диэлектрических резонаторов. В некоторых конструкциях используется связь отдельных резонаторов с линией передачи по различным составляющим магнитного поля [49]. Расчет характеристик подобных фильтров может быть выполнен при помощи соотношений, приведенных в предыдущих главах.

При построении полосно-пропускающих фильтров (ППФ) может быть использована резонансная связь двух линий передачи при помощи диэлектрических резонаторов. Входной и выходной линиями передачи могут быть волноводы, полосковые или коаксиальные линии передачи [33, 141]. Связь с резонаторами может быть также осуществлена посредством витков [142].

Полосно-пропускающий фильтр, использующий резонансное вращение плоскости поляризации (рис. 110), содержит обычно переход 1 с прямоугольного волновода на круглый (квадратный) волновод, поляризационный тройник 4, отрезок коротко-замкнутого волновода 2, внутри которого расположен

диэлектрический резонатор 3 (одиночный либо двойной). Прямоугольный волновод поляризационного тройника ориентирован так, что плоскость его поперечного сечения перпендикулярна электрическому вектору волны, поступающей на вход перехода 1. При этом вдали от резонанса прямоугольные волноводы перехода 1 и тройника 4 развязаны. При резонансе диэлектрический резонатор поворачивает плоскость поляризации волны и электромагнитная энергия отводится через поляризационный тройник. ППФ с несколькими полосами пропускания может быть построен с несколькими диэлектрическими резонаторами в волноводе.

Рис. 110. Полосно-пропускающий фильтр, в котором используется резонансное вращение плоскости поляризации в круглом волноводе с диэлектрическим резонатором:

1 — переход с прямоугольного на круглый волновод; 2— отрезок короткозамкнутого круглого волновода; 3 — диэлектрический резонатор; 4— поляризационный тройник.

Рис. 111. Двухрезонаторный полосно-пропускающий фильтр с диэлектрическими резонаторами: 1 — входной прямоугольный волновод; 2 — диэлектрические резонаторы; 3 - отрезок запредельного прямоугольного волновода; 4 - выходной прямоугольный волновод.

При этом каждый из них поворачивает плоскость поляризации электромагнитных волн с частотой, соответствующей своей полосе пропускания. Для расширения полосы пропускания фильтра можно использовать два резонатора с близкими резонансными частотами.

В большинстве практических случаев однорезонаторные фильтры имеют недостаточную избирательность и затухание вне полосы пропускания, поэтому широко применяются многорезонаторные ППФ. В них обычно используется взаимная связь между отдельными резонаторами. В ряде случаев связь осуществляется через отрезок запредельного волновода, а крайние резонаторы связаны с входной и выходной линиями передачи (рис. 111). Для расчета подобных многорезонаторных фильтров с диэлектрическими резонаторами можно использовать результаты теории синтеза СВЧ-фильтров на основе полых резонаторов [143]. При этом необходимо иметь расчетные соотношения для коэффициентов связи крайних резонаторов с волноводами и соотношение для коэффициента взаимной связи между диэлектрическими резонаторами.

Связь резонатора с входной или выходной линиями передачи зависит от амплитуды СВЧ магнитного поля в месте расположения резонатора. Наличие отрезка запредельного волновода приводит к уменьшению амплитуды СВЧ магнитного поля входного

(выходного) волновода в месте расположения диэлектрического резонатора вблизи входа запредельного волновода. Проведенные экспериментальные исследования [42] показали, что в конструкциях фильтров (рис. 111) при частном расположении резонатора в центре входного отверстия отрезка запредельного волновода при размерах волноводов, применяемых обычно для построения полосно-пропускающих фильтров для расчета связи диэлектрического резонатора с входным (выходным) прямоугольным волноводом, в первом приближении можно использовать соотношения (4.98), (4.99) для

Расчет взаимной связи между отдельными резонаторами, расположенными в отрезке круглого запредельного волновода при связи резонатора с волноводом по поперечной составляющей поля, приводит к соотношению для обобщенного коэффициента связи с учетом только волны типа

где расстояние между центрами одинаковых диэлектрических резонаторов; -радиус отрезка запредельного волновода. С учетом изложенного рассчитаем в качестве примера двух-резонаторный полосно-пропускающий фильтр на основе диэлектрических резонаторов.

Пример. Рассчитать двухрезонаторный волноводный фильтр с параметрами: резонансная частота полоса пропускания форма характеристики — чебышевская с неравномерностью 0,5 дб, материал резонаторов — рутил, собственная добротность 900.

Порядок расчета:

1. Резонансную частоту имеет дисковый рутиловый резонатор с размерами

2. При заданном уровне пульсаций элементы фильтра прототипа равны [143].

3. Требуемые коэффициенты связи резонаторов с волноводами равны

где относительная полоса пропускания фильтра. При расположении резонаторов на входе отрезка запредельного волновода такие коэффициенты связи могут быть реализованы при использовании входного и выходного волноводов сечением и расположении цилиндрического диэлектрического резонатора под углом к поперечной составляющей СВЧ магнитного поля прямоугольного волновода.

4. Требуемый коэффициент взаимной связи между резонаторами

При использовании отрезка круглого запредельного волновода диаметром 6 мм этот коэффициент связи получается при расстоянии между центрами диэлектрических резонаторов (длине отрезка запредельного волновода) порядка

Рис. 112. Фильтр на основе полосковой лииин с диэлектрическими резонаторами: а — связь диэлектрического резонатора с несимметричной полосковой линией передачи: 1 — центральный проводник линии передачи; 2— диэлектрический резонатор; б - трехрезонаторный полосно-пропускающий фильтр: 1 — подложка несимметричной полосковой линии; 2 — центральные проводники полосковой линии; 3 — короткозамкнутые плечи; 4 — диэлектрические резонаторы; 5, 6 — вход и выход фильтра.

Рис. 113. Зависимость резонансной частоты составного ферритодиэлектрического резонатора от напряженности поля подмагничивания.

Ценным свойством диэлектрических резонаторов является возможность применения их в качестве резонансных элементов в СВЧ интегральных схемах. Этому способствует простота связи диэлектрического резонатора с микрополосковой линией передачи (рис. 112, а). Возможный вариант многорезонаторного фильтра [144] на основе диэлектрических резонаторов, связанных с микрополосковыми линиями передачи, показан на рис. 112, б.

Механическая перестройка фильтров и других устройств на

основе диэлектрических резонаторов возможна при использовании двойных диэлектрических резонаторов. Удаление двух рядом расположенных резонаторов приводит к росту резонансной частоты фильтра (рис. 26). Этим способом можно перестроить резонансную частоту в полосе порядка 20%.

Магнитная перестройка становится возможной при расположении вблизи диэлектрического резонатора (или внутри него) образца из ферромагнитного материала, например, ферритового резонатора [94]. Ферритовый образец в форме диска прикреплен непосредственно к диэлектрическому диску резонатора. Образец в форме сферы или стержня помещается внутри диэлектрического диска. Перестройка осуществляется изменением внешнего поля подмагничивания (рис. 113). Механизм перестройки основан на использовании связи между резонансными колебаниями диэлектрического резонатора и ферромагнитного образца. Обычно используется область слабых полей подмагничивания вдали от частоты ферромагнитного резонанса.