5.3. ФИЛЬТРУЮЩИЕ ЦЕПИ

5.3.1. Передающие линии

Электрические волновые фильтры обладают свойством, обусловленным избирательным поглощением или избирательной передачей, которое позволяет им передавать энергию на одной или на нескольких полосах частот и препятствовать передаче энергии на других полосах частот.

Рис. 5. 11. фильтр, состоящий из лестничной цепи: а — схема с обобщенными проводимостями; б - фильтр ннжних частот.

Фильтры сверхвысоких частот можно рассчитывать, исходя непосредственно из теории передающих линий или, как это более принято, выводя их из структур с сосредоточенными элементами, имеющих заданные электрические характеристики. Индуктивности и емкости заменяются резонансными отрезками линий, элементами цепи и резонаторами. Конструкции с потерями, как правило, не применяются, и фильтры являются обычно двухплечими системами, избирательность по частоте определяется, главным образом, избирательным отражением, а вносимые потери рассматриваются, исходя из понятия КСВН на входе [283, 286].

Типичная схема фильтра [214], состоящего из лестничной цепи обобщенных проводимостей, показана на рис. 5.11, а. Частная конфигурация схемы, показанная на рис. 5.11, б, в которой

последовательными элементами являются индуктивн ости, а параллельными емкости, ведет себя как фильтр нижних частот, включенный между источником и приемником с внутренним сопротивлением Если отдельные ответвления состоят, как показано на рис. 5.12, и, из индуктивностей и емкостей, соединенных последовательно или параллельно, то получается полосовой фильтр. Если элементы не имеют потерь, то такое ответвление может быть описано через его резонансную частоту:

Рис. 5. 12. Лестничная цепь с резонансными элементами: а — полосовой фильтр с последовательными и параллельными элементами; б — эквивалентная схема четвертьволновой связи с использованием только параллельных элементов.

Нагруженная добротность для последовательных резонансных ответвлений определяется следующим образом:

а для параллельных резонансных ответвлений так:

Отношение мощностей на входе и выходе на частоте равно

Если частоты полуспада мощности, то

Отношение мощностей на входе и выходе может быть выражено через КСВН:

Функции затухания с большой крутизной получаются при использовании -пропзводпых фильтров, в ответвлениях которых дополнительно включаются параллельные или последовательные резонансные контуры.

Такие схемы могут быть преобразованы в простые параллельные или последовательные ответвления, осуществление которых на сверхвысоких частотах возможно при использовании связанных резонансных элементов или резонаторов [265, 266].

Фильтры сверхвысоких частот были предметом интенсивного изучения [47, 77, 97, 168, 185, 191].

Для исследования характеристики фильтра вне полосы пропускания, для определения влияния допусков и для проверки точности расчетных формул в широкой полосе частот были изучены [224] некоторые схемы фильтров с применением цифровых вычислительных машин. В одном классе фильтров сверхвысоких частот используются короткие отрезки линии передачи. Например, фильтры нижних частот и полосовые фильтры на более низших частотах диапазона сверхвысоких частот могут быть осуществлены [77, 161] с помощью разомкнутых и короткозамкнутых отрезков двухпроводных и коаксиальных линий. В одной конструкции [137] коаксиального фильтра параллельными реактивными элементами служили проводящие стержни, введенные между внутренним и внешним проводниками. Замкнутая петля линии передачи, в которой распространяется бегущая волна, явилась основой для другого фильтра [29]. Два направленных ответвителя позволяют осуществить связь между четырьмя выводами, причем устройство действует как цепь постоянного активного сопротивления с КСВН на входе, равным единице.

Для фильтров, выполненных на линиях передачи, волноводы выгодны тем, что со стороны низких частот они обладают собственной критической частотой. Резонансные размеры прямоугольного волновода могут быть выбраны, например, так, чтобы получить требуемую частотную характеристику. В фильтре Кона [32, 33] дополнительная критическая частота стороны высоких частот получается вследствие применения чередующихся волноводных секций одинаковой ширины, но различных по высоте. Критическая частота зависит от длины и волнового сопротивления этих секций. Практически осуществимы полосы пропускания с отношением крайних частот а применяя несколько волноводных секций, получают большую крутизну скатов характеристики фильтра и большее затухание в полосе непропускания. На рис. 5.13, а показана типичная характеристика такого фильтра. В общем случае фильтры рассмотренного типа не согласуются по сопротивлению со стандартными волноводами, и поэтому Кравен [38] предложил метод расчета, в котором согласование осуществляется с помощью плавных линейных переходов. На рис. 5.13, б показан фильтр на волноводе с сечением

с полосой пропускания размеры торого выбраны так, чтобы получить критические частоты с затуханием на частотах превышающим 30 и 20 дб соответственно. Были сконструированы и другие типы полосовых фильтров на гофрированном волноводе [78].

Простой тип узкополосного волноводного фильтра с малыми потерями [155] получается при помощи некоторого количества соответственно разнесенных четвертьволновых вставок из диэлектрика. Для полистирола с на частоте волновое сопротивление волновода сечением заполненного диэлектриком, будет вдвое меньше волнового сопротивления пустого волновода.

Рис. 5. 13. Широкополосный волноводный фильтр: а — частотная характеристика; б - типичней фильтр с полосой пропускания все размеры даны в миллиметрах. (См. [38].)

Небольшое отклонение от расчетной частоты изменяет и фазовый сдвиг и волновое сопротивление. Для приведенного примера, если число секций, то

для 7 и 15 секций добротность будет соответственно равна 400 и 102 400. Дальнейшее увеличение добротности может быть достигнуто, если сделать центральную секцию с воздушным заполнением длиной тогда для приведенного выше отношения полных сопротивлений добротность будет

Добротности, осуществляемые практически, зависят от тангенса угла потерь диэлектрика и от допуска на размеры вставок; экспериментальные результаты показывают, что наибольшие добротности будут порядка 10 000.

Риззи [172] построил режекторный фильтр с Т-образным соединением в Е-плоскости, резонансные размеры последовательного плеча которого были меньше, чем у главного волновода. Ниже критической

ской частоты последовательного плеча и выше критической частоты главного волновода энергия сверхвысоких частот будет передаваться с очень малыми потерями. На частотах выше критической частоты последовательное плечо устройства ведет себя подобно обычной последовательной Т-образной схеме и фильтр не будет пропускать частоты, на которых короткое замыкание в последовательном плече окажется на расстоянии от его входа. Выбирая критическую частоту последовательного плеча близкой к рсзопапсион частоте короткозамкнутого плеча, получают кривую затухания, очень быстро возрастающего с частотой. Так как частоты полосы пропускания меньше критической частоты последовательного плеча, то КСВН не зависит от положения в нем точек короткого замыкания.

Рис. 5. 14. Полосовой фильтр, в котором использовано явление критической частоты. (См. [172].)

Таким образом, задачи хорошего согласования в полосе пропускания фильтра и хорошей режекции в полосе его запирания можно рассматривать раздельно. Улучшенные характеристики получаются при использовании в фильтре многоэлементных схем. Если расположить две секции на расстоянии отражения от них взаимно уничтожаются, взаимная компенсация отражений второго порядка получается в том случае, если две пары секции расположить на расстоянии Изменение электрического расстояния с частотой можно скомпенсировать штырями с различным реактивным сопротивлением. Типичный образец такого устройства показан на рис. 5.14, а, а на рис. 5.14, б приведены кривые величины КСВН и затухания в полосе пропускания и в полосе непропускания в зависимости от частоты.

Гибридные соединения являются основой для другого типа неотражающего фильтра с ответвлениями [122]. Гибридное Т-образное соединение, имеющее в плечах отрезки предельных волноводов различной ширины [172], образует режекторный фильтр.

Частотная чувствительность обоих плеч может быть сделана одинаковой путем добавления отрезков волновода соответствующей ширины и длины за каждой предельной секцией. Характеристики фильтра нижних частот и полосового фильтра можно получить [203], используя гибридное соединение и отрезки предельного волновода. Фильтры нижних частот можно получать, например, с щелевым гибридным соединением, сопряженные выходы которого нагружены через короткие фазокорректирующие линии на одинаковые предельные секции волновода. Полосовые характеристики могут быть осуществлены путем введения на вход гибридного соединения третьего предельного волновода, имеющего меньшую критическую частоту. Подобные фильтры могут быть сконструированы с Т-образным гибридным соединением; свернутая конструкция с центральной частотой имела затуханне меньше 0,5 дб в полосе пропускания, равной и 20 дб в полосах режекцни на частотах, отстоящих на от средней частоты.

В другом фильтре с постоянным сопротивлением [107] используется конструкция, состоящая из круглого волновода и коротко-замкнутых радиальных линий небольшой длины. Колебания вида распространяются во входной и выходной секциях с линейной поляризацией и в части устройства, содержащей резонансные отрезки волноводов, преобразуются в колебания с круговой поляризацией. Реактивности, вводимые резонанснымн линиями, отражают на некоторых частотах падающую мощность, эта мощность поглощается в нагруженном боковом плече. Чтобы получить высокое отражение на частотах в полосе режекцни, были использованы три резонансные отрезка волновода. В одном из них частоты выше проходили без ослабления, частоты ниже этой частоты отражались с минимальным затуханием 32 дб. Сдвиг фаз в полосе пропускания изменялся от 200 до 120°. Такие направленные фильтры могут соединяться [221] каскадно через короткие отрезки линии передачи.