5.3.2. Связанные резонаторы

Простой фильтр состоит из одиночного объемного резонатора, снабженного связями на входе и на выходе. Проходной резонатор, описанный Броуном [19], имел КСВН на входе в полосе пропускания 2,7-3,8 Ггц лучше 1,25, а затухание вторых гармоник этого диапазона превышало в нем 30 дб. Во многих применениях, однако, одиночный резонатор не дает в полосе непропусканпя достаточного затухания при заданных максимальных вносимых потерях в полосе пропускания. Относительная крутизна скатов характеристики фильтра возрастает с увеличением числа резонаторов, и поэтому были разработаны методы синтезирования многорезонаторных фильтров. Было показано [161], как изготовить узкополосные фильтры путем преобразования лестничной цепи в каскадное соединение резонансных контуров со слабой связью через взаимные индуктивности. Разработаны методы расчета фильтров со связанными резонаторами

[90, 131, 170, 171, 231, 274, 281] и распространены на широкополосные фильтры [31, 50—52, 121, 268], а также на учет диссипативных потерь [36].

Многорезонаторные фильтры можно разбить на два класса. К первому классу относятся фильтры с одинаковыми резонаторами связанными так, чтобы получить фильтр с высоким затуханием вне полосы пропускания и имеющий в то же время провалы затухания или выбросы внутри полосы пропускания, величина которых является возрастающей функцией числа резонаторов. Такое устройство относится к чебышевским фильтрам; вносимые потери определяются численно следующим образом:

где

нагруженная добротность каждого резонатора; отклонение от резонансной частоты; число резонаторов.

Нагруженная добротность всего фильтра превышает с коэффициентом, зависящим от Абсолютная величина провалов в полосе пропускания равна 0,16 дб для и почти 1 дб для Вносимые потери в децибелах в полосе непропускания определяются следующей формулой:

Второй тип фильтра — фильтр с максимально-плоской характеристикой, у которого выбросы в полосе пропускания устраняются за счет совпадения всех корней выражения вносимых потерь как функции частоты. Нагруженные добротности отдельных резонаторов распределяются по закону

где соответствующие нагруженные добротности резонатора и всего фильтра. Вносимые потери в полосе передачи определяются формулой

где

вносимые потери в полосе затухания в данном случае меньше, чем у соответствующего чебышевского фильтра при той же полосе пропускания.

Были рассчитаны практические конструкции фильтров с непосредственной связью для различных диапазонов сверхвысоких частот [8, 28, 56, 118, 119, 120, 177, 186]. Приведены [197]

универсальные расчетные кривые для трехрезонаторных полосовых фильтров, имеющих минимальные вносимые потери и максимально-плоскую или чебышевскую характеристику с выбросами от 0,5 до 3,0 дб. Резонансным элементом может быть резонатор, построенный в самом волноводе; в типичных конструкциях на частоте используются неоднородности в виде штырей и диаграмм. Механические допуски на изготовление резонаторных фильтров достаточно жесткие, однако соответствующая методика регулировки [49] облегчает их производство и проверку. Где можно, предусматриваются устройства, подобные емкостному винту, которые обеспечивают регулировку резонансной частоты в пределах 10%. Для того чтобы получить двухгорбую характеристику, в перестраиваемых фильтрах используются намагниченные ферриты [21] или два пересекающихся вида в цилиндре с квадратным основанием [192]; такие фильтры применяются [156] для амплитудной модуляции передаваемого сигнала.

В некоторых случаях отдельные резонаторы могут заменяться одним резонатором с вырожденными видами колебаний [269]. Искажения геометрической формы резонатора нарушают независимость некоторых из этих видов и приводят к обмену энергии между ними. Такой процесс может быть представлен эквивалентной схемой, состоящей из идеальных взаимных связей между параллельными резонаторами. Соответствующие искажения геометрическом формы осуществляются в виде небольших по объему элементов идеального проводника, таких, как вставки или зонды, располагаемых в критических точках внутри резонатора или небольших тонких петель, помещаемых в точках интенсивного магнитного поля. С помощью зондов осуществляется связь между колебаниями, магнитные поля которых коллинеарны относительно зонда, а посредством петли осуществляется взаимодействие видов, составляющие магнитного поля которых перпендикулярны к плоскости петли.

Многозвенный фильтр получается в результате реализации цепи видов колебаний, последовательно связанных между собой от входа резонатора до его выхода. Для подобного применения необходимы такие точки резонатора, в которых один вид колебаний может быть связан со следующим видом цепи, при этом не должны возникать случайные связи среди любых других видов колебаний или между любым видом колебаний и внешними входной и выходной линиями. В круглом цилиндрическом резонаторе было связано в цепочку от входа до выхода до пяти, видов колебаний [123], полученная структура компактна, обладает небольшим весом и легко регулируется.

На рис. 5.15, а показано устройство сферического резонатора, сконструированного Карри [45], в котором связаны три вида колебаний. Поперечное магнитное поле колебаний волноводного вида возбуждает четный сферический вид колебаний Соответствующий нечетный вид колебаний не возбуждается, так

как магиитное поле этого вида колебаний ортогонально к входной диафрагме; подобным образом не возбуждаются колебания вида так как его поля исчезают на входной диафрагме. Первый зонд связывает колебания видов и не создавая в то же время паразитных связей с колебаниями вида . В свою очередь, второй зонд осуществляет однозначную связь между колебаниями видов последний возбуждает соответствующим образом ориентированный выходной волновод. 1 еоретическая кривая вносимых потерь такого фильтра, в котором используется резонатор с диаметром и с резонансной частотой показана на рис. 5.15, б.

Рис. 5. 15. Фильтр со сферическим резонатором с вырожденным видом колебаний: а — контуры магнитного поля; б - частотная характеристика. (См. [45].)

Расчет был выполнен для полосы пропускания и с допуском на потери в полосе пропускания 1 дб. Экспериментальные результаты как с оптимальной связью, так и с критической хорошо совпали с теорией. Когда зонды были утоплены в стенку резонатора, вносимые потери превысили 55 дб.

Фильтры, обладающие направленными свойствами, могут быть осуществлены в форме резонаторов, если дополнить их направленными ответвителями соответствующих конструкций. Например, два коротких отрезка волновода в двухщелевом направленном ответвителе могут быть заменены прямоугольными резонаторами. Для работы направленного фильтра необходима определенная полярность связи, которая может быть достигнута надлежащим расположением и ориентацией отверстий связи по отношению к резонаторам. Волны с круговой поляризацией были использованы Коном и Коалом [34] в направленном фильтре, показанном вверху справа на рис. 5.16. Одиночный цилиндрический резонатор с помощью отверстий связан

с двумя прямоугольными волноводами. Каждое отверстие связи смещено от центральной линии широкой стенки волновода так, что волна, входящая в плечо 1 прямоугольного волновода, возбуждает в резонаторе резонансную волну с круговой поляризацией. Резонатор будет направленно связан с плечом 4 вторичного прямоугольного волновода, а, поскольку применяется круговая поляризация, два прямоугольных волновода могут находиться под любым углом друг к другу. Кривые вносимых потерь и КСВН на рис. 5.16 показывают направленные свойства системы; наибольшая избирательность фильтра может быть получена при каскадном включении связанных резонаторов.

Рис. 5. 16. Характеристики волноводного направленного фильтра. (См. [34].)

Нелсон [147, 148] в других типах фильтров использовал связь через поперечные электрические и магнитные поля, которые в прямоугольном волноводе находятся в фазе, а в резонаторе сдвинуты на 90°. Такой фильтр, в котором используются колебания вида показан на рис. 5.17, а. Форма щелей в фильтре такова, что связь для обоих видов колебаний в резонаторе одинакова. В фильтре, показанном на рис. 5.17, б, используются колебания вида . В резонаторе электрическое поле будет продольным; за счет связи между электрическими и магнитными полями в волноводе возбуждается два ортогональных вырожденных вида колебаний. Отверстие связи расположено на центральной линии волновода в положении максимальной поляризации. Для создания в фильтрах с круговой поляризацией перестраиваемых невзаимных устройств используются ферритовые вставки [146, 276, 284], которые не изменяют заданных особенностей резонаторов с малыми потерями [217].

Частотно-избирательный разветвитель, пли мультиплексер, — это устройство, применяемое для разделения сигналов различных частот, существующих в одной и той же цепи, и направляющее их

во вспомогательные цепи или наоборот. Частотно-избирательный разветвитель на N каналов, предложенный Раганом [161], показан на рис. 5.18, а. В системах частотно-избирательного разветвления применяются также и направленные фильтры [30]; в одном примере [165] часть ответвляющей цепи была образована ферритовым циркулятором.

Рис. 5. 17. Резонаторные фильтры с круговой поляризацией. Связь осуществляется по электрическому и магнитному полям, а — резонатор с колебаниями вида ; б - резонатор с колебаниями вида показаны поля вырожденных ортогональных видов колебаний. (См. [147].)

Сконструировано несколько двухканальных устройств или диплексеров [14, 40, 158], включая и модель для больших мощностей [225].

Рис. 5. 18. Частотно-избирательные разветвители резоиаторного типа. а — частотно-избирательный разветвитель для N каналов с диафрагмой связи; б - двухканальный разветвитель с круглыми резонаторами, расположенными на критическом расстоянии друг от друга. (См. [161].)

Типичное устройство двух канального разветвителя показано на рис. 5.18, б. Для создания согласованного фильтра, способного ответвлять при резонансе почти всю мощность из главного волновода, необходимо иметь два резонатора; резонатор

режекции с малыми потерями должен быть расположен на критическом расстоянии от проходного резонатора. Применение фильтра сверхвысоких частот предусматривает также режекцию нежелательных частот гармоник, попадающих с выхода передающих ламп большой мощности [35, 211, 212, 216, 248].