Результат интеллектуальной деятельности: ВОЛНОВОДНЫЙ ПОЛОСНО-ЗАГРАЖДАЮЩИЙ ФИЛЬТР

Изобретение относится к СВЧ-технике и может быть использовано в конструкциях волноводных полосно-заграждающих фильтров, предназначенных для ослабления определенной спектральной составляющей в волноводных СВЧ-трактах с прямоугольными волноводами, например в волноводных СВЧ-трактах атомно-лучевых стандартов частоты.

Известен волноводный полосно-заграждающий фильтр, описанный в [1] - «Диэлектрические резонаторы» /Под ред. М.Е.Ильченко /М., Радио и связь, 1989 (с.161, рис.8.1а), содержащий корпус, выполненный в виде отрезка прямоугольного волновода с основной волной типа Н₁₀, внутри которого вблизи одной из узких стенок и параллельно ей размещен цилиндрический диэлектрический резонатор. Резонансная частота такого полосно-заграждающего фильтра определяется собственной резонансной частотой диэлектрического резонатора и сдвигом этой частоты, зависящим от расстояния между диэлектрическим резонатором и внутренней поверхностью указанной стенки. На резонансную частоту влияет изменение температуры окружающей среды, вызывающее изменение линейных размеров диэлектрического резонатора и внутренней полости корпуса.

Известен волноводный полосно-заграждающий фильтр, описанный в [2] - US №4124830, H 01 P 1/20, H 01 P 7/06, H 01 P 1/00, 07.11.1978, содержащий корпус, выполненный в виде отрезка прямоугольного волновода, и два диэлектрических резонатора, имеющих форму прямого кругового цилиндра, установленных в противоположных широких стенках корпуса на расстоянии друг от друга в продольном направлении, равном длине волны резонансной частоты. Каждый из диэлектрических резонаторов размещен в прямоугольном сквозном отверстии в широкой стенке корпуса на равном удалении от узких стенок, причем так, что часть диэлектрического резонатора выступает во внутреннюю полость корпуса, а другая часть выступает наружу. При этом ось симметрии каждого диэлектрического резонатора ортогональна продольной оси корпуса и параллельна его широким стенкам, а плоские торцы диэлектрических резонаторов параллельны узким стенкам корпуса. Выступающая наружу часть каждого диэлектрического резонатора заэкранирована электропроводным кожухом, снабженным подстроечным элементом в виде подвижного торцевого винта. Такой фильтр характеризуется небольшим затуханием на резонансной частоте и зависимостью резонансной частоты от изменения температуры окружающей среды. Эта зависимость обусловлена, в частности, влиянием температуры на геометрические параметры конструктивных элементов, определяющих резонансную частоту. Фильтр не содержит технических средств, обеспечивающих стабилизацию резонансной частоты в условиях изменения температуры окружающей среды.

Известен волноводный фильтр, описанный в [3] - US №4321568, H 01 P 1/208, H 01 P 1/209, H 01 P 7/10, H 01 P 7/06, 23.03.1982, содержащий корпус, выполненный в виде отрезка прямоугольного волновода, и два диэлектрических резонатора, имеющих форму прямого кругового цилиндра, размещенных в корпусе на одинаковом расстоянии от его торцов. Один из диэлектрических резонаторов размещен со стороны широкой стенки корпуса с ориентацией, аналогичной ориентации диэлектрического резонатора в описанном выше фильтре [2]. Второй диэлектрический резонатор размещен аналогично первому, но на узкой стенке корпуса, при этом ось симметрии второго диэлектрического резонатора ортогональна оси первого диэлектрического резонатора. Такой фильтр характеризуется небольшим затуханием на резонансной частоте и зависимостью резонансной частоты от изменения температуры окружающей среды. Зависимость резонансной частоты от температуры обусловлена, как и в фильтре [2], влиянием температуры на геометрические параметры конструктивных элементов, определяющих эту частоту. Как и фильтр [2] фильтр [3] не содержит технических средств, обеспечивающих стабилизацию резонансной частоты в условиях изменения температуры окружающей среды.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является волноводный полосно-заграждающий фильтр, описанный в [4] - US №4500859, H 01 P 1/207, H 01 P 7/10, H 01 P 1/00, 19.02.1985, который принят в качестве прототипа.

Фильтр-прототип содержит корпус, выполненный в виде отрезка прямоугольного волновода, и диэлектрический резонатор, имеющий форму прямого кругового цилиндра, размещенный внутри корпуса на диэлектрическом основании вблизи одной из узких стенок так, что торцевые поверхности диэлектрического резонатора параллельны этой стенке. Соосно с диэлектрическим резонатором в диэлектрическом основании установлен подвижный стержень, выполняющий функцию настроечного элемента. Резонансная частота фильтра-прототипа определяется резонансной частотой диэлектрического резонатора и сдвигом частоты, зависящим от взаимного расстояния между указанной узкой стенкой корпуса, диэлектрическим резонатором и подвижным стержнем.

При изменении температуры окружающей среды изменяются размеры внутренней полости корпуса, диэлектрического резонатора, подвижного стержня и взаимного расстояния между ними, что приводит к изменению резонансной частоты фильтра-прототипа. При этом в фильтре-прототипе нет никаких средств, обеспечивающих какую-либо компенсацию температурных изменений геометрических параметров конструктивных элементов, влияющих на резонансную частоту. Отсутствие средств температурной стабилизации резонансной частоты является недостатком фильтра-прототипа.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание конструкции волноводного полосно-заграждающего фильтра, в котором в диапазоне рабочих температур осуществляется взаимная компенсация температурных изменений геометрических параметров элементов, влияющих на резонансную частоту, приводящая к стабилизации резонансной частоты.

Сущность изобретения заключается в следующем. Волноводный полосно-заграждающий фильтр содержит корпус, выполненный в виде отрезка прямоугольного волновода, и диэлектрический резонатор, имеющий форму прямого кругового цилиндра, размещенный внутри корпуса вблизи одной из его узких стенок так, что его торцевые поверхности параллельны этой стенке. В отличие от прототипа, диэлектрический резонатор соосно закреплен на конце диэлектрического стержня, который проходит через соответствующее отверстие, выполненное в указанной стенке корпуса, и состыкован другим своим концом соосно с торцом настроечной втулки, размещенной внутри зажимного узла, состыкованного с этой же стенкой с наружной стороны корпуса, причем зажимной узел выполнен таким образом, что в разжатом состоянии обеспечивается возможность продольного перемещения настроечной втулки внутри зажимного узла, а в зажатом - фиксация настроечной втулки в зажимном узле на участке, находящемся на противоположном конце от диэлектрического стержня. При этом толщина L₁ указанной стенки корпуса на участке стыковки с ней зажимного узла, длина L₂ зажимного узла на участке от места его стыковки со стенкой корпуса до места фиксации в нем настроечной втулки, длина L₃ настроечной втулки на участке от места стыковки с ней диэлектрического стержня до места ее фиксации в зажимном узле, длина L₄ диэлектрического стержня и коэффициенты α₁, α₂, α_з, α₄ линейного расширения материалов, из которых выполнены соответственно корпус, зажимной узел, настроечная втулка и диэлектрический стержень, связаны между собой соотношением

0,8≤а/b≤1,2,

где a=α₁L₁+α₂L₂;

b=α₃L₃+α₄L₄.

В преимущественных вариантах выполнения используется диэлектрический резонатор, температурный коэффициент частоты которого не более 1·10^-6 град^-1

Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняется чертежами, представленными на фиг.1 и 2, иллюстрирующими пример выполнения волноводного полосно-заграждающего фильтра с резонансной частотой 9,180 ГГц, предназначенного для применения в волноводном СВЧ-тракте цезиевого атомно-лучевого стандарта частоты.

На фиг.1 представлен схематический чертеж волноводного полосно-заграждающего фильтра (общий вид, поперечный разрез).

На фиг.2 представлены графики, иллюстрирующие зависимость относительного изменения резонансной частоты волноводного полосно-заграждающего фильтра от температуры окружающей среды для трех материалов выполнения настроечной втулки.

Заявляемый волноводный полосно-заграждающий фильтр (далее фильтр) содержит корпус 1, выполненный в виде отрезка прямоугольного волновода с резьбовыми отверстиями 2 в торцах для присоединения фланцев сопрягаемых прямоугольных волноводов с основной волной Н₁₀. Внутри корпуса 1 вблизи одной из его узких стенок 3 размещен диэлектрический резонатор 4, имеющий форму прямого кругового цилиндра. Торцевые поверхности диэлектрического резонатора 4 параллельны стенке 3. Диэлектрический резонатор 4 одним своим торцом соосно закреплен, например приклеен, на конце диэлектрического стержня 5. Диэлектрический стержень 5 проходит через отверстие 6, выполненное в стенке 3, и состыкован другим своим концом соосно с торцом настроечной втулки 7. В рассматриваемом примере эта стыковка осуществлена путем установки конца диэлектрического стержня 5 в торцевом отверстии 8 настроечной втулки 7 и взаимной их стяжки с помощью винта 9, для чего в диэлектрическом стержне 5 выполнено соответствующее осевое резьбовое отверстие. Настроечная втулка 7 располагается внутри зажимного узла 10, состыкованного со стенкой 3 с наружной стороны корпуса 1. В рассматриваемом примере эта стыковка осуществлена путем закрепления зажимного узла 10 в соответствующем гнезде корпуса 1 с помощью винтов 11, расположенных на угловом расстоянии 180° друг от друга.

В рассматриваемом примере зажимной узел 10 выполнен в виде цангового зажима с фиксирующей гайкой 12. В разжатом состоянии зажимного узла 10, т.е. при отпущенной или снятой фиксирующей гайке 12, обеспечивается возможность продольного возвратно-поступательного перемещения настроечной втулки 7 внутри зажимного узла 10. В зажатом состоянии, т.е. при затянутой фиксирующей гайке 12, обеспечивается фиксация настроечной втулки 7 в зажимном узле 10 на участке, находящемся на противоположном конце от диэлектрического стержня 5.

В простейшем случае, проиллюстрированном на фиг.1, перемещение настроечной втулки 7 внутри зажимного узла 10 обеспечивается путем ее ввинчивания-вывинчивания. Для этого настроечная втулка 7 и внутренний канал зажимного узла 10 имеют соответствующие резьбовые участки с шагом резьбы, выбранным из условия обеспечения возможности настройки резонансной частоты на номинальное значение с определенной точностью. В более сложных вариантах конструкции (в настоящей заявке не рассматриваются) могут использоваться, например, редукторные, кулачковые или иные механизмы прецизионного продольного перемещения настроечной втулки 7.

Все элементы заявляемого фильтра, за исключением диэлектрического резонатора 4 и диэлектрического стержня 5, выполнены металлическими, что обеспечивает электромагнитное экранирование отверстия 6 в стенке 3. Материалы, из которых выполнены корпус 1, зажимной узел 10, настроечная втулка 7 и диэлектрический стержень 5 имеют соответственно коэффициенты линейного расширения α₁, α₂, α₃ и α₄.

В преимущественных вариантах выполнения используется диэлектрический резонатор 4 с небольшим (не более 1·10^-6 град^-1) температурным коэффициентом частоты, например диэлектрический резонатор, выполненный из материала «В-40» (см. [5] -«Высокочастотные керамические материалы и микроволновые элементы. Каталог» / OOO «Керамика», Санкт-Петербург, 2000). Температурный коэффициент частоты диэлектрического резонатора 4 определяется как отношение величины относительного изменения его собственной резонансной частоты (Δf/f_др0) к вызвавшему это изменение изменению температуры (ΔТ).

Сборка заявляемого фильтра осуществляется следующим образом. На корпусе 1 закрепляется зажимной узел 10 с настроечной втулкой 7. Диэлектрический резонатор 4 закрепляется на конце диэлектрического стержня 5, после чего диэлектрический стержень 5 вносится во внутреннюю полость корпуса 1. Затем свободный конец диэлектрического стержня 5, в котором выполнено осевое резьбовое отверстие, пропускается через отверстие 6 в стенке 3, вставляется в торцевое отверстие 8 настроечной втулки 7 и притягивается к ней с помощью винта 9.

Собранный таким образом фильтр соединяется с сопрягаемыми прямоугольными волноводами и настраивается на номинальную резонансную частоту.

Резонансная частота заявляемого фильтра для основной волны Н₁₀ определяется собственной резонансной частотой диэлектрического резонатора 4 и сдвигом частоты, обусловленным влиянием ближайшей к диэлектрическому резонатору 4 узкой стенки 3. При этом, чем меньше расстояние между диэлектрическим резонатором 4 и обращенной к нему поверхностью стенки 3, тем резонансная частота фильтра больше. Таким образом, за счет изменения положения диэлектрического резонатора 4 внутри корпуса 1 относительно стенки 3 можно в определенных пределах настраивать резонансную частоту фильтра. В рассматриваемом примере настройка фильтра на номинальное значение резонансной частоты осуществляется при разжатом состоянии зажимного узла 10 (при отпущенной или снятой гайке 12) путем ввинчивания-вывинчивания настроечной втулки 7, с которой состыкован диэлектрический стержень 5, несущий на другом своем конце диэлектрический резонатор 4.

После настройки фильтра на номинальное значение резонансной частоты зажимной узел 10 зажимается путем затяжки фиксирующей гайки 12. При этом фиксируется положение настроечной втулки 7 в зажимном узле 10 (в месте ее зажима фиксирующей гайкой 12), фиксируется расстояние между диэлектрическим резонатором 4 и стенкой 3, фиксируется настроенное значение резонансной частоты.

В настроенном и готовом для применения фильтре расстояние между диэлектрическим резонатором 4 и стенкой 3 составляет величину L₀, толщина стенки 3 на участке стыковки с ней зажимного узла 10 составляет величину L₁, длина участка зажимного узла 10 от места его стыковки со стенкой 3 до места фиксации в нем настроечной втулки 7 составляет величину L₂, длина участка настроечной втулки 7 от места стыковки с ней диэлектрического стержня 5 до места ее фиксации в зажимном узле 10 составляет величину L₃, длина диэлектрического стержня 5 составляет величину L₄, длина участка настроечной втулки 7 от свободного конца, выступающего из фиксирующей гайки 12, до места стыковки с ней диэлектрического стержня 5 составляет величину L₅ (фиг.1).

Величины L₁, L₂, L₄, L₅ являются конструктивными параметрами, получаемыми в результате изготовления соответствующих элементов фильтра. Величина L₃ является параметром, получаемым в результате настройки резонансной частоты фильтра; эта величина постоянна для настроенного фильтра и ее значение может быть определено, например, путем измерения длины L₆ выступающей из фиксирующей гайки 12 части настроенной втулки 7 (фиг.1) и последующего вычитания L₆ из известного значения L₅ (L₃=L₅-L₆).

Материалы, из которых выполнены корпус 1, зажимной узел 10, настроечная втулка 7 и диэлектрический стержень 5, выбраны с такими коэффициентами линейного расширения α₁, α₂, α₃ и α₄, что выполняется соотношение

0,8≤а/b≤1,2,

где a=a₁L₁+α₂L₂;

b=а₃L₃+α₄L₄.

Значения границ этого соотношения 0,8≤a/b≤1,2 определены в ходе экспериментальной отработки конструкции, использующей диэлектрический резонатор 4 с температурным коэффициентом частоты 1·10^-6 град^-1, и представляют собой результат компромиссного решения, обеспечивающего, с одной стороны, возможность применения достаточно широкой номенклатуры материалов для изготовления корпуса 1, зажимного узла 10, настроечной втулки 7 и диэлектрического стержня 5, а с другой - возможность получения приемлемых характеристик по температурной стабильности резонансной частоты.

Как и в рассмотренных выше прототипе и аналогах с изменением температуры окружающей среды все элементы заявляемого фильтра изменяют свои размеры пропорционально коэффициентам линейного расширения материалов, из которых они выполнены, что влияет на значение резонансной частоты. Тем не менее, при выполнении указанного выше соотношения 0,8≤(a₁L₁+α₂L₂)/(а₃L₃+α₄L₄)≤1,2 в заявляемом фильтре в диапазоне рабочих температур имеет место если не полная, то по крайней мере частичная компенсация температурных изменений расстояния L₀, что дает эффект стабилизации этого расстояния и, следовательно, резонансной частоты фильтра в условиях изменения температуры окружающей среды (в той мере, в которой изменение этого расстояния под действием температуры влияет на изменение резонансной частоты).

Эффект компенсации изменения расстояния L₀ при изменении температуры окружающей среды, реализуемый в заявляемом фильтре, можно пояснить следующим. Например, при увеличении температуры окружающей среды на величину ΔТ диэлектрический стержень 5 удлиняется на величину ΔТα₄L₄. Поскольку диэлектрический стержень 5 упирается в настроечную втулку 7, жестко зафиксированную в зажимном узле 10 с помощью фиксирующей гайки 12, то по отношению к точке фиксации (условно неподвижной точки, относительно которой оцениваются все указанные ниже удлинения) вектор этого удлинения направлен в сторону диэлектрического резонатора 4, т.е. удлинение диэлектрического стержня 5 приводит к соответствующему удалению диэлектрического резонатора 4 от стенки 3. К этому удалению приплюсовывается и увеличение длины самой настроечной втулки 7 на участке от места стыковки с ней диэлектрического стержня 5 до места ее фиксации в зажимном узле 10, определяемое как ΔТα₃L₃. Это суммарное удаление компенсируется за счет «догоняющего» приближения стенки 3 к диэлектрическому резонатору 4 в результате увеличения длины зажимного узла 10 на участке от места его стыковки со стенкой 3 до места фиксации в нем настроечной втулки 7 на величину ΔТα₂L₂ и расширения стенки 3 на участке стыковки с ней зажимного узла 10 на величину ΔТα₁L₁. В итоге результирующее изменение расстояния ΔL₀ определяется как ΔL₀=ΔТ(α₃L₃+α₄L₄)-ΔТ(α₁L₁+α₂L₂). При равенстве ΔТ(α₃L₃+α₄L₄) и ΔТ(α₁L₁+α₂L₂), т.е. при соотношении (α₃L₃+α₄L₄)/(α₁L₁+α₂L₂)=1(а/b=1), достигается эффект полной компенсации температурных изменений расстояния L₀ (ΔL₀=0). В остальных случаях, удовлетворяющих соотношению 0,8≤а/b≤1,2, обеспечивается эффект приемлемой для практики частичной компенсации температурных изменений расстояния L₀. (В представленных пояснениях процессы температурного удлинения настроечной втулки 7 и зажимного узла 10 относительно точки их взаимной фиксации посредством фиксирующей гайки 12 рассмотрены как независимые, на которые не влияет имеющееся между ними резьбовое соединение, что объясняется тем, что для рассматриваемых здесь температурных расширений данное резьбовое соединение настроечной втулки 7 и зажимного узла 10 не является абсолютно жестким, имеет определенную степень свободы в осевом направлении, а, кроме того, векторы температурного удлинения настроечной втулки 7 и зажимного узла 10 являются однонаправленными).

Поскольку резонансная частота фильтра, как отмечалось выше, зависит от расстояния L₀, то рассмотренная температурная стабилизация расстояния L₀ дает эффект температурной стабилизации резонансной частоты. При этом в заявляемом фильтре стабилизирующий эффект в отношении резонансной частоты тем выше, чем стабильнее температурные параметры диэлектрического резонатора 4 (чем меньше значение его температурного коэффициента частоты). Практически, в заявляемом фильтре при использовании диэлектрического резонатора 4 с температурным коэффициентом частоты не более 1·10^-6 град^-1 в диапазоне рабочих температур 0-50°С обеспечивается уменьшение от 3 до 5 раз значения относительного изменения резонансной частоты фильтра (Δf/f) no сравнению с фильтрами типа аналогов и прототипа, использующими диэлектрические резонаторы с таким же температурным коэффициентом частоты.

Работоспособность заявляемого фильтра и возможность достижения в нем эффекта температурной стабилизации резонансной частоты подтверждены экспериментально, путем сравнительных испытаний трех модификаций заявляемого фильтра, отличающихся между собой материалами выполнения настроечной втулки 7.

Во всех трех испытуемых фильтрах в качестве диэлектрического резонатора 4 использован дисковый диэлектрический резонатор, выполненный из материала «В-40» с диэлектрической проницаемостью, равной 40 (см., например, [5]), с диаметром 5 мм, высотой 3 мм и температурным коэффициентом частоты ТКЧ₀≈1·10^-6 град^-1 Диэлектрический стержень 5 выполнен из полиамида марки «ПА6» (α₄≈3,3·10^-6 град^-1), имеет диаметр 3 мм и длину L₄=11 мм. Корпус 1 выполнен из алюминиевого сплава марки «Д-16» (α₁=22·10^-6 град^-1), размеры его внутренней полости в поперечном сечении составляют 23×10 мм, толщина стенки 3 на участке сочленения с ней зажимного узла 10 составляет величину L₁=5,5 мм. Зажимной узел 10 выполнен из бронзы марки «БрКМцЗ-1» (α₂=19·10^-6 град^-1), длина участка зажимного узла 10 от места его стыковки со стенкой 3 до места фиксации в нем настроечной втулки 7 составляет величину L₂=16 мм. Настроечная втулка 7 в первом фильтре выполнена из алюминиевого сплава марки «Д-16» (α₃=22·10^-6 град^-1), во втором фильтре - из бронзы марки «БрКМцЗ-1» (α₃=19·10^-6 град^-1), в третьем фильтре - из стали марки «Ст-3» (α₃=13·10^-6 град^-1). Диаметр настроечной втулки 7 равен 8 мм, шаг резьбы 0,5 мм, длина участка настроечной втулки 7 от места стыковки с ней диэлектрического стержня 5 до места ее фиксации в зажимном узле 10 составляет величину L₃=17 мм. Во всех трех фильтрах номинальная резонансная частота равна 9,180 ГГц, добротность порядка 10³, крутизна перестроечной характеристики фильтра определяется величиной 4·10⁷ Гц/мм, затухание сигнала резонансной частоты при прямом прохождении через фильтр составляет величину порядка 35 дБ. Для первого фильтра выполняется соотношение a/b=(α₁L₁+α₂L₂)/(α₃L₃+α₄L₄)≈1,04, что находится примерно в центре заданного диапазона 0,8≤a/b≤1,2, для второго фильтра выполняется соотношение a/b≈1,18, что находится примерно на границе заданного диапазона, для третьего фильтра выполняется соотношение a/b≈1,65, что выходит за границы заданного диапазона. Диапазон рабочих температур 0-50°С. График, иллюстрирующий зависимость относительного изменения резонансной частоты фильтра Δf/f от температуры окружающей среды для первого фильтра представлен на фиг.2 кривая «а», для второго фильтра - на фиг.2 кривая «б», для третьего фильтра - на фиг.2 кривая «в». Из сравнения этих графиков видно, что первый и второй фильтры с параметрами, удовлетворяющими заданному соотношению 0,8≤a/b≤1,2, имеют существенно более пологие зависимости относительного изменения резонансной частоты фильтра Δf/f от температуры по сравнению с третьим фильтром, т.е. обладают лучшими термостабилизирующими свойствами, при этом первый фильтр имеет лучшие термостабилизирующие свойства по сравнению с вторым фильтром.

Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и решает поставленную задачу по созданию конструкции волноводного полосно-заграждающего фильтра, в котором в диапазоне рабочих температур осуществляется взаимная компенсация температурных изменений геометрических параметров элементов, влияющих на резонансную частоту, приводящая к стабилизации резонансной частоты.

Наличие в заявляемом фильтре нового свойства - способности к стабилизации резонансной частоты в условиях изменения температуры окружающей среды за счет взаимной компенсации температурных изменений геометрических параметров элементов, влияющих на резонансную частоту, расширяет возможности по применению заявляемого фильтра в прецизионных высокостабильных СВЧ-устройствах, например в СВЧ-трактах атомно-лучевых стандартов частоты.

Источники информации

1. Диэлектрические резонаторы. /Под ред. М.Е.Ильченко /М.: Радио и связь, 1989.

2. US №4124830, Н 01 Р 1/20, Н 01 Р 7/06, H 01 P 1/00, опубл. 07.11.1978.

3. US №4321568, Н 01 Р 1/208, Н 01 Р 1/209, Н 01 Р 7/10, Н 01 Р 7/06, опубл. 23.03.1982.

4. US №4500859, Н 01 Р 1/207, Н 01 Р 7/10, H 01 P 1/00, опубл. 19.02.1985.

5. Высокочастотные керамические материалы и микроволновые элементы. Каталог. / OOO «Керамика», Санкт-Петербург, 2000.