RU2364994C1 - Microwave frequency filter - Google Patents
Microwave frequency filter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2364994C1 RU2364994C1 RU2008130022/09A RU2008130022A RU2364994C1 RU 2364994 C1 RU2364994 C1 RU 2364994C1 RU 2008130022/09 A RU2008130022/09 A RU 2008130022/09A RU 2008130022 A RU2008130022 A RU 2008130022A RU 2364994 C1 RU2364994 C1 RU 2364994C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide line
- segments
- section
- wave
- same
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к фильтрам СВЧ волноводного типа, в том числе полосно-пропускающим.The invention relates to microwave technology, and in particular to microwave waveguide type filters, including band-pass.
В миллиметровом диапазоне длин волн используют в основном волноводные конструкции фильтров СВЧ, в которых в отличие от фильтров СВЧ в гибридно-интегральном исполнении отсутствуют потери на излучение и снижены потери в диэлектрических материалах, поскольку наличие этих материалов в волноводных конструкциях не является основополагающим.In the millimeter wavelength range, waveguide designs of microwave filters are used mainly, in which, in contrast to microwave filters in hybrid integrated design, there are no radiation losses and losses in dielectric materials are reduced, since the presence of these materials in waveguide structures is not fundamental.
Известен полосно-пропускающий фильтр СВЧ, содержащий отрезок прямоугольного волновода и резонаторы, в котором с целью повышения добротности и, следовательно, уменьшения потерь внутри отрезка прямоугольного волновода параллельно его широким стенкам установлена диэлектрическая пластина, а резонаторы выполнены в виде металлических полосок, которые размещены на диэлектрической пластине [1].A known microwave pass-band filter containing a segment of a rectangular waveguide and resonators, in which in order to increase the quality factor and, therefore, reduce losses inside a segment of a rectangular waveguide, a dielectric plate is installed parallel to its wide walls, and the resonators are made in the form of metal strips that are placed on a dielectric plate [1].
Наличие диэлектрической пластины не позволяет в полной мере решить вопрос о снижении потерь на СВЧ в данном фильтре.The presence of a dielectric plate does not fully resolve the issue of reducing microwave losses in this filter.
Известен полосно-пропускающий фильтр СВЧ, содержащий N секций резонансных звеньев, выполненных в виде полых металлических цилиндров с резьбами на концах, которые соединены между собой контргайками [2]. При этом они образуют внешний цилиндрический экран. Фильтр СВЧ содержит также (N-2) открытых дисковых диэлектрических резонаторов, каждый из которых расположен в держателе, выполненном в виде диэлектрической подставки, и установлен в одном из полых металлических цилиндров. Оконечные секции экрана выполнены с металлическими торцевыми стенками, в каждой из оконечных секций экрана расположен элемент связи, например петлевой. К одному из концов элемента связи присоединен центральный проводник коаксиального разъема.Known band-pass microwave filter containing N sections of resonant links made in the form of hollow metal cylinders with threads at the ends that are interconnected by locknuts [2]. Moreover, they form an external cylindrical screen. The microwave filter also contains (N-2) open disk dielectric resonators, each of which is located in the holder, made in the form of a dielectric stand, and is installed in one of the hollow metal cylinders. The end sections of the screen are made with metal end walls, in each of the end sections of the screen there is a communication element, for example, a loop. The central conductor of the coaxial connector is connected to one end of the coupling element.
Выполнение данной конструкции фильтра СВЧ многосекционной позволило увеличить крутизну фронтов амплитудно-частотной характеристики и несколько уменьшить потери на СВЧ.The implementation of this design of the microwave filter multisection allowed to increase the steepness of the fronts of the amplitude-frequency characteristics and to somewhat reduce losses on the microwave.
Кроме того, в данном фильтре СВЧ по сравнению с первым аналогом несколько снижен объем диэлектрических материалов - диэлектрические резонаторы и держатели в виде диэлектрической подставки.In addition, the volume of dielectric materials — dielectric resonators and holders in the form of a dielectric stand — is slightly reduced in this microwave filter compared to the first analogue.
Однако это не позволяет, как и в первом аналоге, существенно снизить потери на СВЧ.However, this does not allow, as in the first analogue, to significantly reduce microwave losses.
Известен полосно-пропускающий фильтр, который содержит:Known bandpass filter, which contains:
- два отрезка металлической волноводной линии на входе и выходе одинакового внутреннего сечения, которые снабжены фланцами и соединены с ними каждый соответственно,- two segments of a metal waveguide line at the input and output of the same internal section, which are equipped with flanges and connected to them each, respectively,
- N одинаковых отрезков волноводной линии того же внутреннего поперечного сечения, что и отрезки металлической волноводной линии, длиной каждый, равной четверти длины волны, которые расположены каскадно друг за другом и между упомянутыми двумя отрезками металлической волноводной линии,- N identical segments of the waveguide line of the same internal cross section as the segments of the metal waveguide line, each equal to a quarter of the wavelength, which are cascaded one after another and between the two segments of the metal waveguide line,
- (N+1) одинаковых диафрагм, в каждой из которых выполнено резонансное окно с размерами, меньшими размеров внутреннего поперечного сечения отрезка волноводной линии, и которые расположены каждая между двумя соответствующими отрезками волноводной линии, при этом упомянутые элементы соединены между собой механически [3].- (N + 1) identical diaphragms, in each of which there is a resonant window with dimensions smaller than the dimensions of the internal cross section of a waveguide line segment, and which are each located between two corresponding segments of the waveguide line, while said elements are connected mechanically [3] .
При этом элементы фильтра, а именно два отрезка металлической волноводной линии, N одинаковые отрезки металлической волноводной линии, (N+1) одинаковые диафрагмы выполнены из меди.In this case, the filter elements, namely two segments of the metal waveguide line, N are the same segments of the metal waveguide line, (N + 1) the same diaphragm is made of copper.
Отсутствие в данном фильтре СВЧ диэлектрических материалов позволило по сравнению с аналогами существенно снизить потери на СВЧ.The absence of microwave dielectric materials in this filter made it possible to significantly reduce microwave losses compared to analogs.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение потерь на СВЧ, вплоть до полного их исключения.The technical result of the invention is to reduce microwave losses, up to their complete elimination.
Указанный технический результат достигается предложенным фильтром СВЧ, содержащим два отрезка металлической волноводной линии на входе и выходе одинакового внутреннего поперечного сечения, которые снабжены фланцами и соединены с ними каждый соответственно, N одинаковых отрезков волноводной линии того же внутреннего поперечного сечения, что и отрезки металлической волноводной линии, длиной каждый, равной четверти длины волны, которые расположены каскадно друг за другом и между упомянутыми двумя отрезками металлической волноводной линии, (N+1) одинаковых диафрагм, в каждой из которых выполнено резонансное окно с размерами меньшими размеров внутреннего поперечного сечения отрезка волноводной линии, и которые расположены каждая между двумя соответствующими отрезками волноводной линии, при этом упомянутые элементы соединены между собой механически, в котором одинаковые отрезки волноводной линии и одинаковые диафрагмы выполнены из высокотемпературного сверхпроводящего материала либо одного, либо различного типа, при этом каждый из одинаковых отрезков волноводной линии выполнен с толщиной стенки, равной 1-3 миллиметра (далее мм).The specified technical result is achieved by the proposed microwave filter, containing two segments of a metal waveguide line at the input and output of the same internal cross section, which are equipped with flanges and connected to them each respectively, N identical segments of the waveguide line of the same internal cross section as the segments of the metal waveguide line each one equal to a quarter of the wavelength, which are cascaded one after another and between the two segments of the metal waveguide (N + 1) identical diaphragms, in each of which there is a resonant window with dimensions smaller than the dimensions of the internal cross section of a waveguide line segment, and which are each located between two corresponding segments of the waveguide line, wherein said elements are mechanically interconnected, in which the same segments of the waveguide line and the same diaphragms are made of high-temperature superconducting material of either one or a different type, with each of the same segments of the waveguide NII is made with a wall thickness of 1-3 mm (hereinafter mm).
Каждый из одинаковых отрезков волноводной линии выполнен в виде двух половинок из высокотемпературного сверхпроводящего материала иттриевой системы горячим прессованием.Each of the same segments of the waveguide line is made in the form of two halves of a high-temperature superconducting material of the yttrium system by hot pressing.
Каждая из одинаковых диафрагм выполнена сборной, по меньшей мере, из четырех прямоугольных пластин монокристалла высокотемпературного сверхпроводящего материала висмутовой системы, при этом каждая из четырех пластин выполнена посредством скола упомянутого монокристалла ультразвуком в жидкой среде.Each of the same diaphragms is made of a team of at least four rectangular wafers of a single crystal of a high-temperature superconducting material of the bismuth system, while each of the four wafers is made by cleaving said single crystal with ultrasound in a liquid medium.
В случае выполнения внутреннего поперечного сечения каждого из одинаковых отрезков волноводной линии прямоугольного сечения, ширина и высота соответственно каждого резонансного окна диафрагмы связаны с относительной шириной полосы пропускания фильтра выражением:In the case of performing an internal cross section of each of the same segments of the waveguide line of rectangular cross section, the width and height, respectively, of each resonance window of the diaphragm are related to the relative width of the filter passband by the expression:
W=2{(Aп-1)(a/b)tg2(0,5πa1/a)/ln[sin(0,5πb1/b)]}0,5, гдеW = 2 {(A p -1) (a / b) tg 2 (0.5πa1 / a) / ln [sin (0.5πb1 / b)]} 0.5 , where
W - относительная ширина полосы пропускания фильтра СВЧ,W is the relative bandwidth of the microwave filter,
Ап - модуль коэффициента передачи в полосе пропускания (f-п, fп),And p is the transmission coefficient module in the passband (f -p , f p ),
а и b - широкая и узкая стороны прямоугольного внутреннего поперечного сечения стенки отрезка волноводной линии соответственно,a and b are the wide and narrow sides of the rectangular inner cross section of the wall of the segment of the waveguide line, respectively,
а1 и b1 - ширина и высота резонансного окна соответственно.A1 and b1 are the width and height of the resonance window, respectively.
Как известно высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) материалы, как правило - сложного состава в виде керамики, пленок, монокристаллов и так далее, обладают свойством значительно изменять поверхностное сопротивление в сторону его снижения при низких температурах - до температуры кипения жидкого азота (77 К) и менее.As you know, high-temperature superconducting (HTSC) materials, as a rule, of complex composition in the form of ceramics, films, single crystals, and so on, have the property to significantly change the surface resistance towards lowering it at low temperatures - to the boiling point of liquid nitrogen (77 K) or less .
В силу этого выполнение отрезков волноводной линии и диафрагм из высокотемпературного сверхпроводящего материала обеспечивает:Due to this, the implementation of the segments of the waveguide line and the diaphragms of high-temperature superconducting material provides:
во-первых, снижение потерь при распространении тока вдоль отрезков волноводной линии,firstly, reduction of losses during current propagation along the waveguide line segments,
во-вторых, снижение потерь при распространении тока вдоль диафрагм.secondly, reduction of losses during current propagation along the diaphragms.
И первое, и второе позволит тем самым значительно снизить потери на СВЧ.Both the first and second will thereby significantly reduce microwave losses.
Выполнение каждого из одинаковых отрезков волноводной линии указанной толщины (1-3) мм, что существенно превышает толщину области скин-эффекта в широком интервале рабочих частот, и что тем самым обеспечивает малые потери на СВЧ.The execution of each of the same segments of the waveguide line of the indicated thickness (1-3) mm, which significantly exceeds the thickness of the skin effect region in a wide range of operating frequencies, and thereby ensures low microwave losses.
Выполнение каждого из одинаковых отрезков волноводной линии толщиной менее 1 мм недопустимо, поскольку указанный скин-эффект будет распространяться за пределы отрезков волноводной линии, а более 3 мм не желательно, так как наблюдается неравномерность перехода исходного материала в высокотемпературное сверхпроводящее состояние при температуре кипения жидкого азота (77 К).The execution of each of the same segments of the waveguide line with a thickness of less than 1 mm is unacceptable, since the specified skin effect will extend beyond the segments of the waveguide line, and more than 3 mm is not desirable, since there is an uneven transition of the starting material to a high-temperature superconducting state at the boiling point of liquid nitrogen ( 77 K).
Экспериментально установлено, что наибольшие результаты с точки зрения поставленного технического результата - снижение потерь на СВЧ - имеют высокотемпературные сверхпроводящие материалы иттриевой (YBaCuO) и висмутовой (BiSrCaCuO) систем. При этом следует отметить, что на сегодня иттриевые материалы изготавливаются преимущественно в виде керамики, спекаемой из мелкодисперсной шихты, а висмутовые материалы выращиваются в виде монокристаллов.It has been experimentally established that the highest results from the point of view of the technical result - the reduction of microwave losses - have high-temperature superconducting materials of yttrium (YBaCuO) and bismuth (BiSrCaCuO) systems. It should be noted that today yttrium materials are mainly made in the form of ceramics sintered from a finely divided charge, and bismuth materials are grown in the form of single crystals.
Указанный в формуле изобретения вариант выполнения каждого из одинаковых отрезков волноводной линии, как и вариант выполнения каждой из одинаковых диафрагм, является на сегодня наиболее технологичным.The embodiment of each of the same segments of the waveguide line indicated in the claims, as well as the embodiment of each of the same diaphragms, is by far the most technologically advanced.
Следует особо отметить, что получение диафрагм для волноводных фильтров СВЧ из высокотемпературного сверхпроводящего материала, толщина которых по определению очень мала, порядка 100 мкм, является очень сложной задачей.It should be specially noted that obtaining diaphragms for microwave waveguide filters from high-temperature superconducting material, the thickness of which is by definition very small, of the order of 100 μm, is a very difficult task.
И поэтому предложен вариант выполнения каждой из одинаковых диафрагм, а именно сборной, по меньшей мере, из четырех прямоугольных пластин монокристалла высокотемпературного сверхпроводящего материала висмутовой системы посредством его скола на тонкие пластины.And therefore, an embodiment of each of the same diaphragms, namely, a team of at least four rectangular wafers of a single crystal of a high-temperature superconducting material of the bismuth system through its cleavage into thin plates, is proposed.
И поскольку этот скол в силу монокристалличности упомянутого материала происходит по граням его кристаллической решетки, обеспечивает диафрагмам:And since this cleavage due to the monocrystallinity of the mentioned material occurs along the faces of its crystal lattice, it provides the diaphragms:
во-первых, высокую степень чистоты, и,firstly, a high degree of purity, and,
во-вторых, высокую степень точности, не требующую дополнительной прецизионной обработки.secondly, a high degree of accuracy that does not require additional precision processing.
Что является на сегодня не только наиболее технологичным, но и наиболее практически применимым.What is today not only the most technologically advanced, but also the most practically applicable.
Таким образом, комплексный подход в предложенной конструкции фильтра СВЧ, а именно, выполнение, как каждого из одинаковых отрезков волноводной линии, так и каждой из одинаковых диафрагм из высокотемпературного сверхпроводящего материала, и в силу того, как было указано, что этот материал при температуре кипения жидкого азота имеет поверхностное сопротивление на порядок ниже, чем поверхностное сопротивление меди, из которой выполнены аналогичные элементы фильтра СВЧ прототипа, позволит максимально использовать эти низкие поверхностные сопротивления и тем самым максимально снизить потери на СВЧ, вплоть до полного их исключения.Thus, a comprehensive approach to the proposed microwave filter design, namely, the execution of both each of the same segments of the waveguide line and each of the same diaphragms from a high-temperature superconducting material, and due to the fact that it was indicated that this material at boiling point liquid nitrogen has a surface resistance an order of magnitude lower than the surface resistance of copper, from which similar elements of the microwave prototype filter are made, will make the most of these low surface resistance and thereby minimize the microwave losses, up to their complete elimination.
Более того высокотемпературные сверхпроводящие материалы обладают высокой удельной плотностью 5,8-8,1 г/см3; в том числе на разрыв до 11-15 кГс/мм2.Moreover, high-temperature superconducting materials have a high specific density of 5.8-8.1 g / cm 3 ; including tensile strength up to 11-15 kgf / mm 2 .
Рассмотрим вариант предложенного фильтра СВЧ, например, на отрезках волноводной линии прямоугольного внутреннего поперечного сечения.Consider a variant of the proposed microwave filter, for example, on segments of the waveguide line of a rectangular inner cross section.
Расчет таких фильтров основан на классическом подходе, в котором используют схему, содержащую четвертьволновые отрезки волноводной линии, индуктивные и емкостные элементы, служащие для реализации избирательности фильтров по частоте, то есть по существу для реализации фильтра СВЧ как такового.The calculation of such filters is based on the classical approach, which uses a circuit containing quarter-wave segments of the waveguide line, inductive and capacitive elements, which serve to realize the selectivity of the filters in frequency, that is, essentially to implement the microwave filter as such.
Звено фильтра СВЧ состоит из отрезка волноводной линии с прямоугольным внутренним поперечным сечением с размерами широкой стороны стенки, равной a, и узкой - b, длиной l, равной четверти длины волны в отрезке волноводной линии, и двух одинаковых диафрагм, расположенных на концах отрезка волноводной линии соответственно. В каждой диафрагме выполнено окно шириной a1 и высотой b1, которое представляет собой резонансный элемент, описываемый эквивалентной схемой в виде параллельного соединения индуктивности L и емкости С.The microwave filter link consists of a segment of a waveguide line with a rectangular inner cross section with the dimensions of the wide side of the wall equal to a and narrow - b, length l, equal to a quarter of the wavelength in the segment of the waveguide line, and two identical diaphragms located at the ends of the segment of the waveguide line respectively. Each diaphragm has a window of width a1 and height b1, which is a resonant element described by an equivalent circuit in the form of a parallel connection of the inductance L and capacitance C.
Фильтр СВЧ характеризуется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) - зависимостью величины модуля коэффициента передачи А от частоты f.The microwave filter is characterized by an amplitude-frequency characteristic (AFC) - the dependence of the magnitude of the transmission coefficient module A on frequency f.
Потери в полосе пропускания (f-п, fп) обозначим через Aп, a относительную ширину полосы пропускания - через W=(fп-f-п)/f0, гдеThe losses in the passband (f -n , fn ) are denoted by A p , and the relative bandwidth is through W = ( fn -f -n ) / f 0 , where
f0=(fп+f-п)/2 - центральная частота полосы пропускания.f 0 = (f p + f -p ) / 2 is the center frequency of the passband.
При построении модели звена фильтра СВЧ одинаковые диафрагмы считаются бесконечно тонкими, а омические потери в этих диафрагмах и отрезке волноводной линии отсутствуют.When constructing a model of a microwave filter link, identical diaphragms are considered to be infinitely thin, and there are no ohmic losses in these diaphragms and in a segment of the waveguide line.
Элементы матрицы передачи отрезка волноводной линии равны:The elements of the transfer matrix of the waveguide line segment are equal to:
a11=a22=cos(θ),a11 = a22 = cos (θ),
a12=jsin(θ)/Yв,a12 = jsin (θ) / Yв,
а21=jYBsin(θ), гдеa21 = jYBsin (θ), where
θ=2πl/λв - электрическая длина отрезка волноводной линии,θ = 2πl / λv is the electric length of the waveguide line segment,
l - длина отрезка волноводной линииl is the length of the waveguide line segment
λв - длина волны в отрезке волноводной линии,λw is the wavelength in the segment of the waveguide line,
Yв - волновая проводимость отрезка волноводной линии,Yв - wave conductivity of a segment of a waveguide line,
j=(-1)0,5 - мнимая единица [4].j = (- 1) 0.5 - imaginary unit [4].
В отсутствие омических потерь в отрезке волноводной линии реактивная составляющая проводимости каждой из резонансной диафрагм равнаIn the absence of ohmic losses in the segment of the waveguide line, the reactive component of the conductivity of each of the resonant diaphragms is
Y=wC-1/(wL), гдеY = wC-1 / (wL), where
w=2πf - круговая частота.w = 2πf is the circular frequency.
Обычно отрезки металлической волноводной линии на входе и выходе фильтра СВЧ имеют размеры внутреннего поперечного сечения, равные аналогичным размерам отрезков волноводной линии, поэтому их волновая проводимость равна Yв.Typically, the segments of the metal waveguide line at the inlet and outlet of the microwave filter have dimensions of the internal cross section equal to the same sizes of the segments of the waveguide line, therefore, their wave conductivity is equal to Yв.
В этом случае величина модуля коэффициента передачи звена фильтра СВЧ связана с электрической длиной и волновой проводимостью отрезка волноводной линии и проводимостью каждой из диафрагм соотношениемIn this case, the magnitude of the coefficient of transfer coefficient of the microwave filter link is related to the electric length and wave conductivity of the segment of the waveguide line and the conductivity of each diaphragm by the ratio
A=1/(1+Q2/4)0,5, гдеA = 1 / (1 + Q 2/4) 0.5, wherein
Q=(Y/Yв)[2cos(θ)-(Y/Yв)sin(θ)].Q = (Y / Yв) [2cos (θ) - (Y / Yв) sin (θ)].
Величины индуктивности и емкости в зависимости от ширины и высоты резонансного окна определяются из выражений [4]The values of inductance and capacitance depending on the width and height of the resonance window are determined from the expressions [4]
С=-4(Yв/w)(b/λв)ln[sin(0,5πb1/b)]С = -4 (Yв / w) (b / λв) ln [sin (0,5πb1 / b)]
L=[1/(wYв)](a/λв)tg2(0,5πa1/a),L = [1 / (wYв)] (a / λв) tg 2 (0,5πa1 / a),
а отношение (Y/Yв) с учетом этих формул равноand the ratio (Y / Yв) taking into account these formulas is equal to
(Y/Yв)=-4(b/λв)ln[sin(0,5πb1/b)]-(λв/а)ctg2(0,5πa1/a).(Y / Yв) = - 4 (b / λв) ln [sin (0,5πb1 / b)] - (λв / а) ctg 2 (0,5πa1 / a).
Если величина модуля коэффициента передачи А в полосе пропускания (f-п, fп) равна Aп, то из полученных формул получаем окончательную формулу, связывающую относительную ширину полосы пропускания звена фильтра СВЧ с шириной а1 и высотой b1 резонансного окна:If the magnitude of the transmission coefficient modulus A in the passband (f -p , f p ) is equal to A p , then from the obtained formulas we obtain the final formula relating the relative bandwidth of the microwave filter link with the width a1 and the height b1 of the resonance window:
W=2{(Aп-1)(a/b)tg2(0,5πa1/a)/ln[sin(0,5πb1/b)]}0,5, гдеW = 2 {(A p -1) (a / b) tg 2 (0.5πa1 / a) / ln [sin (0.5πb1 / b)]} 0.5 , where
W - относительная ширина полосы пропускания фильтра СВЧ,W is the relative bandwidth of the microwave filter,
Aп - модуль коэффициента передачи в полосе пропускания (f-п, fп),A p - the transmission coefficient module in the passband (f -p , f p ),
а и b - широкая и узкая стороны прямоугольного внутреннего поперечного сечения стенки отрезка волноводной линии соответственно,a and b are the wide and narrow sides of the rectangular inner cross section of the wall of the segment of the waveguide line, respectively,
а1 и b1 - ширина и высота резонансного окна соответственно.A1 and b1 are the width and height of the resonance window, respectively.
На основе этой модели звена фильтра были разработаны многозвенные фильтры СВЧ.Based on this model of the filter link, microwave multi-link filters have been developed.
Результат расчета модуля коэффициента передачи - амплитудно-частотной характеристики для трех отрезков волноводной линии прямоугольного внутреннего поперечного сечения стенкиThe result of calculating the coefficient of transmission coefficient - amplitude-frequency characteristics for three segments of the waveguide line of a rectangular inner cross-section of the wall
- с размерами широкой стороны упомянутого сечения стенки а, равной 7,2 мм, узкой - b, равной 3,6 мм,- with dimensions of the wide side of said wall section a equal to 7.2 mm, narrow - b equal to 3.6 mm,
- длиной каждого отрезка волноводной линии l, равной 3,25 мм, что соответствует четверти длины волны на центральной частоте f, равной 33 ГГц,- the length of each segment of the waveguide line l, equal to 3.25 mm, which corresponds to a quarter of the wavelength at the center frequency f, equal to 33 GHz,
- шириной и высотой резонансного окна каждой из одинаковых диафрагм, равной 1,2 мм приведен на фиг.3 (кривая 4).- the width and height of the resonance window of each of the same apertures equal to 1.2 mm is shown in figure 3 (curve 4).
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 дан общий вид предложенного фильтра СВЧ и его разрез, гдеFigure 1 is a General view of the proposed microwave filter and its section, where
- два отрезка металлической волноводной линии на входе - 1 и выходе - 2,- two segments of a metal waveguide line at the input - 1 and output - 2,
- фланцы отрезков металлической волноводной линии на входе - 3 и выходе - 4,- flanges of segments of a metal waveguide line at the inlet - 3 and the outlet - 4,
- N одинаковые отрезки волноводной линии - 5,- N identical segments of the waveguide line - 5,
- (N+1) одинаковые диафрагмы - 6, которые снабжены каждая- (N + 1) identical apertures - 6, which are each equipped
- резонансным окном - 7.- resonance window - 7.
На фиг.2 дана эквивалентная схема фильтра СВЧ.Figure 2 shows the equivalent circuit of the microwave filter.
На фиг.3 даны:In figure 3 are given:
- амплитудно-частотные характеристики образцов предложенного трехзвенного фильтра СВЧ (кривые 1-3), выполненные с толщиной стенки отрезка волноводной линии 2, 1 и 3 мм соответственно,- amplitude-frequency characteristics of the samples of the proposed three-link microwave filter (curves 1-3), made with the wall thickness of the length of the
- расчетная амплитудно-частотная характеристика фильтра СВЧ (кривая 4),- calculated amplitude-frequency characteristic of the microwave filter (curve 4),
- амплитудно-частотная характеристика фильтра СВЧ - прототипа (кривая 5).- amplitude-frequency characteristic of the microwave filter prototype (curve 5).
Фильтр СВЧ работает следующим образом.The microwave filter operates as follows.
Отрезки металлической волноводной линии на входе 1 и выходе 2 фильтра СВЧ, посредством фланцев 3 и 4 соответственно подключены к волноводной линии от генератора СВЧ сигнала с частотой f и к волноводной нагрузке соответственно.The segments of the metal waveguide line at the
Далее собранную систему погружают в жидкий азот до полного ее охлаждения при температуре кипения жидкого азота (77 К).Next, the assembled system is immersed in liquid nitrogen until it is completely cooled at the boiling point of liquid nitrogen (77 K).
Сигнал СВЧ с частотой, лежащей в полосе пропускания фильтра, будет резонировать с окнами 7 одинаковых диафрагм 6, в результате этого упомянутые диафрагмы будут слабо влиять на процесс распространения этого сигнала в отрезках волноводной линии 5. Поскольку одинаковые диафрагмы 6 и одинаковые отрезки волноводной линии 5 выполнены из ВТСП материала, то при охлаждении до температуры кипения жидкого азота (77 К) указанные материалы переходят в высокотемпературное сверхпроводящее состояние, как уже сказано, заключающееся в значительном изменении поверхностного сопротивления в сторону его снижения, и тем самым обеспечивается снижение потерь на СВЧ, вплоть до полного их исключения.A microwave signal with a frequency lying in the passband of the filter will resonate with windows 7 of the same diaphragms 6, as a result of which the mentioned diaphragms will slightly affect the propagation of this signal in segments of the
Таким образом, на выходе фильтра получаем сигнал СВЧ, имеющий минимальные потери на СВЧ по амплитуде по сравнению с сигналом на его входе.Thus, at the output of the filter, we obtain a microwave signal with minimal amplitude microwave loss in comparison with the signal at its input.
Сигнал СВЧ с частотой, лежащей вне полосы пропускания фильтра, не будет резонировать с окнами 7 одинаковых диафрагм 6, в результате чего упомянутые диафрагмы будут отражать этот сигнал СВЧ, что существенно скажется на процессе распространения этого сигнала СВЧ в отрезках волноводной линии 5.A microwave signal with a frequency lying outside the passband of the filter will not resonate with windows 7 of the same diaphragms 6, as a result of which the mentioned diaphragms will reflect this microwave signal, which will significantly affect the propagation of this microwave signal in segments of the
Таким образом, на выходе фильтра получаем сигнал СВЧ, имеющий максимальные потери на СВЧ по амплитуде по сравнению с сигналом СВЧ на его входе.Thus, at the output of the filter, we obtain a microwave signal having a maximum microwave loss in amplitude compared to a microwave signal at its input.
Конкретное выполнение предложенного фильтра СВЧ, например многозвенного, содержащего три отрезка волноводной линии прямоугольного внутреннего поперечного сечения, полосно-пропускающего для диапазона частот 30-36 ГГц.A specific implementation of the proposed microwave filter, for example a multi-link, containing three segments of the waveguide line of a rectangular internal cross section, band-pass for the frequency range 30-36 GHz.
Пример 1.Example 1
Два отрезка металлической волноводной линии на входе 1 и на выходе 2 выполнены, например, из меди одинакового прямоугольного внутреннего поперечного сечения, например, размером широкой стороны а, равной 7,2 мм, и узкой стороны b - 3,6 мм, которые снабжены фланцами на входе 3 и выходе 4 и соединены с ними.Two segments of the metal waveguide line at the
Каждый из (N) - трех одинаковых отрезков волноводной линии 5 выполнен из высокотемпературного сверхпроводящего материала иттриевой системы, например состава YBaCuO, в виде двух половинок, длиной l, равной 3,25 мм, что соответствует четверти длины волны, с внутренним поперечным сечением, равным прямоугольному внутреннему поперечному сечению одного из двух отрезков металлической волноводной линии, в данном случае размером широкой стороны а, равной 7,2 мм, и узкой стороны b - 3,6 мм, каждый с толщиной стенки, равной 2 мм, например, горячим прессованием. При этом они каскадно расположены между собой и между двумя отрезками металлической волноводной линии на входе 1 и на выходе 2.Each of (N) - three identical segments of the
Понятие элементы фильтра СВЧ каскадно расположены означает одновременно и наличие электромагнитной связи между ними.The concept of microwave filter elements in cascade arrangement means at the same time the presence of electromagnetic coupling between them.
Каждая из (N+1) - четырех одинаковых диафрагм 6 выполнена сборной, например из четырех прямоугольных пластин монокристалла высокотемпературного сверхпроводящего материала висмутовой системы, например состава BiSrCaCuO, при этом каждая из четырех пластин выполнена посредством скола упомянутого монокристалла ультразвуком в жидкой среде, например глицерине.Each of (N + 1) - four identical diaphragms 6 is made of a team, for example, of four rectangular wafers of a single crystal of a high-temperature superconducting material of a bismuth system, for example, BiSrCaCuO, each of the four wafers is made by cleaving the aforementioned single crystal with ultrasound in a liquid medium, such as glycerin.
В каждой из одинаковых диафрагм 6 выполнено прямоугольное резонансное окно 7 с размерами, меньшими размеров внутреннего поперечного сечения отрезка волноводной линии, в данном случае шириной и высотой, равной 1,2 мм.In each of the same diaphragms 6, a rectangular resonance window 7 is made with dimensions smaller than the dimensions of the internal cross section of a waveguide line segment, in this case, a width and height of 1.2 mm.
Элементы фильтра СВЧ, а именно два отрезка металлической волноводной линии на входе 1 и на выходе 2, три одинаковые отрезка волноводной линии 5 и четыре одинаковые диафрагмы 6 вместе с резонансными окнами 7 соединены между собой механически, например микровинтами.Microwave filter elements, namely two segments of a metal waveguide line at
Примеры 2-3.Examples 2-3.
Аналогично примеру 1 изготовлены образцы упомянутого фильтра СВЧ, но при значениях толщины стенки каждого из одинаковых отрезков волноводной линии 5, равных 1 и 3 мм соответственно.Analogously to example 1, samples of the aforementioned microwave filter were made, but with wall thicknesses of each of the same segments of the
На изготовленных образцах фильтра СВЧ были измерены модули коэффициента передачи при температуре кипения жидкого азота (77 К).Modules of the transmission coefficient at the boiling point of liquid nitrogen (77 K) were measured on the manufactured microwave filter samples.
Измерения проводили на панорамном измерителе КСВН и ослабления.The measurements were performed on a panoramic VSWR and attenuation meter.
На основании этих данных были построены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) (кривые 1-3).Based on these data, the amplitude-frequency characteristics (AFC) were constructed (curves 1-3).
Данные представлены на фиг.3.The data are presented in figure 3.
Как видно из фиг.3. образцы предложенного фильтра СВЧ (кривые 1-3) в пятипроцентной полосе пропускания (32-34 ГГЦ) имеют потери на СВЧ, не превышающие 0,2 дБ.As can be seen from figure 3. samples of the proposed microwave filter (curves 1-3) in a five percent passband (32-34 GHz) have microwave losses not exceeding 0.2 dB.
Потери же фильтра СВЧ - прототипа в полосе пропускания равны 0,5 дБ, что в 2,5 раза больше, чем у предложенного фильтра СВЧ.The loss of the microwave filter prototype in the passband is 0.5 dB, which is 2.5 times more than the proposed microwave filter.
Так же видно, что при изменении толщины стенки одинаковых отрезков волноводной линии в пределах (1-3) мм, изменяются только потери СВЧ на центральной частоте, а относительная ширина полосы пропускания остается неизменной.It is also seen that when changing the wall thickness of identical segments of the waveguide line within (1-3) mm, only microwave losses at the center frequency change, and the relative bandwidth remains unchanged.
Так же видно, что амплитудно-частотные характеристики образцов предложенного фильтра СВЧ (кривые 1-3) приближаются к расчетной амплитудно-частотной характеристике (кривая 4), которая с точки зрения потерь на СВЧ в неком приближении является идеальной.It is also seen that the amplitude-frequency characteristics of the samples of the proposed microwave filter (
Таким образом, предложенный фильтр СВЧ, одинаковые отрезки волноводной линии и одинаковые диафрагмы которого выполнены из высокотемпературного сверхпроводящего материала, позволит по сравнению с фильтром СВЧ - прототипом, в котором указанные элементы выполнены из меди, в полосе пропускания фильтра снизить потери на СВЧ с 0,5 дБ до 0,2 дБ, то есть в 2,5 раза, что является существенным результатом.Thus, the proposed microwave filter, the same segments of the waveguide line and the same diaphragms of which are made of high-temperature superconducting material, will allow, in comparison with the microwave filter - the prototype in which these elements are made of copper, in the passband of the filter to reduce microwave losses from 0.5 dB to 0.2 dB, i.e. 2.5 times, which is a significant result.
Экспериментально установлено, что повышение температуры охлаждения с 77 К до 90 К уменьшает упомянутый результат до 1,8 раза, а дальнейшее охлаждение с 77 К до 50 К увеличивает его до 4,3 раза.It was experimentally established that increasing the cooling temperature from 77 K to 90 K reduces the mentioned result to 1.8 times, and further cooling from 77 K to 50 K increases it to 4.3 times.
Следует отметить, что изделия СВЧ, выполненные из высокотемпературного сверхпроводящего материала, представляют особый интерес при их работе в условиях космоса.It should be noted that microwave products made of high-temperature superconducting material are of particular interest when they work in space.
Источники информацииInformation sources
1. Авторское свидетельство №847848, МПК Н01Р 1/20, приоритет 1974.09.19, опубл. 2000.07.20.1. Copyright certificate No. 847848,
2. Патент РФ №2295806, МПК Н01Р 1/20, приоритет 2005.11.07, опубл. 2007.11.07.2. RF patent No. 2295806,
3. Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, т.1 - М., Связь, 1971, с.195 - прототип.3. Matthew D.L., Young L., Jones E.M.T. Microwave filters, matching circuits and communication circuits, t.1 - M., Communication, 1971, p.195 - prototype.
4. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств. - М., Радио и связь, 1987, с.88.4. Gupta K., Garge R., Chadha R. Machine design of microwave devices. - M., Radio and Communications, 1987, p. 88.
Claims (4)
W=2{(Aп-1)(a/b)tg2(0,5πa1/a)/ln[sin(0,57πb1/b)]}0,5,
где W - относительная ширина полосы пропускания фильтра СВЧ;
Ап - модуль коэффициента передачи в полосе пропускания (f-п, fп);
a и b - широкая и узкая стороны прямоугольного внутреннего поперечного сечения стенки отрезка волноводной линии соответственно;
a1 и b1 - ширина и высота резонансного окна соответственно. 4. The microwave filter according to claim 1, characterized in that in the case of performing an internal cross section of each of the segments of the waveguide line of rectangular cross section, the width and height, respectively, of each resonance window of the diaphragm are related to the relative bandwidth of the filter by the expression
W = 2 {(A p -1) (a / b) tg 2 (0.5πa1 / a) / ln [sin (0.57πb1 / b)]} 0.5 ,
where W is the relative bandwidth of the microwave filter;
And p is the transmission coefficient module in the passband (f -p , f p );
a and b are the wide and narrow sides of the rectangular inner cross-section of the wall of the segment of the waveguide line, respectively;
a1 and b1 are the width and height of the resonance window, respectively.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008130022/09A RU2364994C1 (en) | 2008-07-21 | 2008-07-21 | Microwave frequency filter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008130022/09A RU2364994C1 (en) | 2008-07-21 | 2008-07-21 | Microwave frequency filter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2364994C1 true RU2364994C1 (en) | 2009-08-20 |
Family
ID=41151400
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008130022/09A RU2364994C1 (en) | 2008-07-21 | 2008-07-21 | Microwave frequency filter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2364994C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2687878C1 (en) * | 2018-07-16 | 2019-05-16 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Band-pass selective-frequency surface |
-
2008
- 2008-07-21 RU RU2008130022/09A patent/RU2364994C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| МАТТЕЙ Д.Л., ЯНГ Л., ДЖОНС Е.М.Т. Фильтр СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. - М.: Связь, 1971, т.1, с.195. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2687878C1 (en) * | 2018-07-16 | 2019-05-16 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Band-pass selective-frequency surface |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7924114B2 (en) | Electrical filters with improved intermodulation distortion | |
| Budimir | Optimized E-plane bandpass filters with improved stopband performance | |
| US9537195B2 (en) | Rectangular band-pass filter having recesses of less than one-quarter wavelength depth formed therein for fitting a dielectric insert with a superconductive film within the recesses | |
| Astuti et al. | A bandpass filter based on square open loop resonators at 2.45 GHz | |
| Shang et al. | A wideband HTS filter using strong coupling coplanar spiral resonator structure | |
| Mao et al. | Design of composite right/left-handed coplanar-waveguide bandpass and dual-passband filters | |
| RU2364994C1 (en) | Microwave frequency filter | |
| Ma et al. | Design of a wideband bandpass filter using microstrip parallel-coupled dual-mode ring resonator | |
| Yoshida et al. | Design and performance of miniaturized superconducting coplanar waveguide filters | |
| Karpuz et al. | An alternative coupling matrix arrangement for capacitively loaded multi-mode microstrip diplexers having close channel bands | |
| US7532918B2 (en) | Superconductive filter having U-type microstrip resonators with longer and shorter parallel sides | |
| Kim et al. | Partial $ H $-Plane Filters With Multiple Transmission Zeros | |
| Lenoir et al. | Finite element method for rigorous design of microwave devices using photonic band gap structures | |
| Matsutani et al. | Miniaturized quartz waveguide filter using double-folded structure | |
| Liu et al. | A novel UWB filter with WLAN and RFID stop-band rejection characteristic using tri-stage radial loaded stub resonators | |
| Ohira et al. | A new microstrip bandstop filter for fully canonical cul-de-sac coupling configuration | |
| Ohira et al. | A novel coaxial-excited FSS-loaded waveguide filter with multiple transmission zeros | |
| Euler et al. | Silicon micromachined EBG resonator and two-pole filter with improved performance characteristics | |
| Wang et al. | A folded substrate integrated waveguide cavity filter using novel negative coupling | |
| Guo et al. | Substrate integrated waveguide quasi-elliptic bandpass filter with meander-slot coupling structures | |
| Dad et al. | Novel high Q coaxial resonator filter for millimeter wave application | |
| Nath | Review of filter techniques | |
| Zhao et al. | A novel Ka-band bandpass filter using microstrip closed loop resonators | |
| Suntheralingam et al. | Enhanced waveguide bandpass filters using S‐shaped resonators | |
| Fathnan et al. | Electromagnetic coupling mechanism in vertical and horizontal srr-loaded coplanar waveguide |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20160225 |