RU2421852C1

RU2421852C1 - Reconfigured band-pass wave-guide filter for measurement of powerful microwave radiation frequency

Info

Publication number: RU2421852C1
Application number: RU2010106560/07A
Authority: RU
Inventors: Алексей Валентинович Палицин (RU); Алексей Валентинович Палицин; Юрий Валентинович Родин (RU); Юрий Валентинович Родин; Михаил Анатольевич Хозин (RU); Михаил Анатольевич Хозин
Original assignee: Алексей Валентинович Палицин; Юрий Валентинович Родин; Михаил Анатольевич Хозин
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2011-06-20

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: device allows examination of microwave radiation frequency changes during one microwave frequency pulse due to small width of pass band Filter consists of length of rectangular waveguide with flanges, four cone-shape stems forming resonant cavity with piston reconfiguring resonator frequency connected with resonant cavity through round hole in wide wall, where there inserted is a bush. ^ EFFECT: low coefficient of power reflection from resonant cavity at resonant frequency, provision of high electrical strength, possibility of broad reconfiguration by frequency, presence of only one working resonator at desired frequency band, high transmission coefficient at resonant frequency and permanence of relative width of pass band. ^ 3 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано в волноводных трактах высокой мощности для измерения частоты мощного микроволнового излучения, а также для подавления внеполосных и паразитных колебаний.The invention relates to microwave radio engineering and can be used in high-power waveguide paths for measuring the frequency of high-power microwave radiation, as well as for suppressing out-of-band and spurious oscillations.

При разработке фильтров для измерения частоты мощного микроволнового излучения особое внимание уделяется обеспечению высокой электропрочности и наличию только одного резонанса в рабочей полосе частот, что необходимо для однозначного определения частоты мощных короткоимпульсных СВЧ-приборов гигаваттного уровня мощности - релятивистских ЛОВ и ЛБВ, магнетронов, виркаторов и др. При этом часто возникает задача исследования динамики изменения частоты в течение импульса, что требует использования фильтра с малой шириной полосы пропускания.When developing filters for measuring the frequency of high-power microwave radiation, special attention is paid to ensuring high electrical strength and the presence of only one resonance in the working frequency band, which is necessary to uniquely determine the frequency of high-power short-pulse microwave devices of gigawatt power level - relativistic BWTs and TWTs, magnetrons, vircators, etc. In this case, the task often arises of studying the dynamics of frequency changes during the pulse, which requires the use of a filter with a small bandwidth and I.

Известна конструкция волноводного полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра с резонатором, выполненным в виде цилиндрических стержней (см. Д.П.Андреев, И.И.Гак, И.И.Цимблер. Механически перестраиваемые приборы СВЧ и разделительные фильтры. М.: Связь, 1973, с.81-85, 111-115). Существенным недостатком данного фильтра является то, что на резонансной частоте коэффициент отражения по мощности от резонатора, образованного цилиндрическими стержнями, составляет несколько процентов. Кроме того, другим недостатком конструкции данного фильтра является малый динамический диапазон (0,62λ_кр-0,69λ_кр) перестройки частоты резонатора в рабочей полосе длин волн.The known design of a waveguide bandpass tunable filter with a resonator made in the form of cylindrical rods (see D.P. Andreev, I.I. Gak, I. I. Tsimbler. Mechanically tunable microwave devices and separation filters. M .: Communication, 1973, p. 81-85, 111-115). A significant drawback of this filter is that at the resonant frequency, the power reflection coefficient from the resonator formed by the cylindrical rods is several percent. In addition, another drawback of the design of this filter is the small dynamic range (0.62λ _cr -0.69 λ _cr ) of the tuning of the resonator frequency in the working wavelength band.

В качестве ближайшего аналога выбран перестраиваемый полосно-пропускающий фильтр (см. SU №778591, МПК⁸ H01P 1/20, опубл. в БИ №6, февраль, 2010 г.), обеспечивающий по сравнению с указанной выше конструкцией фильтра больший динамический диапазон (0,54λ_кр-0,81λ_кр) перестройки частоты резонатора в рабочей полосе длин волн. Фильтр состоит из установленных взаимно перпендикулярно прямоугольного объемного резонатора с настроечным поршнем в одном торце и отрезка прямоугольного волновода, в смежной стенке которых выполнено отверстие. В волновод введены две прямоугольные диафрагмы, длина каждой из которых равна ширине широкой стенки волновода. Диафрагмы установлены в плоскостях поперечного сечения волновода с зазором у одной из широких стенок. При этом резонатор установлен на другой широкой стенке волновода, узкие стенки волновода и резонатора расположены в общих плоскостях, а отверстие в смежной стенке волновода и резонатора выполнено по всей ширине стенки между линиями стыка ее с диафрагмой.As the closest analogue, a tunable bandpass filter was selected (see SU No. 778591, IPC ⁸ H01P 1/20, published in BI No. 6, February, 2010), which provides a larger dynamic range compared to the filter design indicated above ( 0.54λ _cr -0.81λ _cr ) tuning of the resonator frequency in the working wavelength band. The filter consists of a mutually mounted perpendicular rectangular volume resonator with a tuning piston at one end and a segment of a rectangular waveguide in which an opening is made in an adjacent wall. Two rectangular diaphragms are introduced into the waveguide, the length of each of which is equal to the width of the wide waveguide wall. The diaphragms are mounted in the planes of the transverse section of the waveguide with a gap at one of the wide walls. In this case, the resonator is mounted on another wide wall of the waveguide, the narrow walls of the waveguide and resonator are located in common planes, and the hole in the adjacent wall of the waveguide and resonator is made over the entire width of the wall between the lines of its intersection with the diaphragm.

Несмотря на очевидные достоинства данного фильтра - постоянство ширины полосы пропускания, больший динамический диапазон перестройки частоты резонатора в рабочей полосе длин волн, фильтр обладает и существенным недостатками - снижением электропрочности при уменьшении ширины полосы пропускания, что обусловлено наличием в конструкции фильтра диафрагм, уменьшающих сечение волновода в направлении электрического поля волны, например, в 3-сантиметровом диапазоне длин волн - до 1 мм при относительной ширине полосы пропускания

. При величине относительной ширины полосы пропускания

в данной конструкции фильтра происходили СВЧ-пробои на уровне мощности ~60 кВт при несущей частоте 9,24 ГГц, длительности СВЧ-импульса ~5 мкс. Кроме того, при реализации фильтра в 3-сантиметровом диапазоне в требуемой полосе частот наблюдалось несколько рабочих резонансов. Коэффициент отражения по мощности от резонатора данного фильтра на резонансной частоте, так же как и в аналоге, составляет несколько процентов.Despite the obvious advantages of this filter - the constancy of the bandwidth, a larger dynamic range of the resonator frequency tuning in the working wavelength band, the filter also has significant drawbacks - a decrease in the electric strength with a decrease in the bandwidth, which is due to the presence of apertures in the filter design that reduce the waveguide cross section in the direction of the electric field of the wave, for example, in the 3-centimeter wavelength range - up to 1 mm with a relative bandwidth

. With relative bandwidth

In this filter design, microwave breakdowns occurred at a power level of ~ 60 kW at a carrier frequency of 9.24 GHz, and a microwave pulse duration of ~ 5 μs. In addition, when the filter was implemented in the 3-cm range, several working resonances were observed in the required frequency band. The power reflection coefficient from the resonator of this filter at the resonant frequency, as well as in the analogue, is several percent.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является уменьшение коэффициента отражения по мощности от резонатора перестраиваемого полосно-пропускающего волноводного фильтра на резонансной частоте при обеспечении его высокой электропрочности, узкополосности и сохранении возможности перестройки по частоте в широком диапазоне.The problem solved by the present invention is to reduce the power reflection coefficient from the resonator of a tunable band-pass waveguide filter at a resonant frequency while ensuring its high electrical strength, narrowband and maintaining the possibility of tuning in frequency over a wide range.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый перестраиваемый полосно-пропускающий волноводный фильтр, как и фильтр-прототип, содержит отрезок прямоугольного волновода и резонатор с настроечным поршнем в одном торце.The technical result is achieved in that the proposed tunable band-pass waveguide filter, like the prototype filter, contains a segment of a rectangular waveguide and a resonator with a tuning piston in one end.

Новым в предлагаемом перестраиваемом полосно-пропускающем волноводном фильтре является то, что резонатор образован четырьмя коническими стержнями, соединяющими широкие стенки волновода, и расположен симметрично относительно отверстия в широкой стенке волновода, через которое вводится настроечный поршень.New in the proposed tunable band-pass waveguide filter is that the resonator is formed by four conical rods connecting the wide walls of the waveguide and is located symmetrically with respect to the hole in the wide wall of the waveguide through which the tuning piston is introduced.

На фиг.1-3 представлена конструкция предлагаемого механически перестраиваемого полосно-пропускающего волноводного фильтра в разных проекциях.Figure 1-3 presents the design of the proposed mechanically tunable band-pass waveguide filter in different projections.

Фильтр состоит из отрезка прямоугольного волновода 1 с фланцами, четырех конических стержней 2, соединяющих широкие стенки отрезка волновода 1 и образующих резонатор с перестраивающим частоту резонатора настроечным емкостным поршнем 3. Поршень 3 вводится в резонатор через круглое отверстие в широкой стенке отрезка волновода 1, в которое впаяна втулка 4.The filter consists of a segment of a rectangular waveguide 1 with flanges, four conical rods 2 connecting the wide walls of a segment of a waveguide 1 and forming a resonator with a tuning frequency capacitor piston 3. The piston 3 is introduced into the resonator through a round hole in the wide wall of the waveguide 1 segment, into which soldered sleeve 4.

Работу предлагаемого перестраиваемого полосно-пропускающего волноводного фильтра можно пояснить следующим образом. Образующие резонатор нерегулярности в виде конических стержней 2 имеют плавно изменяющееся поперечное сечение. Внесенные в поле падающей волны такие нерегулярности приводят к существенному (в несколько раз) уменьшению коэффициента отражения по мощности от резонатора на резонансной частоте, образованного четырьмя коническими стержнями 2, по сравнению с резонатором, образованным цилиндрическими стержнями (в фильтре аналоге), и резонатором в фильтре-прототипе, что является техническим результатом данного изобретения.The work of the proposed tunable band-pass waveguide filter can be explained as follows. Irregularities forming the resonator in the form of conical rods 2 have a smoothly changing cross section. Such irregularities introduced into the field of the incident wave lead to a significant (several-fold) decrease in the power reflection coefficient from the resonator at the resonant frequency formed by four conical rods 2, as compared to the resonator formed by cylindrical rods (in the analog filter) and the resonator in the filter -prototype, which is the technical result of this invention.

Ширина полосы пропускания фильтра определяется поперечным размером между коническими стержнями 2, расположенными перпендикулярно широкой стенке отрезка волновода 1. При малой ширине полосы пропускания конические стержни расположены достаточно близко к узкой стенке отрезка волновода 1, где электрическое поле мало, что и определяет высокую электропрочность конструкции предлагаемого фильтра. Продольное расстояние между стержнями 2 подобрано таким образом, чтобы в резонаторе возбуждалось одно продольное колебание в рабочей полосе частот. Резонатор расположен симметрично относительно отверстия в широкой стенке отрезка волновода 1. Перестройка частоты резонатора в рабочей полосе длин волн (0,54λ_кр-0,81λ_кр) осуществляется перемещением настроечного емкостного поршня 3. Центральная частота фильтра в полосе пропускания определяется расстоянием между поршнем 3 и нижней (на фиг.1, 2, 3) стенкой отрезка волновода 1.The filter passband width is determined by the transverse dimension between the conical rods 2 located perpendicular to the wide wall of the waveguide 1 segment. With a small passband, the conical rods are close enough to the narrow wall of the waveguide 1 segment, where the electric field is small, which determines the high dielectric strength of the proposed filter design . The longitudinal distance between the rods 2 is selected so that one longitudinal vibration in the working frequency band is excited in the resonator. The resonator is located symmetrically relative to the hole in the wide wall of the waveguide segment 1. The resonator frequency is tuned in the working wavelength band (0.54λ _cr -0.81λ _cr ) by moving the tuning capacitive piston 3. The central frequency of the filter in the passband is determined by the distance between the piston 3 and lower (in figure 1, 2, 3) the wall of the segment of the waveguide 1.

Во всем диапазоне перестройки частоты зазор Δ между закругленным концом поршня 3 и нижней стенкой отрезка волновода 1 остается достаточно большим (

, b - размер узкой стенки отрезка волновода 1), что обеспечивает высокую электрическую прочность этого узла фильтра. Например, при реализации разработанного фильтра в 3-сантиметровом диапазоне длин волн минимальный зазор между закругленным концом поршня 3 и нижней стенкой отрезка волновода 1 составляет не менее 6 мм. Фильтр испытан на уровне мощности ~250 кВт при длительности СВЧ-импульса ~5 мкс, частоте 9,24 ГГц и относительной полосе пропускания 0,5% (

). При данных условиях пробоев не наблюдается.In the entire frequency tuning range, the gap Δ between the rounded end of the piston 3 and the lower wall of the waveguide segment 1 remains sufficiently large (

, b is the size of the narrow wall of the segment of the waveguide 1), which ensures high dielectric strength of this filter assembly. For example, when implementing the developed filter in the 3-cm wavelength range, the minimum clearance between the rounded end of the piston 3 and the lower wall of the waveguide 1 segment is at least 6 mm. The filter was tested at a power level of ~ 250 kW with a microwave pulse duration of ~ 5 μs, a frequency of 9.24 GHz, and a relative passband of 0.5% (

) Under these conditions, breakdowns are not observed.

При перестройке фильтра в диапазоне длин волн от 0,54λ_кр до 0,81λ_кр расстояние между поршнем 3 и верхней стенкой отрезка волновода 1 изменяется от 0 до 0,4b. Зависимость резонансной частоты фильтра от глубины погружения поршня 3 носит линейный характер (например, в 3-сантиметровом диапазоне длин волн - с коэффициентом

; при использовании в механизме перемещения поршня 3 стандартного микрометрического винта обеспечивается точность установки частоты не хуже 10 МГц). Среднеквадратичное отклонение резонансной частоты фильтра от линейной функции составляет порядка половины от ширины полосы пропускания фильтра.When the filter is tuned in the wavelength range from 0.54λ _cr to 0.81λ _{cr, the} distance between the piston 3 and the upper wall of the waveguide segment 1 varies from 0 to 0.4b. The dependence of the resonant frequency of the filter on the immersion depth of the piston 3 is linear (for example, in the 3-cm wavelength range - with the coefficient

; when using the standard micrometer screw in the piston 3 moving mechanism, the frequency setting accuracy is no worse than 10 MHz). The standard deviation of the resonant frequency of the filter from the linear function is about half the filter bandwidth.

Утечка мощности в паразитную ТЕМ-волну, возникающую в зазоре между поршнем 3 и внутренним отверстием во втулке 4, предотвращается наличием в предлагаемой конструкции фильтра дроссельного соединения поршня 3 и втулки 4 (см. фиг.1), что обеспечивает высокий коэффициент прохождения по мощности (0,7-0,9) в рабочей полосе частот.Power leakage into the spurious TEM wave occurring in the gap between the piston 3 and the inner hole in the sleeve 4 is prevented by the presence of the throttle connection of the piston 3 and the sleeve 4 in the proposed design of the filter (see Fig. 1), which ensures a high power transmission coefficient ( 0.7-0.9) in the working frequency band.

В случае если добротность, связанная с омическими потерями (Q₀), значительно превышает добротность, связанную с потерями энергии на излучение из объема резонатора (Q_св), коэффициент пропускания фильтра на центральной частоте при симметричном расположении резонатора относительно поршня определяется соотношением:If the quality factor associated with ohmic losses (Q ₀ ) significantly exceeds the quality factor associated with energy losses due to radiation from the cavity volume (Q _cv ), the transmittance of the filter at the central frequency with a symmetric arrangement of the resonator relative to the piston is determined by the ratio:

(Известно, что характерные значения омических добротностей Q₀ в 3-сантиметровом диапазоне составляют порядка 5000-10000.)(It is known that the characteristic values of ohmic Q factors Q ₀ in the 3-cm range are of the order of 5000-10000.)

К достоинству фильтра предлагаемой конструкции можно отнести возможность исследования изменения частоты микроволнового излучения в течение одного СВЧ-импульса благодаря довольно малой ширине полосы пропускания фильтра

.The advantage of the filter of the proposed design can be attributed to the possibility of studying changes in the frequency of microwave radiation during one microwave pulse due to the rather small filter bandwidth

.

Таким образом, предлагаемый фильтр характеризуется малым коэффициентом отражения по мощности от резонатора на резонансной частоте (в несколько раз меньше, чем в аналоге и прототипе) и обеспечивает высокую электропрочность, возможность широкой перестройки по частоте, наличие лишь одного рабочего резонанса в требуемой полосе частот, высокий коэффициент прохождения на резонансной частоте и постоянство относительной ширины полосы пропускания.Thus, the proposed filter is characterized by a low power reflection coefficient from the resonator at the resonant frequency (several times less than in the analogue and prototype) and provides high electrical strength, the possibility of wide frequency tuning, the presence of only one working resonance in the required frequency band, high transmission coefficient at the resonant frequency and constancy of the relative bandwidth.

Фильтр предназначен для использования в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн. Использование специальной технологии изготовления конических стержней малого диаметра (например, методом электроэрозионной обработки) позволяет изготовить фильтр предлагаемой конструкции для использования в миллиметровом диапазоне длин волн.The filter is intended for use in the decimeter and centimeter wavelength ranges. Using special technology for the manufacture of conical rods of small diameter (for example, by EDM) allows us to produce a filter of the proposed design for use in the millimeter wavelength range.

Claims

A tunable band-pass waveguide filter for measuring the frequency of high-power microwave radiation, containing a segment of a rectangular waveguide and a resonator with a tuning piston at one end, characterized in that the resonator is formed by four conical rods connecting wide walls of the waveguide and is located symmetrically relative to the hole in the wide wall of the waveguide intended for introducing a tuning piston.