RU2817782C1

RU2817782C1 - Broadband microwave filter

Info

Publication number: RU2817782C1
Application number: RU2023133206A
Authority: RU
Inventors: Борис Афанасьевич Беляев; Алексей Михайлович Сержантов; Никита Михайлович Боев; Андрей Александрович Лексиков; Ярослав Федорович Бальва; Сергей Дмитриевич Крёков; Андрей Сергеевич Колбасов
Filing date: 2023-12-14
Publication date: 2024-04-22

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: broadband microwave filter relates to microwave technology and is intended, for example, to create frequency-selective microwave devices, filters, diplexers, etc. Filter comprises housing-screen, inside which there are metal rods of resonators, closed to housing-screen on one side, novelty is that adjacent metal rods are galvanically connected to each other by additional metal conductors in places located at equal distance from ends of rods closed on screen, and distance between metal rods is equal to 2 mm.

EFFECT: increased bandwidth of the filter.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено, например, для создания частотно-селективных устройств СВЧ, полосно-пропускающих фильтров, диплексеров и др.The invention relates to microwave technology and is intended, for example, to create frequency-selective microwave devices, bandpass filters, diplexers, etc.

Известен полосно-пропускающий фильтр, представленный прямоугольным металлическим волноводом, содержащим металлические индуктивные стержни, замкнутые обеими концами на широкие стенки, и металлические диафрагмы со щелью [CHEN, T.-S. Waveguide Resonant-iris Filters with very Wide Passband and Stopbands //International Journal of Electronics, 1966, 21(5), pp. 401–424]. Недостатками конструкции являются сравнительно большие размеры, небольшая протяженность полосы заграждения и невозможность получения широкой полосы пропускания.A known bandpass filter is represented by a rectangular metal waveguide containing metal inductive rods closed at both ends to wide walls, and metal diaphragms with a slot [CHEN, T.-S. Waveguide Resonant-iris Filters with very Wide Passband and Stopbands //International Journal of Electronics, 1966, 21(5), pp. 401–424]. The disadvantages of the design are the relatively large size, the short length of the barrier strip and the inability to obtain a wide bandwidth.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является волноводный полосно-пропускающий фильтр [Волноводный полосно-пропускающий фильтр с протяженной и глубокой полосой заграждения // Патент на полезную модель № 211769, МПК H01P 7/06, опубл. 22.06.2022, Бюл. №18]. Фильтр содержит прямоугольный металлический волновод, в котором расположены металлические диафрагмы со щелями. Между смежными металлическими диафрагмами расположено по металлическому стержню, замкнутому одним концом на широкую стенку волновода. Фильтр характеризуется меньшими размерами и большей протяженностью полосы заграждения по сравнению с первым аналогом. Недостатком конструкции является невозможность получения широкой полосы пропускания.The closest analogue, adopted as a prototype, is a waveguide bandpass filter [Waveguide bandpass filter with an extended and deep stop band // Utility model patent No. 211769, IPC H01P 7/06, publ. 06/22/2022, Bulletin. No. 18]. The filter contains a rectangular metal waveguide in which metal diaphragms with slits are located. Between adjacent metal diaphragms there is a metal rod, closed at one end to the wide wall of the waveguide. The filter is characterized by smaller dimensions and a longer barrier band compared to the first analogue. The disadvantage of the design is the inability to obtain a wide bandwidth.

Техническим результатом изобретения является увеличение ширины полосы пропускания фильтра.The technical result of the invention is to increase the filter bandwidth.

Указанный технический результат достигается тем, что в широкополосном СВЧ-фильтре, содержащем корпус-экран, внутри которого расположены металлические стержни резонаторов, замкнутые одним концом на корпус-экран на одной стороне корпуса, новым является то, что смежные металлические стержни гальванически соединены между собой дополнительными металлическими проводниками в местах, расположенных на одинаковом расстоянии от замкнутых на экран концов стержней, а расстояние между металлическими стержнями равно 2 мм.The specified technical result is achieved by the fact that in a broadband microwave filter containing a housing-screen, inside which there are metal rods of resonators, closed at one end to the housing-screen on one side of the housing, what is new is that adjacent metal rods are galvanically connected to each other by additional metal conductors in places located at the same distance from the ends of the rods closed to the screen, and the distance between the metal rods is 2 mm.

Существенным отличием заявляемого устройства от наиболее близкого аналога является то, что смежные металлические стержни резонаторов гальванически соединены между собой дополнительными металлическими проводниками в местах, расположенных на одинаковом расстоянии от замкнутых на экран концов стержней, и расстояние между металлическими стержнями равно 2 мм. A significant difference between the proposed device and the closest analogue is that the adjacent metal rods of the resonators are galvanically connected to each other by additional metal conductors in places located at the same distance from the ends of the rods closed to the screen, and the distance between the metal rods is 2 mm.

Изобретение поясняется следующими чертежами: Фиг. 1 – конструкция заявляемого широкополосного СВЧ-фильтра; Фиг. 2 – сравнение амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) широкополосного СВЧ-фильтра заявляемой конструкции и фильтра-прототипа.The invention is illustrated by the following drawings: FIG. 1—design of the proposed broadband microwave filter; Fig. 2 – comparison of amplitude-frequency characteristics (AFC) of a broadband microwave filter of the proposed design and a prototype filter.

Заявляемый широкополосный СВЧ-фильтр (Фиг. 1) содержит корпус-экран 1, внутри которого находятся металлические стержни 2 резонаторов. Металлические стержни 2 замкнуты одним концом на корпус-экран 1 с одной стороны. Внешние линии передачи 4 подключаются к стержням 2 резонаторов, например, гальванически. Форма поперечного сечения металлических стержней 2 может быть любой, например, цилиндрической. Между смежными стержнями 2 резонаторов расположены дополнительные проводники 3, которые гальванически подключены к металлическим стержням 2 в местах, расположенных на одинаковом расстоянии от замкнутых на корпус-экран 1 концов стержней 2. Дополнительные проводники 3 могут иметь произвольную форму, например, форму прямоугольного параллелепипеда, при этом для повышения технологичности изготовления одна сторона каждого дополнительного проводника 3 может быть замкнута по всей длине на корпус-экран 1.The inventive broadband microwave filter (Fig. 1) contains a housing-screen 1 , inside of which there are metal rods 2 resonators. Metal rods 2 are closed at one end to the screen body 1 on one side. The external transmission lines 4 are connected to the resonator rods 2 , for example, galvanically. The cross-sectional shape of the metal rods 2 can be any, for example, cylindrical. Between the adjacent rods 2 of the resonators there are additional conductors 3 , which are galvanically connected to the metal rods 2 in places located at the same distance from the ends of the rods 2 closed to the housing-screen 1 . Additional conductors 3 can have an arbitrary shape, for example, the shape of a rectangular parallelepiped, and to improve manufacturability, one side of each additional conductor 3 can be closed along its entire length to the screen housing 1 .

Широкополосный СВЧ-фильтр работает следующим образом. Внешние линии передачи 4 подключаются к стержням 2 резонаторов как показано на Фиг. 1. Расстояние от заземленных концов стержней 2 резонаторов до точек подключения внешних линий передачи 4 определяется заданным уровнем отражений в полосе пропускания фильтра. Размеры и места подключения дополнительных проводников 3, определяют ширину полосы пропускания фильтра. С уменьшением индуктивности дополнительных проводников 3 и увеличении расстояния от точки их подключения до точки соединения стержней 2 с корпусом-экраном 1 ширина полосы пропускания фильтра будет расти. Сигналы, частоты которых попадают в полосу пропускания, проходят на выход фильтра с минимальными потерями, в то время как на частотах вне полосы пропускания происходит отражение сигналов от входа устройства.The broadband microwave filter works as follows. External transmission lines 4 are connected to resonator rods 2 as shown in Fig. 1. The distance from the grounded ends of the resonator rods 2 to the connection points of external transmission lines 4 is determined by the given level of reflections in the filter passband. The dimensions and connection points of additional conductors 3 determine the bandwidth of the filter. With a decrease in the inductance of additional conductors 3 and an increase in the distance from the point of their connection to the point of connection of the rods 2 with the screen housing 1, the filter bandwidth will increase. Signals whose frequencies fall within the passband pass to the filter output with minimal losses, while signals at frequencies outside the passband are reflected from the input of the device.

Благодаря наличию дополнительных проводников 3 стержни 2 резонаторов оказываются связанными между собой не только электромагнитно, но и гальванически. Величину коэффициента связи резонаторов можно изменять, варьируя как величины зазоров между стержнями 2 резонаторов, так и расстояние от дополнительных проводников 3 до заземленных концов стержней 2 резонаторов. Как известно, ширина полосы пропускания фильтра определяется, при прочих равных условиях, величиной коэффициента связи между резонаторами. Меняя расстояние от дополнительных проводников 3 до закороченных концов стержней 2, можно в широких пределах менять величину коэффициента связи между резонаторами, не меняя при этом расстояния между ними. Благодаря этому можно получить относительную ширину полосы пропускания фильтра в несколько раз большую, чем в фильтре-прототипе при прочих равных условиях. Thanks to the presence of additional conductors, the 3 rods of the 2 resonators are connected to each other not only electromagnetically, but also galvanically. The magnitude of the coupling coefficient of the resonators can be changed by varying both the size of the gaps between the 2 resonator rods and the distance from the additional conductors 3 to the grounded ends of the 2 resonator rods. As is known, the filter bandwidth is determined, other things being equal, by the magnitude of the coupling coefficient between the resonators. By changing the distance from the additional conductors 3 to the short-circuited ends of the rods 2 , it is possible to change within a wide range the value of the coupling coefficient between the resonators without changing the distance between them. Thanks to this, it is possible to obtain a relative filter bandwidth several times greater than in the prototype filter, all other things being equal.

На Фиг. 2 представлены частотные зависимости коэффициента передачи четырехрезонаторного широкополосного СВЧ-фильтра заявляемой конструкции (сплошная линия 5) и фильтра-прототипа (штриховая линия 6). Фильтры рассчитаны на одинаковую центральную частоту полосы пропускания f ₀≈ 5000 МГц и КСВ < 1.2 в полосе пропускания. Конструктивные параметры фильтра заявляемой конструкции (Фиг. 1): размеры корпуса-экрана 1, являющегося общим для всех резонаторов, 27x22.8x8 мм³; расстояние между стержнями 2 резонаторов 2 мм; длина внешних стержней 2 резонаторов 20.85 мм и 19.65 мм у пары внутренних, их диаметр 3 мм. Величина воздушного зазора между разомкнутыми концами стержней 2 резонаторов и корпусом-экраном 1 составила для заявляемого фильтра 1 мм. Высота дополнительных проводников 3 составила 9.45 мм и 8.6 мм, их ширина равна диаметру стержней 2. Внешние линии передачи 4 подключены к стержням 2 резонаторов на расстоянии 14.8 мм от заземленных концов.In FIG. Figure 2 shows the frequency dependences of the transmission coefficient of a four-resonator broadband microwave filter of the proposed design (solid line 5 ) and the prototype filter (dashed line 6 ). The filters are designed for the same central frequency of the passband f ₀ ≈ 5000 MHz and SWR < 1.2 in the passband. Design parameters of the filter of the proposed design (Fig. 1): dimensions of the screen housing 1 , which is common to all resonators, 27x22.8x8 mm ³ ; the distance between the rods of 2 resonators is 2 mm; the length of the outer rods of 2 resonators is 20.85 mm and 19.65 mm for a pair of internal ones, their diameter is 3 mm. The size of the air gap between the open ends of the 2 resonator rods and the screen housing 1 was 1 mm for the inventive filter. The height of the additional conductors 3 was 9.45 mm and 8.6 mm, their width was equal to the diameter of the rods 2 . External transmission lines 4 are connected to the resonator rods 2 at a distance of 14.8 mm from the grounded ends.

Фильтр-прототип имел одинаковый с заявляемым фильтром диаметр стержней 2 и одинаковую величину воздушного зазора между разомкнутыми концами стержней 2 резонаторов и корпусом-экраном 1. Для получения наибольшей ширины полосы пропускания расстояние между наружными стержнями 2 резонаторов в фильтре-прототипе составило 0.5 мм, между внутренней парой 1 мм. Длина стержней 2 наружных резонаторов составила 13.5 мм и 13.04 мм у пары внутренних. Следует отметить, что дальнейшее уменьшение расстояния между стержнями 2 резонаторов практически не приводило к росту ширины полосы пропускания фильтра из-за разности индуктивного и емкостного взаимодействия резонаторов, которые, как известно, имеют разные знаки в гребенчатых фильтрах на сонаправленных стержнях.The prototype filter had the same diameter of the rods 2 as the claimed filter and the same size of the air gap between the open ends of the resonator rods 2 and the screen housing 1 . To obtain the greatest bandwidth, the distance between the outer rods of the 2 resonators in the prototype filter was 0.5 mm, and between the inner pair 1 mm. The length of the rods of 2 external resonators was 13.5 mm and 13.04 mm for a pair of internal ones. It should be noted that a further decrease in the distance between the rods of the 2 resonators practically did not lead to an increase in the filter bandwidth due to the difference in the inductive and capacitive interaction of the resonators, which, as is known, have different signs in comb filters on co-directional rods.

Из Фиг. 2 видно, что использование широкополосного СВЧ-фильтра заявляемой конструкции позволяет значительно расширить полосу пропускания по сравнению с фильтром-прототипом. Так относительная ширина полосы пропускания для заявляемого фильтра составляет Δf ₃/f ₀=50% (по уровню –3 дБ), а для фильтра-прототипа только Δf ₃/f ₀=12%, что в четыре раз меньше – это подтверждает заявляемый технический результат. При этом достоинством заявляемой конструкции является возможность реализации широкой полосы пропускания при достаточно большом расстоянии между стержнями 2, что значительно повышает технологичность изготовления фильтра, например, методом фрезерования.From Fig. 2 it can be seen that the use of a broadband microwave filter of the proposed design can significantly expand the bandwidth compared to the prototype filter. Thus, the relative bandwidth for the proposed filter is Δ f ₃ / f ₀ =50% (at a level of –3 dB), and for the prototype filter only Δ f ₃ / f ₀ =12%, which is four times less - this confirms claimed technical result. At the same time, the advantage of the proposed design is the possibility of realizing a wide bandwidth with a sufficiently large distance between the rods 2 , which significantly increases the manufacturability of the filter, for example, by milling.

Таким образом, на основе предложенной конструкции широкополосного СВЧ-фильтра можно проектировать устройства частотной селекции сигналов с широкими полосами пропускания, которые могут найти применение в системах широкополосной радиолокации, связи, различной измерительной и специальной аппаратуре.Thus, based on the proposed design of a broadband microwave filter, it is possible to design frequency selection devices for signals with wide bandwidths, which can find application in broadband radar systems, communications, and various measuring and special equipment.

Claims

A broadband microwave filter containing a housing-screen, inside of which there are metal rods of resonators, closed at one end to the housing-screen on one side of the housing, characterized in that adjacent metal rods are galvanically connected to each other by additional metal conductors in places located at the same distance from the ends of the rods closed to the screen, and the distance between the metal rods is 2 mm.