RU2818666C1

RU2818666C1 - Harmonic microwave filter

Info

Publication number: RU2818666C1
Application number: RU2023131555A
Authority: RU
Inventors: Борис Афанасьевич Беляев; Алексей Михайлович Сержантов; Никита Михайлович Боев; Александр Анатольевич Александровский; Ярослав Федорович Бальва; Сергей Дмитриевич Крёков; Илья Евгеньевич Бурлаков
Filing date: 2023-12-01
Publication date: 2024-05-03

Abstract

FIELD: microwave equipment.

SUBSTANCE: invention relates to microwave engineering and is intended to create frequency-selective microwave devices, filters, diplexers, etc. Filter comprises housing-screen, inside which there are metal rods of resonators. Metal rods are closed by their ends on the housing-screen on one side, and by other (open) ends they are inserted with a gap equal to 0.6 mm into coaxial blind holes made on the opposite side of the housing-screen. Metal rods have low equivalent inductance for the second mode and higher for the first mode of microwave oscillations.

EFFECT: increased electric strength and extension of barrier strip.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено, например, для создания частотно-селективных устройств СВЧ, фильтров, диплексеров др.The invention relates to microwave technology and is intended, for example, to create frequency-selective microwave devices, 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 и небольшая протяженность полосы заграждения.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 and short length of the barrier strip.

Также известна конструкция полосно-пропускающего фильтра на коаксиальных резонаторах [Б. А. Беляев, А. А. Лексиков, Ан. А. Лексиков, А. М. Сержантов, Ф. Г. Сухин // Коаксиальный резонатор Патент РФ №2449432, опубл. 27.04.2012, Бюл. №12]. Каждый коаксиальный резонатор образован корпусом-экраном, внутри которого расположен отрезок коаксиального волновода, заполненного диэлектриком, при этом внешний и внутренний проводники коаксиального волновода замкнуты одним концом на экран с противоположных сторон. Недостатками такого фильтра является большая сложность изготовления конструкции и необходимость применения материалов с большой относительной диэлектрической проницаемостью для обеспечения протяженной полосы заграждения.The design of a bandpass filter based on coaxial resonators is also known [B. A. Belyaev, A. A. Leksikov, An. A. Lexikov, A. M. Sergeantov, F. G. Sukhin // Coaxial resonator RF Patent No. 2449432, publ. 04/27/2012, Bulletin. No. 12]. Each coaxial resonator is formed by a screen housing, inside of which there is a section of a coaxial waveguide filled with a dielectric, while the outer and inner conductors of the coaxial waveguide are closed at one end to the screen from opposite sides. The disadvantages of such a filter are the great complexity of manufacturing the structure and the need to use materials with a high relative dielectric constant to provide an extended barrier strip.

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. Благодаря наличию металлических стержней, замкнутых одним концом на корпус, происходит уменьшение размеров, а также разрежение спектра собственных частот резонаторов в фильтре, что приводит, соответственно, к расширению высокочастотной полосы заграждения. Фильтр характеризуется простотой конструкции и технологичностью в изготовлении. Недостатком конструкции является то, что для получения достаточно широкой полосы заграждения требуется очень малая величина воздушного зазора между разомкнутым концом каждого стержня и крышкой корпуса, что значительно уменьшает электрическую прочность фильтра.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. Due to the presence of metal rods, closed at one end to the housing, there is a reduction in size, as well as a rarefaction of the spectrum of natural frequencies of the resonators in the filter, which leads, accordingly, to an expansion of the high-frequency stop band. The filter is characterized by simplicity of design and manufacturability. The disadvantage of the design is that to obtain a sufficiently wide barrier band, a very small air gap is required between the open end of each rod and the housing cover, which significantly reduces the electrical strength of the filter.

Техническим результатом изобретения является увеличение электрической прочности и расширение полосы заграждения СВЧ-фильтра гармоник.The technical result of the invention is to increase the electrical strength and expand the stop band of the microwave harmonic filter.

Указанный технический результат достигается тем, что в СВЧ-фильтре гармоник, содержащем корпус-экран, внутри которого расположены металлические стержни резонаторов, замкнутые одним концом на корпус-экран на одной стороне корпуса, новым является то, что разомкнутые концы металлических стержней вставлены с зазором равным 0,6 мм в соосные стержням глухие отверстия, выполненные на противоположной стороне корпуса-экрана, при этом металлические стержни имеют низкую эквивалентную индуктивность для второй моды и большую для первой моды СВЧ-колебаний.The specified technical result is achieved by the fact that in a microwave harmonic filter containing a housing-screen, inside which there are metal resonator rods, closed at one end to the housing-screen on one side of the housing, the new thing is that the open ends of the metal rods are inserted with a gap equal to 0.6 mm into blind holes coaxial with the rods, made on the opposite side of the screen housing, while the metal rods have a low equivalent inductance for the second mode and a high equivalent inductance for the first mode of microwave oscillations.

Существенным отличием заявляемого устройства от наиболее близкого аналога является то, что в корпусе-экране фильтра выполнены глухие отверстия, в которые с зазором 0,6 мм вставлены металлические стержни резонаторов, замкнутые одним концом на корпус-экран.A significant difference between the proposed device and the closest analogue is that the filter housing-screen has blind holes into which metal resonator rods are inserted with a gap of 0.6 mm, closed at one end to the housing-screen.

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

Заявляемый СВЧ-фильтр гармоник (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, а другим (разомкнутым) концом вставлены c зазором в соосные стержням 2 глухие отверстия 3, выполненные в корпусе-экране 1. Форма поперечного сечения металлических стержней 2 и отверстий 3 в корпусе-экране 1 может быть любой, например, цилиндрической.The inventive microwave harmonic filter (Fig. 1) contains a housing-screen 1 , inside which there are metal rods 2 resonators. Metal rods 2 are closed at one end to the screen body 1 on one side, and with the other (open) end they are inserted with a gap into blind holes 3 coaxial with the rods 2 , made in the screen body 1 . The cross-sectional shape of the metal rods 2 and holes 3 in the screen housing 1 can be any, for example, cylindrical.

СВЧ-фильтр гармоник 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. 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 microwave harmonic 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. 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.

Заявляемый технический результат достигается следующим образом. На частотах первой полосы пропускания фильтра заявляемой конструкции высокочастотное напряжение вблизи разомкнутых концов стержней 2 резонаторов максимально. Следовательно, предлагаемое техническое решение позволяет увеличить эквивалентную емкость резонаторов по сравнению с резонаторами фильтра-прототипа при одном и том же зазоре между разомкнутым концом стержня 2 и корпусом-экраном 1. В случае одинаковых с фильтром-прототипом конструктивных параметрах центральная частота полосы пропускания заявляемого фильтра существенно ниже. Для достижения требуемой центральной частоты полосы пропускания нужно уменьшить эквивалентную емкость резонаторов, т. е. увеличить зазор. Как известно, электрическая прочность коаксиального фильтра определяется предельной величиной напряженности электрического поля в емкостной части его резонаторов, при которой происходит электрический пробой. В заявляемой конструкции фильтра зазор между разомкнутыми концами стержней 2 резонаторов и корпусом-экраном 1 больше, чем в фильтре-прототипе при прочих равных условиях, а, следовательно, электрическая прочность заявляемого фильтра будет больше.The claimed technical result is achieved as follows. At the frequencies of the first passband of the filter of the proposed design, the high-frequency voltage near the open ends of the rods of 2 resonators is maximum. Consequently, the proposed technical solution makes it possible to increase the equivalent capacity of the resonators compared to the resonators of the prototype filter with the same gap between the open end of the rod 2 and the screen housing 1 . In the case of the same design parameters as the prototype filter, the central frequency of the passband of the proposed filter is significantly lower. To achieve the required center frequency of the passband, it is necessary to reduce the equivalent capacitance of the resonators, i.e., increase the gap. As is known, the electrical strength of a coaxial filter is determined by the maximum value of the electric field strength in the capacitive part of its resonators, at which electrical breakdown occurs. In the inventive filter design, the gap between the open ends of the resonator rods 2 and the screen housing 1 is greater than in the prototype filter, all other things being equal, and, therefore, the electrical strength of the inventive filter will be greater.

Кроме того, наряду с увеличением электрической прочности фильтра предлагаемое техническое решение позволяет увеличить протяженность его полосы заграждения. Это объясняется тем, что для второй (паразитной) моды колебаний коаксиального резонатора одна из двух пучностей магнитного поля находится вблизи разомкнутого конца стержня 2, а для первой (рабочей) моды колебаний вблизи точки его заземления. Следовательно, вставленный в глухое отверстие в корпусе-экране 1 металлический стержень 2 резонатора будет иметь низкую эквивалентную индуктивность для второй моды и большую для первой моды, что приводит к понижению частоты рабочей и повышению частоты паразитной моды колебаний по сравнению с фильтром прототипом. Как известно, протяженность полосы заграждения полосно-пропускающего фильтра, в первую очередь, определяется отношением частот первых двух первых мод собственных колебаний его резонаторов. Таким образом, протяженность полосы заграждения СВЧ-фильтра гармоник заявляемой конструкции оказывается больше, чем в фильтре прототипе при прочих равных условиях.In addition, along with increasing the electrical strength of the filter, the proposed technical solution makes it possible to increase the length of its barrier strip. This is explained by the fact that for the second (parasitic) mode of oscillation of the coaxial resonator, one of the two antinodes of the magnetic field is located near the open end of the rod 2 , and for the first (working) mode of oscillation near its grounding point. Consequently, the metal rod 2 of the resonator inserted into a blind hole in the screen housing 1 will have a low equivalent inductance for the second mode and a large one for the first mode, which leads to a decrease in the operating frequency and an increase in the frequency of the parasitic oscillation mode compared to the prototype filter. As is known, the length of the stop band of a bandpass filter is, first of all, determined by the ratio of the frequencies of the first two first modes of natural oscillations of its resonators. Thus, the length of the microwave harmonic filter of the proposed design turns out to be greater than in the prototype filter, all other things being equal.

На Фиг. 2 представлены частотные зависимости коэффициента передачи двухрезонаторного фильтра заявляемой конструкции (сплошная линия 5) и фильтра-прототипа (штриховая линия 6). Точками 7 показаны частотные зависимости коэффициента отражения, которые совпадают для обоих фильтров. Фильтры имеют одинаковую относительную ширину полосы пропускания Δf ₃/f ₀=25% (по уровню -3 дБ) с центральной частотой f ₀≈ 4000 МГц и КСВ < 1,2 в полосе пропускания. Конструктивные параметры фильтра (Фиг. 1): размеры корпуса-экрана 1, являющегося общим для обоих резонаторов, 15x11x8 мм³; расстояние между осями стержней 2 резонаторов 5 мм; длина стержней 2 резонаторов 10,85 мм, их диаметр 3 мм. Глубина глухих отверстий в корпусе-экране 1 заявляемого фильтра составила 4,15 мм. Величина воздушного зазора между разомкнутыми концами стержней 2 резонаторов и корпусом-экраном 1 составила для заявляемого фильтра 0,6 мм, а для фильтра-прототипа меньшую величину - 0,5 мм. Бóльшая величина воздушного зазора у заявляемого фильтра позволяет работать с более высокими уровнями мощности по сравнению с фильтром-прототипом при прочих равных условиях.In FIG. Figure 2 shows the frequency dependences of the transmission coefficient of a two-cavity filter of the proposed design (solid line5) and prototype filter (dashed line6). Dots7 The frequency dependences of the reflection coefficient are shown, which are the same for both filters. Filters have the same relative bandwidth Δf ₃/f ₀=25% (at -3dB level) with center frequencyf ₀≈ 4000 MHz and VSWR < 1.2 in the passband. Filter design parameters (Fig. 1): screen housing dimensions1, which is common to both resonators, 15x11x8 mm³; distance between the axes of the rods2 resonators 5 mm; rod length2 resonators are 10.85 mm, their diameter is 3 mm. Depth of blind holes in the screen housing1 of the proposed filter was 4.15 mm. The size of the air gap between the open ends of the rods2 resonators and housing-screen1 was 0.6 mm for the proposed filter, and a smaller value for the prototype filter - 0.5 mm. The larger air gap of the inventive filter allows it to operate at higher power levels compared to the prototype filter, all other things being equal.

Из Фиг. 2 видно, что использование фильтра заявляемой конструкции позволяет не только увеличить электрическую прочность, но и расширить высокочастотную полосу заграждения. Так протяженность полосы заграждения по уровню −30 дБ составляет для заявляемого фильтра почти 15 ГГц, а для фильтра-прототипа только 3 ГГц, что в пять раз меньше - это подтверждает заявляемый технический результат.From Fig. 2 it can be seen that the use of a filter of the proposed design allows not only to increase the electrical strength, but also to expand the high-frequency stop band. Thus, the length of the stop band at the level of −30 dB is almost 15 GHz for the proposed filter, and only 3 GHz for the prototype filter, which is five times less - this confirms the claimed technical result.

Таким образом, на основе предложенной конструкции СВЧ-фильтра гармоник можно создавать миниатюрные частотно-селективные устройства с улучшенными электрическими характеристиками, которые могут найти применение в системах радиолокации, радионавигации, связи, в различной измерительной и специальной аппаратуре.Thus, based on the proposed design of a microwave harmonic filter, it is possible to create miniature frequency-selective devices with improved electrical characteristics, which can find application in radar systems, radio navigation, communications, and in various measuring and special equipment.

Claims

Microwave harmonic 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 the open ends of the metal rods are inserted with a gap of 0.6 mm into blind holes coaxial with the rods , made on the opposite side of the screen housing, while the metal rods have a low equivalent inductance for the second mode and a high equivalent inductance for the first mode of microwave oscillations.