Выбор диэлектрических материалов и геометрии запредельного волновода

2.    Выбор диэлектрических материалов и геометрии запредельного волновода.

3.    Определение внутренних параметров обобщённых звеньев ,  по известным внешним параметрам  и .

4.    Определение длин дополнительных отрезков связи  при реализации чебышевских АЧХ четного порядка.

5.    Определение конструктивных размеров ВДФ в соответствии с выбранной схемой реализации (рис. ).

Рассчитаем ВДФ со следующими параметрами:

1.    Определим длину диэлектрического слоя , одинаковую для всех обобщённых звеньев в узкополосных ВДФ :

 мм

Где

2. Вычисляем крайние частоты резонансных звеньев с заданными нагруженными добротностями :

 ГГц

 ГГц

 ГГц

3. Вычислим вспомогательные величины , , ,  и  запредельного участка:

 см

 см

 см

где -скорость света;

где -размер широкой стенки волновода;

4. Определим конструктивные размеры обобщённых звеньев ВДФ:

а) длину диэлектрических слоёв с :

 мм

 мм

 мм

б) длины запредельных участков:

 мм

 мм

 мм

После определения всех  и  определяются конструктивные размеры ВДФ в целом, согласно рис. , при этом расстояния между диэлектрическими слоями  и  равны.

Проведённый приближённый расчёт приемлем для расчёта фильтров с полосой пропускания менее 5%.

Способы возбуждения ВДФ и особенности синтеза входных звеньев. Возбуждение ВДФ может быть осуществлено различными способами: при помощи стандартных прямоугольных волноводов; волноводов, заполненных диэлектриком с проницаемостью , коаксиально-волноводными переходами, выполненными в виде петель и штырей возбуждения; штырями, связанными с микрополосковыми и копланарными линиями (рис). Различные варианты возбуждения имеют специфические особенности и, по-видимому, вряд ли могут быть строго рассчитаны на основе единого подхода.

Приближённые эквивалентные схемы, соответствующие различным вариантам возбуждения, в большинстве случаев могут быть сведены к общему представлению сочленения ВДФ и подводящей линии в виде шунтирующей проводимости  (рис. ). Величина проводимости  находится приближёнными электродинамическими методами или экспериментально.

Способы возбуждения ВДФ

а – прямоугольным волноводом; б – заполненным прямоугольным волноводом; в – сопряжение с коаксиальным трактом при помощи петли; г - сопряжение с коаксиальным трактом с помощью штыря; д – сопряжение с микрополосковой линией; е – сопряжение с копланарной линией.

Рассмотрим влияние реактивностей, включенных на входе и выходе обобщённого звена, на его основные параметры. Обозначим матрицу передачи шунтирующей проводимости . Тогда результирующая матрица соединения

где ; b-ненормированная проводимость; -матрица передачи обобщённого резонансного звена. Выполняя операцию умножения, получим из:

Обобщённое звено с шунтирующими проводимостями на входе и выходе

 

; ;

;

;

 

.

Запишем элемент волновой матрицы передачи  для обобщённого звена с шунтирующей проводимостью на входе и выходе:

;

; ; .

Частотные характеристики обобщённого звена с индуктивными проводимостями на входе и выходе, рассчитанные по, приведены на рис. . Увеличение величины проводимости приводит к повышению резонансной частоты и увеличению внешней добротности звена. Включение на входе и выходе обобщённого звена ёмкостной реактивности, напротив, приводит к уменьшению внешней добротности при увеличении  (рис. ). Влияние ёмкостной реактивности имеет более сложный характер по сравнению с индуктивной. При достижении нормированной проводимости значения  характер её влияния резко меняется и при  нагруженная добротность резко увеличивается по мере возрастания , резонансная частота при этом уменьшается. Такое влияние ёмкостной реактивности при больших величинах  объясняется её шунтирующим действием на входе и выходе звена. Очевидно, что неограниченное увеличение  в пределе приведёт к случаю ВДР, ограниченного металлическими торцевыми стенками. В дальнейшем рассмотрении случай больших с ёмкостным характером не представляет практического интереса, так как ёмкостные винты используются лишь для незначительной подстройки параметров связи и их проводимость . Заметим, что при больших значениях  винт уже обладает резонансными свойствами, что может приводить к возникновению неконтролируемых паразитных полос пропускания в многозвенных фильтрах. Глубина погружения винта не превышает обычно половины высоты волновода [ ].

Получим условие резонанса обобщённого звена с учётом проводимости на входе и выходе в форме, удобной для синтеза, приравняв  к нулю в формуле:

.

На рис. приведены зависимости резонансных электрических длин  обобщённых звеньев от индуктивной нормированной реактивности . Увеличение реактивности  приводит к увеличению , обеспечивающей резонанс на заданной частоте. Пределы изменения электрической длины определяются из решения задачи о собственных частотах для ВДР с металлическими торцевыми стенками и уравнения ( ), определяющего резонансные условия обобщённого звена без шунтирующих проводимостей. Максимально достижимое значение  соответствует случаю короткого замыкания обобщённого звена и может быть определено по формуле

,

где , - продольные волновые числа в диэлектрическом слое и запредельном волноводе. В соответствии с ( ) при отсутствии переотражений

.

Анализ ( ) и ( ) показывает, что диапазон изменения  в значительной мере зависит от длины запредельного волновода и при удалении точек подключения шунтирующих проводимостей их влияние на длину резонансного слоя  уменьшается и в пределе, когда , равны электрической длине диэлектрического слоя, обеспечивающей резонанс на собственной частоте ВДР.

Получим выражение внешней добротности обобщённого звена с шунтирующей проводимостью на входе, учитывая, что в отсутствии потерь .

,

;

;

.

Полагая, что  и не зависит от частоты, опуская промежуточные выкладки, запишем выражение для внешней добротности обобщённого звена с реактивностью на входе

,

;

;

;

.

Входящая в ( ) величина электрической длины диэлектрического слоя определяется при условии :

.

Использование полученных выражений для внешней добротности ( ) и резонансных условий ( ) позволяет скорректировать длину запредельного участка и диэлектрического слоя входного и выходного звеньев фильтра с учётом влияния шунтирующей проводимости элементов возбуждения ВДФ.

Длина входного отрезка запредельного волновода находится так:

,

где -решение ( ) для заданного значения шунтирующей проводимости входа .

Длина диэлектрического слоя определяется следующим образом:

,

где  определяется по ( ), а - электрическая длина слоя в случае согласованного включения ( ).

Методика синтеза входных звеньев реализована в программе _______.

Расчёт ВДФ. С возбудителем.

Рассчитаем ВДФ, удовлетворяющий требованиям раздела __.

Возбуждение фильтра осуществляется волноводным сечением  .

Следует отметить, что при расчёте фильтров с произвольным числом звеньев корректируются только размеры входного (выходного) запредельного участка и длины диэлектрических вкладышей первого и последнего звеньев.

Осуществляем корректировку длины входного звена с учётом реактивности входа:

а) рассчитаем проводимость стыка волноводов, нормированную к :

Где

 см;

.

б) вычислим внешнюю добротность ВДФ, пользуясь таблицей:

где -

.

в) решая уравнения ( ), находим для  и  геометрические размеры входного и выходного звеньев:

 мм;

 мм.

2      Волноводно-микрополосковый переход

В последние годы всё более широкое применение находит техника гибридно-интегральных схем (г.и.с.) в сантиметровом диапазоне волн. Как для проведения измерений параметров г.и.с. СВЧ, так и при соединении их в системах, актуальной становится задача создания коаксиально- или волноводно-микрополосковых переходов с широкой полосой, низким к.с.в.н. и малыми вносимыми потерями.

3          Критерий качества полосно-пропускающих фильтров

Проектирование современной радиоаппаратуры наряду с другими проблемами неизменно связано со сложностью миниатюризации элементов и узлов, технологичности их выполнения и соответствия требованиям по электромагнитной совместимости. Многоканальность радиоэлектронных систем приводит к существенному увеличению количества полосно-пропускающих фильтров (ППФ) диапазонов УВЧ, ОВЧ, СВЧ, причём требования к их избирательности, миниатюризации, технологичности непрерывно возрастают. Указанные требования часто взаимно противоречивы, что приводит к поиску компромиссных решений.

В течении длительного времени сравнение различных фильтров между собой проводилось по отдельно взятым параметрам (или по селективности, или по потерям, или по полосе пропускания) без учёта некоторой зависимости между ними. Эта методика приемлема и в настоящее время для крупногабаритных фильтров.

Положение существенно меняется при предъявлении к фильтрам требования миниатюризации. Дело в том, что в миниатюрных фильтрах (в отличие от крупногабаритных фильтров) все основные параметры функционально связаны между собой: например, увеличивая селективность, мы заметно увеличиваем потери; сужая полосу, мы снова увеличиваем потери и т. д. Таким образом, сравнение миниатюрных фильтров по отдельно взятым параметрам будет некорректным: необходимо оценивать систему основных параметров в целом. Именно поэтому