Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 2, стр. 154-156

Конструкция фильтра выполнена на запредельном прямоугольном (или круглом) волноводе, содержащем ДР, крайние из которых реализуют внешние связи. Синтез пятизвенного чебышевского ППФ включает определение g-параметров, расчет коэффициентов связи между соседними ДР, внешние добротности связи крайних ДР со входными портами [1, 2], а также пересчет значений указанных параметров, выраженных через собственные параметры ДР [3]. Определение вносимых потерь фильтра основано на расчете вынужденных колебаний токов поляризации ДР. По закону распределения вносимых потерь в отдельных звеньях фильтра можно судить о теплопередаче ДР и фильтра в целом [4]. На сегодня имеется значительное число работ по разработке ППФ на ДР [5, 6], однако анализу вносимых потерь по отдельным звеньям фильтра не уделялось достаточного внимания, что и явилось основным предметом рассмотрения в настоящей работе.

Электромагнитное поле Н_10δ-типа колебания дискового ДР подобно полю магнитного диполя, поэтому не требуются дополнительные сосредоточенные элементы связи при реализации внешней связи крайних ДР с волноводными портами. Промежуточные ДР, размещенные в запредельном отрезке волновода, установлены каскадно на расстояниях между ними, соответствующих заданным коэффициентам взаимной связи ДР по ближнему полю. При настройке ППФ необходимо учитывать экспериментально наблюдаемые отклонения резонансных частот и собственной добротности ДР в зависимости от места размещения ДР. Устранение расхождений по резонансным частотам ДР обычно осуществляется с помощью введения винтов частотной настройки. Собственная добротность ДР несколько увеличивается от центра запредельного волновода по направлению к портам. Учет этих особенностей позволяет получить более достоверные расчеты частотных характеристик ППФ, согласующиеся с экспериментальными данными. В приближении слабых связей между ДР расчет частотных характеристик ППФ удобно проводить, решая системы уравнений с помощью матрицы передачи ДР, описываемой электрическими токами поляризации [4], определенными через интегральные параметры ДР:

где $\bar {E}_{{\text{р}}}^{{{\text{ст}}}}$ [В ∙ м^–1] – векторная функция стороннего электрического поля, ответственная за возбуждение тока поляризации ДР, ω_op [с^–1] – резонансная частота, $N_{{\text{p}}}^{0}$ [Дж] – норма собственного колебания ДР, ξ_p – обобщенная расстройка.

Для звеньев ППФ матрица передачи токов поляризации имеет ленточный тип. В работе требовалось провести синтез чебышевского ППФ с центральной частотой 6460 МГц, полосой пропускания 110 МГц, с вносимым ослаблением на частоте расстройки 6620 МГц не менее 50 дБ при пульсации в полосе пропускания 0.1 дБ. Данные g-параметров для пятизвенного ППФ: составили g₁ = g₅ = 1.14684; g₂ = g₄ = 1.37121; g₃ = 1.97503; g₀ = = g₆ = 0.

Уменьшение собственной добротности ДР за счет влияния металлических стенок волновода и таких факторов как нерезонансное возмущение и дополнительные связи между несоседними ДР приводит к заметному изменению частотной характеристики фильтра (рис. 1). На рис. 2 представлены данные моделирования частотных характеристик (квадрата амплитуд токов поляризации ДР) входного и выходного звеньев и их фазовые частотные характеристики. При этом амплитуда квадрата тока поляризации выходного звена ППФ нормирована на 1. Из данных моделирования (рис. 2) следует стабильность фазовой характеристики тока поляризации ДР входного звена в полосе пропускания, что свидетельствует о согласовании фильтра в полосе пропускания. Относительное распределение вносимых потерь по номерам звеньев ППФ в рабочей полосе частот составило следующие значения: Инт 1 – 3.0820; Инт 2 – 3.1170; Инт 3 – 2.5010; Инт 4 – 1.9380; Инт 5 – 1.0000. Наибольшие относительные потери достигаются в первых звеньях моделируемого ППФ с постепенным снижением потерь у выходного звена, величина потерь которого нормирована на 1. Следует отметить, что по известным данным [5] максимальные вносимые потери достигаются на входном звене ППФ, а в нашем случае потери максимальны как на первом (Инт 1), так и на втором звене (Инт 2). В полосе пропускания, согласно рис. 2, вносимые потери входного и выходного звеньев ППФ сопоставимы и близки по величинам, а наибольшие их различие достигается на скатах амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), что согласуется с данными, полученными в работе [6] при разработке ППФ на стержневых ДР. Таким образом, вносимые потери фильтра существенно возрастают лишь на скатах АЧХ, что необходимо учитывать для обеспечения требуемого уровня теплопередачи фильтра повышенной мощности на ДР.

В заключение следует отметить, что несмотря на кажущуюся простоту волноводной конструкции ППФ на ДР, настройка фильтра в целом и, особенно настройка крайних ДР требует тщательной экспериментальной проработки. Учет значений вносимых потерь звеньев фильтра позволяет упростить процесс оптимизации конструкции и настройки фильтра для достижения требуемых технических параметров.