Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 9, стр. 1283-1287

ВВЕДЕНИЕ

К настоящему времени разработки микроволновых фильтров на диэлектрических резонаторах (ДР) широко используются в средствах мобильной и космической связи. При этом основное внимание уделялось проектированию и разработкам полосно- пропускающих фильтров (ППФ), мультиплексеров и других устройств, а проектирование полосно-заграждающих (режекторных) фильтров (ПЗФ) не имело столь широкого распространения [1–3], в частности волноводные конструкции ПЗФ, обладающие уникальными значениями собственной добротности ДР, были весьма громоздки. Поэтому цель работы была связана с оценкой нежелательных эффектов работы ПЗФ и мер по их устранению. Рассмотрены случаи взаимной связи диэлектрических резонаторов при четверть-волновой связи ДР, возбужденных на рабочем низшем типе колебания Н_01δ. Показано, что при одно четверть-волновой связи ДР имеет место превышение уровня “критической” связи резонаторов, что проводит к нежелательному расщеплению резонансных кривых, а дополнительное влияние на несимметричность частотных характеристик системы двух ДР оказывает нерезонансное возмущение, вносимое диэлектрическими образцами ДР в волновод. Рассмотрены меры по уменьшению. влияния эффекта “пересвязи” диэлектрических резонаторов в линиях передачи СВЧ. Выявлены особенности применения ДР в различных конструкциях режекторных микроволновых фильтров, включая коаксиальные и микрополосковые конструкции. Моделирование проведено с помощью программы CST MS.

При проектировании режекторных (заграждающих) СВЧ-фильтров на диэлектрических резонаторах, установленных в металлических волноводах (в том числе в экранированных микрополосковых линиях) требуется обеспечение “критической” связи между резонаторами, что достигается установкой резонаторов в линии передачи на расстояния, кратные нечетному числу λ_в/4, где λ_в – длина волны в линии передачи [1].

Однако для случая применения ДР в конструкциях таких фильтров имеются особенности, обусловленные формированием локального (местного) электромагнитного поля как резонансного, так и нерезонансного (квазистатического) возбуждения, зависящего от формы и ориентации образцов ДР в линиях передачи. Численное моделирование случая четвертьволновой связи двух ДР, установленных в прямоугольном металлическом волноводе, позволило получить достаточно точные частотные характеристики элементов матрицы рассеяния, учитывающие отмеченные особенности четвертьволновой связи.

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

В данной работе проведено моделирование прямоугольного металлического волновода Х-диапазона сечением 23 · 10 мм², содержащего два ДР цилиндрической (дисковой) формы (диаметр – 4.5 мм, высота – 2 мм), материалом которых служит керамика БТ-45 с относительной диэлектрической проницаемостью ɛ' = 45 и собственной добротностью Q₀ порядка 2 ⋅ 10⁴. ДР установлены в центре волновода с поперечной ориентацией диска ДР, как показано на рис. 1.

Рис. 1.

Вид волновода с двумя ДР при 3λ_в/4-связи между ДР.

Для случая размещения одного ДР в волноводе резонансная частота ДР, возбужденного на низшем типе колебаний Н_01δ, равна f₀ = 10.564 ГГц, а полоса заграждения – 2∆f по уровню 10 дБ для коэффициента отражения S₁₁ составила 0.894 ГГц, что соответствует значению нагруженной добротности ДР равной Q_н = f₀/(2∆f/3) = = 10.564/(0.894/3) = 39.4. Отметим, что дополнительное деление полосы заграждения на “3” соответствует ее переводу на уровень измерения по “3 дБ”. Коэффициент отражения S₁₁ имеет выраженную несимметрию частотной характеристики, обусловленную нерезонансным возмущением, вносимым образцом ДР в волновод, оказывающим внимание на дополнительные обратные потери на высокочастотном крыле частотной характеристики [2].

На рис. 2 приведены частотные характеристики при одно-четвертьволновой связи двух ДР в волноводе. Видно, что имеет место расщепление частотной характеристики коэффициента S₂₁ (с полосой расщепления 129 МГц) за счет превышения взаимной связи между ДР уровня “критической” связи. Частотная характеристика коэффициента S₁₁ имеет области частот с выраженными минимумами на склонах кривых, обусловленных влиянием поля нерезонансного возмущения ДР, противофазного полю распространяющуюся волны в волноводе.

Рис. 2.

S-параметры двух ДР с λ_в/4-связью.

На рис. 3 приведены частотные характеристики при трех-четвертьволновой связи двух ДР в волноводе. В этом случае достигается “критическая” связь между двумя ДР и частотные характеристики коэффициента S₁₁ принимают более П-образную форму, типичную для совершенной четверть-волновой связи двух резонаторов, при этом полоса частот заграждения S₂₁ (порядка 135 МГц по уровню 10 дБ) остается практически близкой к полосе заграждения одного ДР (порядка 130 МГц).

Рис. 3.

Частотные зависимости S- параметров двух ДР с 3λ_в/4-связью.

Исследуемый вариант конструкции двух ДР в волноводе с 3λ_в/4-связью служит примером реализации двух контурного режекторного СВЧ-фильтра, частотное распределение мощностей которого на портах волновода представлено на рис. 4.

Рис. 4.

Мощности на входном (1) и выходном (2) портах волновода

Разность выходной и входной мощностей, нормированных на 0.5, определяет уровень проходящей мощности, причем входная мощность на порте 1 имеет отрицательный знак, а мощность на выходе порта 2 положительный знак, соответственно. Видно, что в резонансной области частот мощности на входе порта 1 и выходе порта 2 стремятся к нулю, что соответствует высокому уровню режекции фильтра. При этом на низкочастотных склонах кривых имеется почти полное согласование волновода с нагрузкой, а на высокочастотных склонах частичное рассогласование за счет нежелательной режекции, обусловленной несимметрией резонансных частотных характеристик ДР в волноводе. Проведенное моделирование непосредственного включения двух ДР в полость волновода позволило дать численные оценки параметров связи между ДР и их нагруженной добротности, которые могут служить исходными данными для синтеза микроволновых режекторных фильтров волноводных конструкций, нашедших широкое применение в технике СВЧ.

МЕРЫ ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ ФИЛЬТРОВ

Полученные зависимости частотных характеристик S-параметров двух ДР с 3λ_в/4-связью в волноводе подтверждают необходимость проектирования заграждающих (режекторных) фильтров СВЧ на относительно больших электрических расстояниях между ДР, что ведет к заметному увеличению их длины. Однако, предпринимается ряд мер, позволяющих частично (или полностью) реализовать одно четвертьволновую связь за счет частичного экранирования ДР, так что одна часть образца ДР установлена вне волновода, а другая часть адаптивно введена в волновод [3]. При использовании дисковых ДР с различным видом ориентации ДР (со взаимно перпендикулярными ориентациями дисков), установленных в одном и том же поперечном сечении волновода, имеется возможность реализации одно четверть-волновую связь за счет возбуждения их в квадратуре [2, 4], при этом следующая пара ДР может быть установлена через три четверти волны в волноводе. В конструкциях ПЗФ с ДР на коаксиальной линии передачи с ТЕМ распространяющейся волной эффект “пересвязи” резонаторов практически не наблюдается, однако, реализация способа непосредственного подключения ДР к внутреннему металлическому проводнику коаксиальной линии приводит к дополнительным тепловым потерям фильтра [1], а использование внешнего проводника в качестве экрана ДР приводит к излишней громоздкости конструкции. В варианте размещения ДР во внешнем цилиндрическом металлическом экране с локальным подключением проводника петли связи к центральному проводнику коаксиальной линии передачи реализован ПЗФ с минимальными потерями [5, 6]. В конструкциях ПЗФ с ДР на экранированных микрополосковых линиях эффект “пересвязи” резонаторов может наблюдаться за счет влияния экрана. С целью уменьшения этого влияния два одинаковых ДР устанавливают симметрично относительно полоскового проводника МПЛ, обеспечивая их противофазное возбуждение, что существенно снижает влияние экрана и приводит к росту эффективной собственной добротности пары ДР в сравнении с одиночным ДР [2]. Для более продвинутых конструкций фильтров характерно использование двухмодовых ДР с вырожденными типами колебаний, а также сочетание промежуточных звенев резонаторов с непосредственной связью ДР и крайних звеньев, включенных в линию передачи посредством четвертьволновых связей [7], но такие конструкции следует отнести к гибридным конструкциям фильтров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При включении ДР в полость металлического волновода последний служит одновременно линией передачи и экраном, препятствующим излучению ДР в окружающее свободное пространство. Для возбуждения электромагнитного поля ДР не требуется дополнительных сосредоточенных элементов связи при реализации внешней связи ДР с волноводом. В качестве рабочего типа колебаний преимущественно используется низшая магнитная мода Н_01δ дискового ДР, собственное поле которой подобно полю магнитного диполя.

Получение “критической” связи между двумя ДР достигается при размещении их в прямоугольном (или круглом) волноводе с основной распространяющейся волной на электрическом расстоянии 3λ₀/4, где λ₀ – длина волны в волноводе на резонансной частоте ДР, если не предприняты дополнительные меры по уменьшению эффекта “пересвязи” взаимной связи ДР при их одно-четвертьволновой связи. Отмечены особенности реализации экранированных микрополосковых и коаксиальных конструкций ПЗФ на ДР.

Учет выявленных особенностей взаимной связи ДР по распространяющейся волне в линиях передачи и меры усовершенствования фильтров могут быть распространены при проектировании микроволновых режекторных фильтров других конструкций.