фильтр на связанных неоднородных линиях

Формула изобретения

Фильтр на связанных неоднородных линиях, содержащий четвертьволновую секцию связанных неоднородных линий, на входы которых с одной стороны секции наложено условие холостого хода, а входы с другой стороны соединяются с подводящей и отводящей линиями передач, при этом волновые сопротивления секции выбраны такими, чтобы высшие нули и полюса элементов матриц сопротивлений четной и нечетной мод z⁺₁₁ и z^-₁₁ совпадали для подавления паразитных полос пропускания, а первые нули были разнесены по частотной оси так, чтобы обеспечить требуемые полосу пропускания и уровень пульсации затухания в ней, отличающийся тем, что дополнительно вводятся четвертьволновые секции на связанных неоднородных линиях, каскадно соединенные с исходной секцией и одна с другой, при этом величины связей связанных неоднородных линий на входах исходной и дополнительных секций выбираются такими, чтобы каждая секция сформировала свой полюс затухания вблизи полосы пропускания фильтра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в приемопередающей и контрольно-измерительной аппаратуре для фильтрации полезного сигнала в полосе пропускания и подавления паразитных составляющих сигнала в полосе заграждения.

Известен полосно-пропускающий фильтр (ППФ) с параллельно связанными полуволновыми резонаторами [1] Общим недостатком такой конструкции является наличие на нечетных кратных частотах паразитных полос пропускания (ППП), возникающих из-за многорезонансности секций связанных однородных линий. Это ограничивает протяженность полосы заграждения (ПЗ) фильтра. Использование в фильтрах секций связанных неоднородных линий (СНЛ) обеспечивает подавление ППП в достаточно широком диапазоне частот.

Наиболее близким к изобретению является ППФ, содержащий четвертьволновую секцию СНЛ, у которой на входе линий передач с одной стороны секции наложено условие холостого хода (ХХ), а входы с другой стороны подключаются к подводящей и отводящей линиям передач [2] Волновые сопротивления линий передач и коэффициент связи между ними выбраны таким образом, чтобы высшие нули и полюса элементов матриц сопротивлений четной и нечетной мод z⁺₁₁ и z^-₁₁ совпадали для подавления ППП, а первые нули были разнесены по частотной оси так, чтобы обеспечить требуемые полосу пропускания и уровень пульсации затухания в ней. Принцип действия таких фильтров можно объяснить, если представить их в виде системы связанных резонаторов, у которых паразитные резонансные частоты подавлены нулями коэффициентов связи. Однако фильтр, содержащий одну секцию, обладает малой избирательностью. Избирательность полосно-пропускающего фильтра оценивается коэффициентом прямоугольности характеристики затухания К_{п. А} по уровню А дБ, равным отношению ширин полос пропускания на уровнях А и L_r, где L_r уровень пульсации характеристики затухания в полосе пропускания. Для прототипа значение K_п.25 равно 8.6, которое получается по характеристике затухания (рис. 49,б) [2] с учетом того, что относительная полоса пропускания w 0,07 и L_r 0.073 дБ.

Известен способ повышения избирательности ППФ путем каскадного соединения нескольких секций. Для высокоизбирательных фильтров это приводит к недопустимому росту потерь в полосе пропускания и увеличению размеров фильтра.

Целью изобретения является увеличение избирательности ППФ с подавленными ППП.

Для достижения поставленной цели дополнительно вводятся четвертьволновые секции на связанных неоднородных линиях. Волновые сопротивления секции выбраны таким образом, чтобы высшие нули и полюса элементов матриц сопротивлений четной и нечетной мод z⁺₁₁ и z^-₁₁ совпадали в целях подавления всех ППП, а первые нули были разнесены по частотной оси так, чтобы обеспечить требуемые полосу пропускания и уровень пульсации затухания в ней. Выбором величин связей СНЛ на входах секций формируются полюса затухания вблизи полосы пропускания фильтра ( одна секция формирует один полюс).

На фиг. 1 изображен фильтр на связанных неоднородных линиях.

Фильтр содержит четвертьволновые секции 1 связанных неоднородных линий. На входы линий передач с одной стороны секций 2 наложено условие холостого хода. Секции каскадно соединяются друг с другом и с подводящей и отводящей линиями передач 3.

Новые признаки, обладающие существенными отличиями:

1. Общее количество секций СНЛ больше одной.

2. Каждая секция формирует свой полюс затухания вблизи полосы пропускания фильтра за счет выбора величины связи СНЛ на входе секции.

Оба признака обуславливают увеличение избирательности ППФ.

Работа устройства заключается в следующем.

Секция СНЛ электрически эквивалента двум последовательным резонаторам, связанным частотно-зависимым инвертором в виде Т-образной схемы. Каскадное соединение секций образует цепочку связанных резонаторов, которая реализует полосно-пропускающий фильтр. Выбором волновых сопротивлений четной и нечетной мод секций СНЛ Z⁺_o() и Z^-_o() как функций времени распространения фронта волны от входных полюсов формируется дополнительный ноль сопротивления инвертора, что и обеспечивает полюс затухания вблизи полосы пропускания, а это приводит к увеличению избирательности.

Рассмотрим четырехполюсник, образованный связанными неоднородными линиями (фиг. 2), симметричный относительно продольной оси X-X". Полюса четырехполюсника соответствуют входам 1 и 2 линий передач. На входы 3 и 4 наложено условие холостого хода. Назовем такой четырехполюсник секцией СНЛ. Используя известные соотношения [3] можно показать, что матрица сопротивлений секции СНЛ Z имеет вид



где z⁺₁₁ и z^-₁₁ элементы матриц сопротивлений четной и нечетной мод соответственно.

Электрическая схема секции СНЛ определяется на основе матрицы Z путем выделения двух одинаковых последовательных сопротивлений z₁₁, соединенных частотно-зависимым инвертором в виде Т-образной схемы, элементами которой являются сопротивления Z₁₂ (фиг. 3).

Зададим сопротивления z⁺₁₁ и z^-₁₁ в виде [4]



где j мнимая единица, R₊ и R_- коэффициенты уровня сопротивлений, _o центральная частота полосы пропускания, совпадающая с первым нулем функции ctg(t₃), ₊ и _- частоты, на которых образуются нули сопротивлений z⁺₁₁ и z^-₁₁ соответственно (вместо первого нуля на частоте _o t₃ время задержки секции СНЛ. В соответствии с формулами (1) и (2) получаются выражения для сопротивлений Z₁₁ и Z₁₂



В окрестности частоты _o из соотношений (3) для сопротивлений Z₁₁ и Z₁₂ получаем следующие приближенные выражения



из которых видно, что Z₁₁ и Z₁₂ представляет собой сопротивления последовательных контуров с резонансными частотами w_r и _p соответственно.

Синтез ППФ проводим на основе схемы полосового фильтра на сосредоточенных элементах, состоящего из N последовательных контуров, связанных параллельно подключенными последовательными контурами. На фиг. 4 показан пример схемы трехрезонаторного фильтра. Величины элементов схемы фильтра определяются численными методами по заданным входным параметрам: w относительной полосе пропускания, L_r уровню пульсации характеристики затухания в полосе пропускания, _pi полюсами затухания (i=1.N-1), R_о сопротивлению генератора и нагрузки [5] Для сопоставления фильтра на сосредоточенных элементах и фильтра на секциях СНЛ в схеме фильтра на сосредоточенных элементах выделяются симметричные секции, состоящие из двух одинаковых последовательных контуров, связанных инвертором на Т-образной схеме с элементами, имеющими как положительные, так и отрицательные величины, как показано на фиг. 5. Эти секции описываются следующими параметрами: _r и х - резонансной частотой и параметром крутизны сопротивления последовательного контура, _p резонансной частотой инвертора, на которой его сопротивление равно нулю, К значением сопротивления инвертора на частоте _o/ Через эти параметры с помощью соотношений (3) и (4) определяются величины, входящие в формулы (2)



Зависимостям сопротивлений z⁺₁₁ и z^-₁₁ от частоты (2) соответствуют следующие распределения волновых сопротивлений четной и нечетной мод секции СНЛ [4]



Величина , согласно выражениям (3) и (6), равна коэффициенту связи СНЛ на входе секции. При удалении полюса затухания (_p/_o _ ) как видно из соотношений (5), = 0, т. е. в этом случае связь СНЛ на входе секции отсутствует, что присуще секции прототипа.

Таким образом, на основе параметров фильтра на сосредоточенных элементах и выражений (5) и (6) синтезируется фильтр на секциях СНЛ, имеющий полюса затухания вблизи полосы пропускания, за счет выбора величин связей СНЛ на входах секций.

Рассмотрим примеры ППФ на двух и четырех секциях СНЛ. Входные параметры имеют следующие значения: w 0,07, L_r=0,073 дБ. Параметры фильтров на сосредоточенных элементах и фильтров на СНЛ приведены в таблице.

На фиг. 6 приведены зависимости Z⁺_o() и Z^-_o() а на фиг. 7 и 8 характеристики затухания в полосах заграждения и пропускания для двухсекционного ППФ. На фиг. 9 приведены зависимости Z⁺_o() и Z^-_o(), а на фиг. 10 и 11 характеристики затухания в полосах заграждения и пропускания для четырехсекционного ППФ. Как видно из фиг. 7 и 10, фильтры на СНЛ обеспечивают подавление всех ППП, причем уровень подавления постоянен. Для сравнения пунктирной линией на фиг. 8 и 11 показаны характеристики затухания фильтров, у которых полюса затухания расположены далеко от полосы пропускания. Фильтры с полюсами затухания, расположенными близко к полосе пропускания, будем называть фильтрами с ближними полюсами затухания, а фильтры, у которых полюса затухания удалены от полосы пропускания, будем называть фильтрами с дальними полюсами затухания.

Как отмечалось выше, для фильтра на одной секции (прототипа) К_п.25 равен 8,6. Добавление второй секции с дальними полюсами затухания приводит, как видно из фиг. 8, к уменьшению К_п.25 до 3,3 (в 2,6 раза). Использование секций с ближними полюсами затухания уменьшает К_п.25 до 2,5, т.е. еще в 1,4 раза.

Для четырехсекционного фильтра использование секций с ближними полюсами затухания вместо секций с дальними полюсами затухания приводит к незначительному уменьшению К_п.25, поэтому сравнение проведем на уровне 60 дБ (см. фиг. 11). К_п.60 равен 2,5 для фильтра с ближними полюсами затухания и 3,5 с дальними полюсами затухания, т.е. коэффициент прямоугольности уменьшился в 1,4 раза.

Таким образом, подключение к односекционному фильтру (прототипу) дополнительной секции (без ближних полюсов затухания) уменьшает К_п.25 с 8,6 до 3,3, а применение секций с ближними полюсами затухания дополнительно уменьшает К_п.25 до 2,5. Использование секций с ближними полюсами затухания в четырехсекционном фильтре приводит к уменьшению К_п.60 с 3,5 до 2,5 (в 1,4 раза).

Источники информации

1. Маттей Д. Л. Янг Л. Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и связи. М. Связь, т. 2, 1972, с. 62, рис. 10.02.1.

2. Козловский В.В. Сошников В.А. Бычковский П.М. и др. Синтез устройств СВЧ на неоднородных линиях. К. Техника, 1991, c. 92, рис. 49 (прототип).

3. Альтман Дж. Устройство СВЧ: Пер. с англ. Под ред. И.Д. Лебедева. М. 1968.

4. Литвиенко О.Н. Сошников В.И. Теория неоднородных линий и их применение. М. Сов. радио, 1964.

5. Трифонов И.И. Расчет электронных цепей с заданными частотными характеристиками. М. Радио и связь, 1988.