ДОСЛІДЖЕННЯ ХВИЛЕВОДНИХ СМУГОВИХ ФІЛЬТРІВ

 

Мета роботи – вивчення властивостей, конструкцій і xapaктеристик смугових фільтрів у сантиметровому діапазоні хвиль.

 

7.1. Загальні відомості

 

Фільтром називають пристрій, призначений для передачі потужності в

деякій смузі частот, яку називають смугою пропускання, в узгоджене навантаження.

За розміщенням смуг пропускання і загородження фільтри поділяються на такі: фільтри нижніх частот (ФНЧ), що пропускають сигнали нижче заданої частоти та придушують сигнали на інших частотах; фільтри верхніх частот (ФВЧ), які пропускають сигнали на частотах вище заданої і придушують сигнали нижче цієї частоти; смугові фільтри (СФ), що пропускають сигнали в межах між двома заданими частотами; режекторні фільтри (РФ), які придушують сигнали на частотах у межах заданої смуги (рис. 7.1).

Основні параметри фільтрів: смуга пропускання, смуга загородження, середня частота, коефіцієнт загасання в смузі пропускання, коефіцієнт загасання в смузі загородження, крутість частотної характеристики на схилах смуги, коефіцієнти відбиття від входу і виходу.

У хвилеводному тракті застосовуються ФВЧ, СФ і РФ. Фільтри нижніх частот на хвилеводах можна створити лише на основі вафельних і рифлених відрізків.

 

 

Рис. 7.1. Частотні характеристики фільтрів

 

Найпоширенішими частотними характеристиками загасання фільтрів є чебишевська і максимально плоска.

Для чебишевської характеристики функція загасання (в децибелах) описується виразом:

 

, (7.1)

де Т_п (ω′) – поліном Чебишева першого роду n-го порядку;

h – амплітудний множник;

ω′ – частотна змінна.

 

Функція загасання максимально плоскої характеристики описуеться співвідношенням:

 

, (7.2)

 

де n – кількість ланок фільтра.

 

При однаковій кількості ланок і однаковій смузі частот крутість спаду частотної характеристики для чебишевського фільтра більша, ніж для максимально плоского. Однак чебишевський фільтр має суттєву нерівномірність частотної характеристики смузі пропускання.

Більшість типів смугових фільтрів, виконаних на хвилеводах, являють собою відрізки хвилеводів з реактивними неоднорідностями у вигляді діафрагм. Розміщення неоднорідностей та їх провідності вибирають такимчином, щоб на резонансній частоті f_p фільтра хвилі, відбиті від неоднорідностей, компенсували одна одну. Iншими словами, при f = f_p вхідна провідність повинна дорівнювати хвильовій провідності хвилеводу:

 

. (7.3)

 

У цьому випадку коефіцієнт відбиття фільтра дорівнює нулю, тому вся потужність проходитиме через фільтр до навантаження.

На інших частотах рівність (7.3) не виконуватиметься, а тому з'явиться відбита хвиля і через фільтр проходитиме менша потужність.

 

7.2 Принцип роботи і конструкції фільтрів

 

Найпростішими смуговими частотними фільтрами, що мають практичне значення, є резонансні діафрагми в хвилеводі, зокрема діафрагми з різною формою вікон (рис. 7.2).

 

 

Рис. 7.2. Деякі види резонансних діафрагм

 

Такі діафрагми розглядаються як комбінація ємнісної та індуктивної діафрагм, тому еквівалентну схему зручно подати у вигляді паралельного контуру, ввімкненого в лінію паралельно.

При рівності ємнісної та індуктивної провідностей коливальний контур настроєно в резонанс і його опір за відсутності втрат нескінченно великий. Тому при паралельному ввімкненні він не впливає на поширення енергії в лінії передачі.

Резонансна частота такого найпростішого фільтра визначається формою та розміром вікна. У діафрагмі з прямокутним вікном резонанс настає за умови рівності хвильових опорів основного хвилеводу і звуженої ділянки, тобто

 

,

 

де а, b – розмір широкої та вузької стінок хвилеводу;

а', b' – відповідні розміри діафрагми;

λ – довжина хвилі у вільному просторі.

 

Оскільки резонансні діафрагми мають невелику добротність, вони не дозволяють одержати вузьку смугу пропускання і добру вибірність. Тому найпоширенішими є смугові фільтри, утворені декількома реактивностями, ввімкненими у хвилевід на певній відстані одна від одної. Дві сусідні реактивності утворюють хвилеводну резонансну камеру (резонатор). Залежно від кількості реактивностей розрізняють однокамерні, двокамерні і т.п. фільтри.

Як смугові хвилеводні фільтри використовуються окремі резонатори або їх каскадне з'єднання. В останньому випадку зв’язок резонаторів буде безпосереднім або здійснюватиметься через відрізки ліній передачі (рис. 7.3).

При конструюванні хвилеводних фільтрів широко використовуються трансформуючі властивості чвертьхвильових відрізків хвилеводу. В теорії фільтрів чвертьхвильовий відрізок хвилеводу називають інвертором опорів. На рис. 7.4 наведено найпоширеніші типи можливих інвертувань опорів.

У техніці НВЧ широко застосовуються хвилеводні смугові фільтри, виконані за східчастою схемою. Еквівалентна схема таких фільтрів збігається зі схемою східчастих фільтрів з реактивними елементами і зосередженими параметрами (рис. 7.5).