Сверхвысокочастотный ферритовый фильтр (варианты)

Авторы патента:

H01P1 - Волноводы; резонаторы, линии или другие устройства типа волноводов (работающие в оптическом диапазоне G02B; антенны H01Q; цепи, содержащие элементы с сосредоточенным полным сопротивлением H03H)

Сверхвысокочастотный ферритовый фильтр относится к электронной сверхвысокочастотной (СВЧ) технике. Фильтр содержит немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, один или несколько сферических монокристаллических ферритовых резонаторов, закрепленных на керамических стержнях в резонансных камерах и ортогонально охваченных короткозамкнутыми на немагнитный корпус витковыми элементами связи. (0,01-0,10) часть поверхности по меньшей мере одного сферического монокристаллического ферритового резонатора выполнена с шероховатостью 10-60 мкм. В СВЧ ферритовом фильтре устранены или ослаблены паразитные резонансы в полосе пропускания. 2 н.п., 6 з.п., 4 илл.

Полезная модель относится к электронной сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, а именно, к ферритовым однозвенным и многозвенным фильтрам, резонансная частота которых линейно перестраивается магнитным полем, например изменением тока в электромагните, намагничивающем монокристаллические ферритовые резонаторы в виде миниатюрных полированных сфер.

Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент US 6255918, МПК Н01Р 7/00; Н03В 5/18; Н03В 9/14, опубликован 03.07.2001), содержащий немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, сферический ферритовый резонатор, закрепленный на стержне в резонансной камере немагнитного корпуса, и петля связи, охватывающая сферический ферритовый резонатор.

Недостатками однозвенного фильтра являются низкая частотная избирательность (6 дБ/окт), низкое заграждение вне полосы пропускания, низкий уровень паразитных резонансов вне полосы пропускания.

Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент US 4334201, МПК Н01Р 1/218, опубликован 08.06.1982) содержащий немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, два или более сферических ферритовых резонатора, размещенные в резонансных камерах немагнитного корпуса. В резонансные камеры через каналы в немагнитным корпусе проведены входной и выходной отрезки линий передачи, центральные проводники которых нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус витковые элементы связи. Сферические монокристаллические ферритовые резонаторы электромагнитно связаны друг с другом с помощью отрезков коаксиальных линий.

В известном СВЧ ферритовом фильтре, также как и в однозвенном фильтре при его перестройке в широком диапазоне частот (октава и более) не обеспечивается подавление паразитных колебаний, возбуждаемых в отдельных участках октавного (многооктавного) диапазона перестройки непосредственно в рабочей полосе пропускания.

Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. В.В.Рогозин, В.И.Чуркин. - Ферритовые фильтры и ограничители мощности. - М., «Радио и Связь», 1985), содержащий корпус, установленный в зазоре электромагнита, входной и выходной отрезки линий передачи, центральные проводники которых нагружены на короткозамкнутые на корпус витковые элементы связи. В резонаторных камерах корпуса размещены на керамических стержнях монокристаллические ферритовые резонаторы (ФР) в виде миниатюрных полированных сфер, электромагнитно связанные друг с другом с помощью витковых элементов связи (ВЭС), охватывающих их под прямым углом в резонаторных камерах, соединенных между камерами проводником длиной L</4 ( - длина волны рабочего дециметрового, сантиметрового, миллиметрового диапазонов), замкнутых свободными концами на корпус. В зависимости от назначения фильтров и предъявленных требований количество ФР в них может изменяться от 2 до 7. При этом диапазон перестройки резонансной частоты полосы пропускания фильтров составляет, как правило, октаву (от f₁ до 2f₁), или несколько октав.

На краях широкодиапазонных фильтров наблюдаются существенные искажения формы резонансных кривых, которые тем больше, чем шире диапазон перестройки фильтра. Это вызвано тем, что частотные зависимости нагруженных добротностей крайних ФР не совпадают с аналогичными зависимостями средних ФР.

Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент US 45008558, МПК Н01Р 1/218, опубликован 19.02.1985), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. СВЧ ферритовый фильтр-прототип содержит немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, сферический монокристаллический ферритовый резонатор, закрепленный на керамическом стержне в резонансной камере немагнитного корпуса. В резонансную камеру через каналы в немагнитным корпусе проведены входной и выходной отрезки линий передачи, центральные проводники которых нагружены через трансформаторы сопротивления на короткозамкнутые на немагнитный корпус витковые элементы связи, ортогонально охватывающие сферический монокристаллический ферритовый резонатор,

Нагрузка центральных проводников входного и выходного отрезков линий передачи на короткозамкнутые на корпус ВЭС через трансформаторы сопротивления позволяет устранить искажение формы резонансных кривых на краях диапазона перестройки, а, следовательно, и расширить диапазон перестройки.

Однако в известном СВЧ ферритовом фильтре имеются интервалы частот, определяемые используемой намагниченностью ФР, в которых полоса пропускания искажается появлением одного или нескольких узких паразитных резонансов. Это явление обусловлено возбуждением в ФР высших типов колебаний намагниченности (паразитных резонансов), вырожденных (совпадающих) по частоте с однородной прецессией в этих интервалах частот. Причина возбуждения паразитных резонансов заключается как в неоднородности СВЧ поля ВЭС, близко размещенных к ФР, так и в наличии внутренних неоднородностей (дефектов) в ФР. Отмеченное явление является существенным недостатком известного СВЧ ферритового фильтра-прототипа, так как приводит к сильным искажениям амплитуды, фазы спектральных составляющих сигнала на выходе фильтра.

Задачей настоящей полезной модели являлось создание такого СВЧ ферритового фильтра, в котором бы устранялись или ослаблялись паразитные резонансы в полосе пропускания.

Поставленная задача решается группой полезных моделей, объединенных единым изобретательским замыслом.

По первому варианту поставленная задача достигается тем, что сверхвысокочастотный (СВЧ) ферритовый фильтр содержит немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, сферический монокристаллический ферритовый резонатор, закрепленный на теплопроводящем керамическом стержне в резонансной камере немагнитного корпуса. В резонансную камеру через первые каналы в немагнитным корпусе проведены входной и выходной отрезки линий передачи. Центральные проводники входного и выходного отрезков линий передачи нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные витковые элементы связи, ортогонально охватывающие сферический монокристаллический ферритовый резонатор. Новым является выполнение (0,01-0,10) части поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора с шероховатостью 10-60 мкм (средним арифметическим отклонением профиля R_a).

Плоскость контура части поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора с шероховатостью 10-60 мкм может быть расположена параллельно оси теплопроводящего керамического стрежня под углом (0-360) градусов к направлению намагничивающего поля электромагнита.

Шероховатость части поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора нанесена абразивом с размером зерна 10-60 мкм или лазером.

Если шероховатость нанесена на часть поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора, площадь которой меньше 0,01 поверхности резонатора, то она не оказывает влияние на паразитные резонансы в полосе пропускания.

Если шероховатость нанесена на часть поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора, площадь которой больше 0,10 поверхности резонатора, то она вызовет увеличение потерь фильтра, недопустимое снижение собственной добротности резонатора.

При величине шероховатости меньше 10 мкм паразитные резонансы не устраняются, а при величине шероховатости больше 60 мкм существенно падает собственная добротность ФР, что приводит к недопустимому возрастанию потерь пропускания _min.

По второму варианту поставленная задача достигается тем, что сверхвысокочастотный ферритовый фильтр содержит немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, по меньшей мере два сферических монокристаллических ферритовых резонатора, закрепленных на теплопроводящих керамических стержнях в резонансных камерах немагнитного корпуса. В две резонансные камеры через первые каналы в немагнитном корпусе проведены соответственно входной и выходной отрезки линий передачи. Центральные проводники входного и выходного отрезков линий передачи нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные витковые элементы связи. Сферические монокристаллические ферритовые резонаторы электромагнитно связаны друг с другом с помощью двойных витковых элементов связи, короткозамкнутых на немагнитный корпус на свободных концах и соединенных пропущенными через вторые каналы немагнитного корпуса проводниками длиной L</4, где - длина волны в рабочем дециметровом, сантиметровом, миллиметровом диапазонах перестройки СВЧ ферритового фильтра. Одинарные и двойные витковые элементы связи попарно ортогонально охватывают сферические монокристаллические ферритовые резонаторы. Новым является выполнение (0,01-0,10) части поверхности по меньшей мере одного сферического монокристаллического ферритового резонатора с шероховатостью 10-60 мкм.

Положительный эффект в настоящем СВЧ ферритовом фильтре обусловлен существенным ослаблением интенсивности (амплитуды) возбужденных паразитных резонансов на части поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора с шероховатостью 10-60 мкм по сравнению с незначительным ослаблением амплитуды однородной прецессии из-за ее более низкой нагруженной добротности по сравнению с нагруженной добротностью паразитных резонансов.

Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:

на фиг.1 представлена конструкция первого варианта настоящего СВЧ ферритового фильтра, показанная для большей наглядности без верхней половинки электромагнита;

на фиг.2 представлена конструкция второго варианта настоящего СВЧ ферритового фильтра, показанная для большей наглядности без верхней половинки электромагнита;

на фиг.3 представлены частотные характеристики затухания СВЧ ферритового фильтра без шероховатости на поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора при перестройке резонансной частоты в области поражение их паразитным резонансом;

на фиг.4 представлены частотные характеристики затухания настоящего СВЧ ферритового фильтра с шероховатостью на поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора при перестройке резонансной частоты в области поражение их паразитным резонансом.

Первый вариант настоящего СВЧ ферритового фильтра (см. фиг.1) содержит немагнитный корпус 1, расположенный в зазоре электромагнита 2, сферический монокристаллический ферритовый резонатор 3, выполненный в виде миниатюрной полированной сферы, закрепленный на теплопроводящем керамическом стержне 4 в резонансной камере 5 немагнитного корпуса 1. В резонансную камеру 5 через первые каналы 6, 7 в немагнитном корпусе 1 проведены соответственно входной отрезок 8 и выходной отрезок 9 линий передачи. Центральный проводник 10 входного отрезка 8 линии передачи нагружен на одинарный витковый элемент 11 связи, а центральный проводник 12 выходного отрезка 9 линии передачи - на одинарный витковый элемент 13 связи. Одинарные витковые элементы 11, 13 связи ортогонально охватывают сферический монокристаллический ферритовый резонатор 3 и короткозамкнуты на немагнитный корпус 1. На (0,01-0,10) части 14 поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора 3 нанесена шероховатость 10-60 мкм. Сферический монокристаллический ферритовый резонатор 3 намагничивается полем Н перпендикулярным плоскости фиг.1, создаваемым электромагнитом 2. Для повышения температурной стабильности параметров СВЧ ферритового фильтра теплопроводящий керамический стержень 4 пропущен через радиатор 15, на котором размещен терморезистор 16, подключаемый к источнику питания 24±3 В (на чертеже не показан). Плоскость контура части 14 поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора 3 с шероховатостью 10-60 мкм расположена параллельно оси керамического стрежня 4 под углом (0-360) градусов к направлению намагничивающего поля Н электромагнита 2.

Второй вариант настоящего СВЧ ферритового фильтра (см. фиг.2) содержит немагнитный корпус 17, расположенный в зазоре электромагнита 18, сферический монокристаллический ферритовый резонатор 3, в виде миниатюрной полированной сферы, (ответственный за появление паразитных резонансов в полосе пропускания, что было выявлено в процессе настройки фильтра), на (0,01-0,10) части 14 поверхности которого нанесена шероховатость 10-60 мкм, и два сферических монокристаллических ферритовых резонатора 19, 20 в виде миниатюрных полированных сфер, на поверхности которых отсутствует часть 14 поверхности с шероховатостью. Шероховатость на части 14 поверхности монокристаллического ферритового резонатора 3 выполняют любым способом, в том числе под микроскопом абразивом с размером зерна 10-60 мкм. Сферические монокристаллические ферритовые резонаторы 3, 19, 20 закреплены на теплопроводящих керамических стержнях 4 соответственно в резонансных камерах 21, 22, 23 немагнитного корпуса 17. В резонансную камеру 22 через первый канал 24 в немагнитном корпусе 17 проведен входной отрезок 8 линии передачи. В резонансную камеру 23 через первый канал 25 в немагнитном корпусе 17 проведен выходной отрезок 9 линии передачи. Центральный проводник 10 входного отрезка 8 линии передачи нагружен на короткозамкнутый на немагнитный корпус 17 одинарный витковый элемент 11 связи, а центральный проводник 12 выходного отрезка 9 линии передачи нагружен на короткозамкнутый на немагнитный корпус 1 одинарный витковый элемент 13 связи. Сферические монокристаллические ферритовые резонаторы 3, 19, 20 электромагнитно связаны последовательно друг с другом с помощью короткозамкнутых на свободных концах на немагнитный корпус 17 двойных витковых элементов связи 26, 27, 28, 29, соединенных проводниками 30, 31 малой длины L (L</4, - длина волны в рабочем дециметром, сантиметровом, миллиметровом диапазонах перестройки фильтра), проходящих через вторые каналы 32, 33 соответственно между камерами 21, 22 и между камерами 21, 23. При этом двойные витковые элементы связи 26, 27, 28, 29 вместе с одинарными витковыми элементами связи 11, 13 охватывают ФР под углом 90°, что обеспечивает минимальное прохождение сигнала вне полосы пропускания. Сферические монокристаллические ферритовые резонаторы 3, 19, 20 с помощью вращения теплопроводящих керамических стержней 4 ориентированы в процессе настройки СВЧ ферритового фильтра в изотропных направлениях (по так называемой «тепловой оси»), при этом выбирают такие направления из четырех возможных, в которых уровень паразитных резонансов в полосе пропускания на частотах их появления был минимальным. Сферические монокристаллические ферритовые резонаторы 3, 19, 20 намагничиваются полем Н перпендикулярным плоскости фиг.2, создаваемым электромагнитом 18. Для повышения температурной стабильности параметров СВЧ ферритового фильтра теплопроводящие керамические стержни 4 пропущены через радиаторы 15, на которых размещены терморезисторы 16, подключенные к источнику питания 24±3 В (на чертеже не показан). Плоскость контура части 14 поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора 3 с шероховатостью 10-60 мкм расположена параллельно оси керамического стрежня 4 под углом (0-360) градусов к направлению намагничивающего поля Н электромагнита 18.

Первый вариант настоящего СВЧ ферритового фильтра работает следующим образом. СВЧ сигнал, поступает на вход СВЧ ферритового фильтра, проходит по входному отрезку 8 лини передачи к короткозамкнутому на немагнитный корпус 1 одинарному витковому элементу 11 связи и переизлучается сферическим монокристаллическим ферритовым резонатором 3 в ортогональный одинарный витковый элемент 13 связи, если частота сигнала попадает в полосу пропускания этого резонатора 3. Из одинарного виткового элемента 13 связи сигнал поступает в отрезок 9 выходной линии, и далее на выход СВЧ ферритового фильтра. Сигнал СВЧ, частота которого не совпадает с полосой пропускания сферического монокристаллического ферритового резонатора 3, отражается от короткозамкнутого одинарного виткового элемента 11 связи обратно на вход СВЧ ферритового фильтра. Незначительная часть этого сигнала, просачивающаяся на выход СВЧ ферритового фильтра, не взаимодействуя со сферическим монокристаллическим ферритовым резонатором 3, определяет заграждение фильтра вне полосы пропускания. Чем сильнее связь сферического монокристаллического ферритового резонатора с ортогональными витковыми элементами связи, тем ниже нагруженная добротность сферического монокристаллического ферритового резонатора и шире полоса пропускания фильтра.

Второй вариант настоящего СВЧ ферритового фильтра работает следующим образом. СВЧ сигнал, поступая на вход СВЧ ферритового фильтра, проходит по входному отрезку 8 лини передачи к короткозамкнутому на немагнитный корпус 17 одинарному витковому элементу 11 связи и переизлучается сферическим монокристаллическим ферритовым резонатором 19 в ортогональный двойной витковый элемент 26 связи, если частота сигнала попадает в полосу пропускания этого резонатора 19. Далее сигнал по проводнику 30 попадает на двойной витковый элемент 27 связи, окружающий сферический монокристаллический ферритовый резонатором 3 приводит к передаче сигнала в двойной витковый элемент связи 28, перпендикулярно ориентированному ко второму витковому элементу 27 связи. Далее сигнал по проводнику 31 из камеры 21 поступает в двойной витковый элемент 29 связи, находящийся в камере 23. Здесь сигнал взаимодействует со сферическим монокристаллическим ферритовым резонатором 20, который переизлучает его в одинарный витковый элемент 13 связи, ориентированный перпендикулярно второму витковому элементу 29 связи. Из одинарного виткового элемента 13 связи сигнал поступает в отрезок 9 выходной линии, и далее на выход СВЧ ферритового фильтра. Сигнал СВЧ, частота которого не совпадает с полосой пропускания сферического монокристаллического ферритового резонатора 19, отражается от короткозамкнутого одинарного виткового элемента 11 связи обратно на вход СВЧ ферритового фильтра. Незначительная часть этого сигнала, просачивающаяся на выход СВЧ ферритового фильтра, не взаимодействуя со сферическими монокристаллическими ферритовыми резонаторами 3, 19, 20, определяет заграждение фильтра вне полосы пропускания. Чем сильнее связь сферического монокристаллического ферритового резонатора с ортогональными витковыми элементами связи, тем ниже нагруженная добротность сферического монокристаллического ферритового резонатора и шире полоса пропускания фильтра.

Частотные характеристики затухания фильтра при перестройке резонансной частоты в области поражение их паразитным резонансом, без шероховатости на поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора (см. фиг.3) и с шероховатостью на поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора (см. фиг.4). Сравнение представленных характеристик показывает достижение положительного эффекта. Амплитуда паразитного резонанса _п2 в полосе пропускания фильтра на фиг.4 значительно меньше амплитуды паразитного резонанса _п1 фильтра на фиг.3, т.е. имеет место неравенство _п2<<_п1. При этом минимальные (резонансные потери) предложенного фильтра _min2 увеличиваются незначительно относительно резонансных потерь _min1 известного фильтра.

_min2=_min1+ (=0,3÷1,0 дБ).

В широкодиапазонном фильтре областей поражения может быть несколько (3÷5).

В заключение следует отметить, что использование настоящей полезной модели позволяет увеличить процент выхода годных СВЧ ферритовых резонаторов за счет уменьшения паразитных резонансов, что улучшает параметр неравномерности амплитудно-частотной характеристики фильтров. В известных СВЧ ферритовых фильтрах для уменьшения паразитных резонансов значительная часть сферических монокристаллических ферритовых резонаторов отбраковывалась, что удорожало стоимость фильтров.

1. Сверхвысокочастотный ферритовый фильтр, содержащий немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, сферический монокристаллический ферритовый резонатор, закрепленный на теплопроводящем керамическом стержне в резонансной камере немагнитного корпуса, в которую через первые каналы в немагнитным корпусе проведены входной и выходной отрезки линий передачи, центральные проводники которых нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные витковые элементы связи, ортогонально охватывающие сферический монокристаллический ферритовый резонатор, при этом (0,01-0,10) часть поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора выполнена с шероховатостью 10-60 мкм.

2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что плоскость контура части поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора с шероховатостью 10-60 мкм расположена параллельно оси теплопроводящего керамического стрежня под углом 0-360º к направлению намагничивающего поля электромагнита.

3. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что шероховатость части поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора нанесена абразивом с размером зерна 10-60 мкм.

4. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что шероховатость части поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора нанесена лазером.

5. Сверхвысокочастотный ферритовый фильтр, содержащий немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, по меньшей мере, два сферических монокристаллических ферритовых резонатора, закрепленных на теплопроводящих керамических стержнях в резонансных камерах немагнитного корпуса, в две из которых через первые каналы в немагнитным корпусе проведены соответственно входной и выходной отрезки линий передачи, центральные проводники которых нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные витковые элементы связи, сферические монокристаллические ферритовые резонаторы электромагнитно связаны друг с другом с помощью двойных витковых элементов связи, короткозамкнутых на немагнитный корпус на свободных концах и соединенных пропущенными через вторые каналы немагнитного корпуса проводниками длиной L</4, где - длина волны в рабочем диапазоне перестройки фильтра, см, одинарные и двойные витковые элементы связи попарно ортогонально охватывают сферические монокристаллические ферритовые резонаторы, при этом 0,01-0,10 часть поверхности по меньшей мере одного сферического монокристаллического ферритового резонатора выполнена с шероховатостью 10-60 мкм.

6. Фильтр по п.5, отличающийся тем, что плоскость контура части поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора с шероховатостью 10-60 мкм расположена параллельно оси теплопроводящего керамического стрежня.

7. Фильтр по п.5, отличающийся тем, что шероховатость части поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора нанесена абразивом с размером зерна 10-60 мкм.

8. Фильтр по п.5, отличающийся тем, что шероховатость части поверхности сферического монокристаллического ферритового резонатора нанесена лазером.