Сверхвысокочастотный ферритовый фильтр

Сверхвысокочастотный ферритовый фильтр относится к электронной сверхвысокочастотной (СВЧ) технике. СВЧ ферритовый фильтр содержит немагнитный корпус (1), расположенный в зазоре (2) между верхней частью (3) и нижней частью (4) электромагнита (5), по меньшей мере, два сферических монокристаллических ФР (6), закрепленных на теплопроводящих металлокерамических стержнях (7) в резонансных камерах (8), (9), (10) немагнитного корпуса (1). Металлическая прокладка (32) толщиной 10-150 мкм размещена между крайним сферическим монокристаллическим ФР (6), имеющим более высокую резонансную частоту, и соответствующим ему отрезком линий передачи. 5 з.п., 7 илл.

Изобретение относится к радиоэлектронике и сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, а именно, к многорезонаторным электрически перестраиваемых по частоте фильтрам, содержащим в качестве резонаторов намагниченные электромагнитом ферритовые миниатюрные сферические образцы, окруженные витковыми элементами связи (ВЭС).

В известных мноногозвенных полосно-пропускающих СВЧ фильтрах на ферритовых резонаторах (см. Лебедь Б.М., Лаврович В.А., Хохлышев И.О. Ферритовые фильтры и их применение в приборах с магнитной перестройкой частоты. - Обзоры по электронной технике, серия 1, Электроника СВЧ. - ЦНИИ «Электроника», вып. 10, М., 1982, 87 с.) наблюдается увеличение потерь в полосе пропускания при перестройке резонансной частоты на краях широкого рабочего диапазона, охватывающего октаву и более октавы.

Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент US 7557678, МПК H01P 1/218, опубликован 07.07.2009), включающий корпус из немагнитного материала, расположенный в зазоре электромагнита, несколько сферических ферритовых резонаторов (ФР), размещенные в резонансных камерах немагнитного корпуса. Ферритовые резонаторы электромагнитно связаны витковыми элементами связи, расположенными в немагнитном корпусе, концы которых припаяны в заглублениях немагнитного корпуса на массу немагнитного корпуса.

В известном СВЧ ферритовом фильтр обеспечивается точность изготовления витков связи и размещения их в резонансных камерах. Однако, в известном СВЧ фильтре не решена задача уменьшения потерь в широком диапазоне перестройки и работе в широком интервале температур.

Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент US 4334201, МПК H01P 1/218, опубликован 08.06.1982) содержащий немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, два или более сферических ферритовых резонатора, которые размещены 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, окружающие сферические ферритовые резонаторы. Сферические монокристаллические ферритовые резонаторы электромагнитно связаны друг с другом с помощью отрезков коаксиальных линий, также содержащих на концах короткозамкнутые ВЭС.

В известном СВЧ ферритовом фильтре возникающие неоднородности СВЧ поля на стыках между витковыми элементами связи и подводящими на входе и выходе линиями передачи компенсируют введением в фильтр дополнительных отрезков линии передачи с волновыми сопротивлениями 50 Ом. Однако этим конструктивным решением исключают не все причины роста потерь в полосе пропускания в широкодиапазонных полосно-пропускающих фильтрах.

Известен СВЧ ферритовый фильтр (см. патент US 45008558, МПК H01P 1/218, опубликован 19.02.1985), содержащий немагнитный корпус, расположенный в зазоре электромагнита, сферический монокристаллический ФР, 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 ФР. Известный СВЧ фильтр может содержать несколько сферических монокристаллических резонаторов, связанных между собой отрезками линий с короткозамкнутыми ВЭС на концах.

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, обусловленное лишь различными частотными зависимостями нагруженных добротностей крайних и средних резонаторов. 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 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, так как приводит к сильным искажениям амплитуды, фазы спектральных составляющих сигнала на выходе фильтра.

Известен сверхвысокочастотный ферритовый фильтр, совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (см. патент RU 128785, МПК H01P 1/00, опубликован 27.05.2013), который 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, охватывающие крайние ферритовые резонаторы. 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. На части поверхности одного или нескольких сферических монокристаллических ФР выполнена локальная шероховатость 10-60 мкм.

В СВЧ ферритовом фильтре-прототипе устраняются или ослабляются паразитные резонансы в полосе пропускания, приводящие к сильным искажениям амплитуды, фазы спектральных составляющих сигнала на выходе фильтра. Однако при работе фильтра-прототипа в широких диапазонах частот (превышающих октаву) и в широких интервалах температур имеет место рост потерь в полосе пропускания, обусловленный несовершенством изготовления и сборки фильтра из-за неизбежного наличия различных производственных допусков. Последние обстоятельства являются в ряде случаев основными причинами ухудшения параметров известных фильтров, выпускаемых для работы в широком диапазоне частот.

Задачей настоящей полезной модели является разработка такого сверхвысокочастотного ферритового фильтра, который обеспечивает уменьшение потерь в полосе пропускания в полосно-пропускающих фильтрах при работе в широких диапазонах частот (превышающих октаву) и в широких интервалах температур.

Поставленная задача решается тем, что сверхвысокочастотный ферритовый фильтр содержит немагнитный корпус, расположенный в зазоре между верхней и нижней частями электромагнита, по меньшей мере, два сферических монокристаллических ФР, закрепленных на теплопроводящих металлокерамических стержнях в резонансных камерах немагнитного корпуса, в две из которых 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, охватывающие крайние ФР. Сферические монокристаллические ФР 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 L</4, где - длина волны в рабочем диапазоне перестройки фильтра, см. На поверхности по меньшей мере одного сферического монокристаллического ФР выполнена локальная шероховатость. Одинарные и двойные витковые элементы связи попарно ортогонально охватывают сферические монокристаллические ФР. Новым является установка между противолежащими торцами верхней и нижней частей электромагнита металлической прокладки толщиной 10-150 мкм, размещенной между крайним сферическим монокристаллическим ФР, имеющим более высокую резонансную частоту, и соответствующим ему отрезком линий передачи.

Когда сверхвысокочастотный ферритовый фильтр содержит по меньшей мере три сферических монокристаллических ферритовых резонатора, то в этом случае между противолежащими торцами верхней и нижней частей электромагнита в направлении, перпендикулярном продольному размещению сферических монокристаллических ФР, может быть установлена дополнительная прокладка.

Электромагнит может быть выполнен из двух одинаковых верхней и нижней частей цилиндрической или прямоугольной формы, на каждом из полюсных наконечниках которых может быть размещена одна или несколько катушек управления.

Электромагнит может быть выполнен из двух неодинаковых верхней и нижней частей цилиндрической или прямоугольной формы, при этом на одном из полюсных наконечников может быть размещена катушка управления.

Полюсный наконечник верхней или нижней частей электромагнита может содержать постоянный магнит.

Полюсный наконечник верхней или нижней частей электромагнита может содержать постоянный магнит с катушкой управления.

Диапазон толщины металлической прокладки, установленной между противолежащими торцами верхней и нижней частей электромагнита, определяется следующими обстоятельствами. При толщине металлической прокладки меньше 10 мкм, ее установка не оказывает заметного влияния на уменьшение потерь в полосе пропускания в полосно-пропускающих фильтрах при работе в широких диапазонах частот (превышающих октаву) и в широких интервалах температур. Необходимости в металлической прокладки толщиной больше 150 мкм нет, так как современное оборудование и производственно-технологические допуска не дают различия резонансных частот крайних резонаторов, превышающее 80-100 МГц, тогда требуются такие толстые прокладки.

Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:

на фиг. 1 представлен настоящий СВЧ ферритовый фильтр, показанный для большей наглядности без верхней части электромагнита и без диска, экранирующего резонансные камеры;

на фиг. 2 показан вид сбоку на настоящий СВЧ ферритовый фильтр с разрезом электромагнита по продольной оси и вырезом немагнитного корпуса в области ФР;

на фиг. 3 показан случай перекоса полюсных наконечников в зазоре магнитной системы для двухзвенного (двухрезонаторного фильтра);

на фиг. 4 показан случай перекоса немагнитного корпуса в зазоре магнитной системы для двухзвенного (двухрезонаторного фильтра);

на фиг. 5 показан случай смещения резонаторов от оси симметрии при ориентации (вращении) из-за люфта в двухзвенном (двухрезонаторном фильтре);

на фиг. 6 показаны частотные зависимости минимальных потерь в полосе пропускания и амплитудно-частотные характеристики двухзвенного СВЧ ферритового фильтра - прототипа (кривая 1) и настоящего СВЧ ферритового фильтра (кривая 2) с прокладкой толщиной 50 мкм;

на фиг. 7 приведены температурные зависимости минимальных потерь в полосе пропускания двухзвенного СВЧ ферритового фильтра - прототипа (кривая 9) и настоящего СВЧ ферритового фильтра (кривая 10) с прокладкой толщиной 50 мкм (измерение выполнено на частоте f=8 ГГц при включении и выключении терморезисторов СВЧ ферритового фильтра).

Изображенный на фиг. 1, фиг. 2 настоящий СВЧ ферритовый фильтр содержит немагнитный корпус 1, расположенный в зазоре 2 высотой d между верхней частью 3 и нижней частью 4 электромагнита 5, по меньшей мере, два сферических монокристаллических ФР 6 (на рисунке показано 3 сферических монокристаллических ФР 6), закрепленных на теплопроводящих металлокерамических стержнях 7 в резонансных камерах 8, 9, 10 немагнитного корпуса 1. В две крайние резонансные камеры 8, 9 через первые каналы 11, 12 в немагнитном корпусе 1 проведены соответственно входной и выходной отрезки линии передачи, центральные проводники 13, 14 которых нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус 1 одинарные витковые элементы связи (ВЭС) 15, 16, окружающие крайние сферические монокристаллические ФР 6. Сферические монокристаллические ФР 6 связаны друг с другом с помощью двойных ВЭС 17, 18, 19, короткозамкнутых на немагнитный корпус 1 на свободных концах и соединенных пропущенными через вторые каналы 20, 21 немагнитного корпуса 1 проводниками 22, 23 длинной L</4, где - длина волны в рабочем диапазоне перестройки СВЧ ферритового фильтра. Одинарные ВЭС 15, 16 и двойные ВЭС 17, 18, 19 попарно ортогонально охватывают сферические монокристаллические ФР 6 в каждой из резонансных камер 8, 9, 10. Крайние сферические монокристаллические ФР 6 с помощью теплопроводящих металлокерамических стержней 7 ориентируют в намагничивающем поле электромагнита 5 вдоль изотропного направления (по «тепловой оси») с целью обеспечения стабильности резонансной частоты и параметров СВЧ ферритового фильтра в широком интервале частот и температур. При этом металлокерамические стержни 7 пропущены через радиаторы 24, на которых установлены терморезисторы 25, подключаемые к источнику напряжения 26±3 В. Резонансные частоты f_i крайних сферических монокристаллических ФР 6 определяют по формуле:

где: y - гиромагнитное отношение - 2,8 МГц/Э;

H_а - поле анизотропии сферического монокристаллического ФР в изотропном направлении равно нулю, (Эрстед);

f_свi - частота связи, обратно пропорциональна нагруженной добротности Q_Hi резонатора, (МГц);

H_i - магнитное поле в рабочем зазоре 2 электромагнита 5 в области размещения каждого i-го ФР 6 (i=1, 2, 3), (Эрстед).

Промежуточные сферические монокристаллические ФР 6 в многозвенном СВЧ ферритовом фильтре, размещенные на таких же металлокерамических стержнях 7, служат для согласования их резонансных частот с частотами крайних сферических монокристаллических ФР 6 для формирования качественной амплитудно-частотной характеристики СВЧ ферритового фильтра. Электромагнит 5, состоящий, как правило, из двух частей 3, 4 (см. фиг. 2), в которых на полюсных наконечниках 26 могут быть закреплены катушки 27 управления. Между полюсными наконечниками 3, 4 электромагнита 5 в зазоре 2, кроме немагнитного корпуса 1 с ФР 6, также размещены диски 28 из немагнитной фольги толщиной t=20-60 мкм для обеспечения электрогерметичности резонансных камер 8, 9, 10, что обеспечивает высокое заграждение СВЧ ферритового фильтра вне полосы пропускания. Входной и выходной отрезки линий передачи выходят из электромагнита 5 в виде, например, СВЧ коаксиальных разъемов 29, 30 (или микрополосковых разъемов). При перестройке резонансной частоты СВЧ ферритового фильтра для устранения паразитных резонансов в полосе пропускания по меньшей мере на поверхности одного из сферических монокристаллических ФР 6 выполнена локальная шероховатость 31. Намагничивающие поля H_i в области размещения крайних сферических монокристаллических ФР 6 совпадают по величине только в случае идеального изготовления и сборки СВЧ ферритового фильтра. Перекос или неравномерность поверхности полюсного наконечника в 0,76 мкм на частоте 18 ГГц вызывает смещение частоты в монокристаллических ФР 6 фильтра на 1 МГц. На практике при большом количестве выпуска СВЧ ферритовых фильтров наблюдаются случаи, когда резонансные частоты f _i крайних сферических монокристаллических ФР 6, ориентированных в изотропном направлении, имеющие одинаковые нагруженные добротности и следовательно частоты связи f_свi, не совпадают друг с другом на 10-70 МГц в сантиметровом диапазоне из-за нахождение этих сферических монокристаллических ФР 6 в разных намагничивающих полях H_i (см. формулу 1). Это происходит:

- из-за непараллельности плоскостей полюсных наконечников 26 (фиг. 3) электромагнита, при этом величина зазора d из-за наличия допусков на изготовление изменяется от d1 до d2, d1>d2, а магнитные поля H1 и H2, действующие на резонаторы 6 отличаются H1<H2;

- из-за перекоса немагнитного корпуса 1 СВЧ ферритового фильтра в зазоре d электромагнита (фиг. 4) при сборке фильтра, при этом наконечники 26 параллельны d1=d2, ФР 6 смещены в от центра зазора, расстояния d3, d4 от ФР до наконечника электромагнита отличаются d3>d4, а магнитные поля H₁ и H₂, действующие на резонаторы 6 различны H ₁H₂;

- из-за смещения резонаторов от оси симметрии при их вращении из-за люфта (фиг. 5) приводит к отличию магнитных полей H₁ и H₂ (H ₁H₂), действующих на ФР 6 аналогично случаю, рассмотренному на фиг. 4.

Несовпадение резонансных частот крайних сферических монокристаллических ФР 6, ориентированных в изотропном направлении, вызывает увеличение потерь в полосе пропускания (см. фиг. 6, кривая 1), искажение резонансной характеристики многозвенного СВЧ ферритового фильтра при его перестройке в широком диапазоне частот (см. фиг. 6, кривые 3, 4, 5), что приводит к росту потерь в полосе пропускания (см. фиг. 6, кривая 1). Аналогичные явления появляются при изменении температуры окружающей среды (см. фиг. 7, кривая 9).

С целью устранения указанного недостатка между противолежащими торцами верхней части 3 и нижней части 4 электромагнита 5 установлена металлическая прокладка 32, например, из металлической фольги, толщиной от 10 до 150 мкм, размещенная между крайним сферическим монокристаллическим ФР 6, имеющим более высокую резонансную частоту, и соответствующим ему отрезком линий передачи. Размеры прокладки 32 выбираются произвольными, например 3×3 мм², чтобы она не выходила за пределы стыковочных площадок частей 3, 4 электромагнита 5. Указанная толщина прокладки 32 согласуется с обычно принятыми размерами допусков на изготовление и сборку СВЧ ферритовых фильтров, изготавливаемых с использованием высокоточного станочного оборудования. Частотная зависимость минимальных потерь в полосе пропускания и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) двухзвенного СВЧ ферритового фильтра с прокладкой 32 приведены на фиг. 6 (кривая 2), а форма АЧХ на фиг. 6 (кривые 6, 7, 8). Температурная зависимость минимальных потерь в полосе пропускания двухзвенного СВЧ ферритового фильтра с прокладкой 32 показана на фиг. 7 (кривая 10).

Перекос (непараллельность) плоскостей полюсных наконечников электромагнита 5 в многозвенном СВЧ ферритовом фильтре (при количестве ФР 6 более 2) может быть не только в направлении от входа к выходу, то есть в продольном направлении, но и в поперечном направлении. В этом случае, являющемся малосущественным при последовательном расположении ФР 6 вдоль продольной оси фильтра, дополнительную прокладку (на чертеже не показана) помещают на левую или правую стороны стыковочных поверхностей частей 3, 4 электромагнита 5 относительно продольной оси СВЧ ферритового фильтра. Этот перекос «малоэффективен», так как удаление ФР 6 друг от друга в этом направлении значительно меньше, чем удаление крайних ФР 6 в многозвенном СВЧ ферритовом фильтре. Неравномерность намагничивающих полей в области ФР 6, разнесенных в поперечном направлении, скорее может быть вызвана люфтом при их ориентации (вращением по оси металлокерамических стержней 7).

В настоящем СВЧ ферритовом фильтре электромагнит 5 может быть выполнен в виде трех вариантов. В первом варианте электромагнит 5 выполняют симметрично из двух одинаковых частей 3, 4 цилиндрической или прямоугольной формы, на каждом из полюсных наконечников которых размещена по меньшей мере одна катушка 27 управления. Во втором варианте электромагнит 5 может быть выполнен несимметричным из двух неодинаковых стыковочных частей 3, 4, при этом катушка 27 управления может быть размещена только на одном из полюсных наконечников (например, микрополосковый фильтр с использованием плоской металлической подложки, являющейся нижней частью 4 электромагнита 5). В третьем варианте полюсный наконечник одной из стыковочных частей 3, 4 электромагнита 5 содержит постоянный магнит с катушкой 27 управления, или без катушки 27 управления.

Были изготовлены опытные образцы двухзвенного СВЧ ферритового фильтра, работающего в широком диапазоне частот 4-12 ГГц. В СВЧ ферритовых фильтры, имевшие несовпадение частот ФР при ориентировании в изотропном направлении, была установлена металлическая прокладка между противолежащими торцами верхней и нижней частей электромагнита, размещенная между крайним сферическим монокристаллическим ферритовым резонатором, имеющим более высокую резонансную частоту, и соответствующим ему отрезком линий передачи. СВЧ ферритовые фильтры обеспечивали минимальные потери в полосе пропускания не более 3 дБ, а без использования прокладки потери достигали 5 дБ на краях частотного диапазона.

Настоящая полезная модель была использована также в трех-, четырех- и шестизвенных СВЧ ферритовых фильтрах. При этом электромагнит имел перечисленные выше варианты исполнения.

1. Сверхвысокочастотный ферритовый фильтр, содержащий немагнитный корпус, расположенный в зазоре между верхней и нижней частями электромагнита, по меньшей мере два сферических монокристаллических ферритовых резонатора, закрепленных на теплопроводящих металлокерамических стержнях в резонансных камерах немагнитного корпуса, в две из которых через первые каналы в немагнитном корпусе проведены соответственно входной и выходной отрезки линий передачи, центральные проводники которых нагружены на короткозамкнутые на немагнитный корпус одинарные витковые элементы связи, охватывающие крайние ферритовые резонаторы, 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 L < /4, где - длина волны в рабочем диапазоне перестройки фильтра, на поверхности по меньшей мере одного сферического монокристаллического ферритового резонатора выполнена локальная шероховатость, одинарные и двойные витковые элементы связи попарно ортогонально охватывают сферические монокристаллические ферритовые резонаторы, при этом между противолежащими торцами верхней и нижней частей электромагнита установлена металлическая прокладка толщиной 10-150 мкм, размещенная между крайним сферическим монокристаллическим ферритовым резонатором, имеющим более высокую резонансную частоту, и соответствующим ему отрезком линий передачи.

2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере три сферических монокристаллических ферритовых резонатора, при этом между противолежащими торцами верхней и нижней частей электромагнита в направлении, перпендикулярном продольному размещению сферических монокристаллических ферритовых резонаторов, установлена дополнительная прокладка.

3. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что электромагнит выполнен из двух одинаковых верхней и нижней частей цилиндрической или прямоугольной формы, на каждом из полюсных наконечниках которых размещена по меньшей мере одна катушка управления.

4. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что электромагнит выполнен из двух неодинаковых верхней и нижней частей цилиндрической или прямоугольной формы, при этом на одном из полюсных наконечников размещена катушка управления.

5. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что полюсный наконечник верхней или нижней части электромагнита содержит постоянный магнит.

6. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что полюсный наконечник верхней или нижней части электромагнита содержит постоянный магнит с катушкой управления.