Коаксиальный трансформатор-фильтр низких частот

Полезная модель относится к радиотехнике и технике СВЧ, и может быть использована в частотно-селективных коаксиальных СВЧ устройствах. Сущность изобретения заключается в том, что коаксиальный трансформатор-фильтр низких частот содержит коаксиальную линию, внешний проводник которой имеет постоянный диаметр, а внутренний проводник состоит из двух участков разного диаметра. между которыми расположена четвертьволновая частотно-селективная трансформирующая секция цилиндрической формы, выполненная в виде отрезка ребристого стержня с периодом равным удвоенной толщине ребра, числом ребер не менее пяти, и линейно уменьшающимся диаметром ребер, причем диаметр первого ребра стержня равен четверти замедленной длины волны, а также равен большему диаметру из участков внутреннего проводника, а глубина всех кольцевых канавок ребристого стержня равна разности диаметров участков внутреннего проводника. Предложенный коаксиальный трансформатор-фильтр низких частот отличается четкой фиксацией частоты отсечки, отсутствием высших полос пропускания и геометрическими размерами, меньшими четвертьволновой секции без ухудшения согласования в рабочей полосе частот.

Полезная модель относится к радиотехнике и технике СВЧ, и может быть использована в частотно-селективных коаксиальных СВЧ устройствах.

Известны согласующие устройства в виде фильтров низких частот (ФНЧ), выполненных на основе Г-, Т- или П-образных ячеек, содержащих катушки индуктивности, подключаемые последовательно нагрузке, и конденсаторы, подключаемые параллельно нагрузке [Изюмов Н.М., Линде Д.П. Основы радиотехники. М.: Радио и связь, 1983].

Недостатком таких фильтров с сосредоточенными постоянными являются большие потери и малая собственная добротность в СВЧ диапазоне.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является согласующий трансформатор, содержащий коаксиальную линию, внешний проводник которой имеет постоянный диаметр, а внутренний проводник состоит из двух участков разного диаметра, между которыми расположена четвертьволновая трансформирующая секция, имеющая цилиндрическую форму [Мещанов В.П., Тупикин В.Д., Чернышев С.Л. Коаксиальные пассивные устройства. Саратов, изд.-во СГУ, 1993].

Недостатком известного устройства являются большие продольные геометрические размеры.

Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание малогабаритного коаксиального трансформатора-фильтра низких частот с четкой фиксацией частоты отсечки, отсутствием высших полос пропускания и геометрическими размерами, меньшими четвертьволновой секции без ухудшения согласования в рабочей полосе частот.

Решение поставленной задачи обуславливается тем, что коаксиальный трансформатор-фильтр низких частот содержит коаксиальную линию, внешний проводник которой имеет постоянный диаметр, а внутренний проводник состоит из двух участков разного диаметра, между которыми расположена четвертьволновая частотно-селективная трансформирующая секция цилиндрической формы, выполненная в виде отрезка ребристого стержня. Период ребристого стержня равен удвоенной толщине ребра, а общее число ребер - не менее пяти. Конструкция ребристого стержня характеризуется также линейно уменьшающимся диаметром ребер, причем диаметр первого ребра стержня

равен четверти замедленной длины волны, а также равен большему диаметру из участков внутреннего проводника. Глубина всех кольцевых канавок ребристого стержня равна разности диаметров участков внутреннего проводника.

Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых показаны конструкция коаксиального трансформатора-фильтра низких частот (фиг.1) и его экспериментальная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) (фиг.2).

На фиг.1 цифрой 1 обозначен внешний проводник коаксиальной линии с диаметром D ₁, цифрами 2 и 3 - участки внутреннего проводника коаксиальной линии с диаметрами D₂ и D ₃ соответственно, между которыми расположена частотно-селективная трансформирующая секция 4, выполненная в виде отрезка ребристого стрежня с периодом Т. Диаметр первого ребра частотно-селективной трансформирующей секции равен диаметру D₂ , а глубина кольцевой канавки: (D₂-D ₃).

На фиг.2 показана амплитудно-частотная характеристика, полученная экспериментально для макета со следующими геометрическими размерами: D₁=334 мм, D ₂=250 мм, D₃=144 мм, число ребер k=5, период T=7 мм. Из анализа данной кривой следует, что крутизна АЧХ вблизи частоты отсечки максимальна - частота среза на уровне (-5) дБ составляет 380 МГц, а на частоте 420 МГц затухание уже более 25 дБ.

Работа коаксиального трансформатора-фильтра низких частот основана на использовании в его конструкции отрезка замедляющей системы, выполненного в виде ребристого стержня 4. Электрическая длина такой трансформирующей секции 4 выбирается равной /2, что означает равенство ее геометрической длины четверти замедленной длины волны. Волновые сопротивления отрезков согласуемых коаксиальных линий с внешним проводником диаметром D ₁ и внутренними проводниками с диаметрами D ₂ и D₃ находятся по известным формулам [Гольдштейн Л.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны. М., Сов. радио, 1971.]:

где _a, _a - абсолютные значения диэлектрической и магнитной проницаемостей среды.

Ввиду малого сдвига фазы на период ребристого стержня, можно воспользоваться квазистатическим приближением и записать волновое сопротивление периода

трансформирующей секции 4 в виде [Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем. М., Радио и связь, 2002]:

где n - коэффициент замедления отрезка ребристого стержня, k=2, 3... - номер ребра.

Таким образом, просуммировав нужное число периодов Т, получим с помощью (3) волновое сопротивление всей трансформирующей секции. В более грубом приближении волновое сопротивление такой секции можно считать равным среднеквадратичному значению относительно волновых сопротивлений согласуемых коаксиальных линий. В этом случае геометрическая длина такой секции оказывается в коэффициент замедления раз меньше длины четвертьволнового отрезка:

где - длина электромагнитной волны.

Из формулы (4) следует, что чем больше разница между волновыми сопротивлениями Z ₁₂ и Z₁₃, тем больше глубина кольцевой канавки в ребристом стержне и больше замедление волны. Этот факт приводит к уменьшению геометрической длины трансформирующей секции 4 по сравнению с известным устройством [Мещанов В.П., Тупикин В.Д., Чернышев С.Л. Коаксиальные пассивные устройства. Саратов, изд.-во СГУ, 1993].

Возможность построения фильтра низких частот на отрезке ребристого стержня с линейно изменяющимся диаметром ребер заключается в следующем: периодическая ребристая структура при последовательном включении в коаксиальную линию пропускает электромагнитные волны, начиная с нулевой частоты - и до частоты среза, которая определяется свойствами ребер, в режиме противофазного наложения волн, отраженного от первого - четвертьволнового ребра. Увеличение количества ребер позволяет получить более широкую полосу пропускания частот цепи. Достоинством предложенной конструкции коаксиального трансформатора-фильтра низких частот является также четкая фиксация частоты отсечки и отсутствие высших паразитных полос пропускания. Это объясняется тем, что нерегулярные согласующие ребра на входе и на выходе одновременно фильтруют все частоты цепи выше частоты отсечки.

Коаксиальный трансформатор-фильтр низких частот, содержащий коаксиальную линию, внешний проводник которой имеет постоянный диаметр, а внутренний проводник состоит из двух участков разного диаметра, между которыми расположена четвертьволновая частотно-селективная трансформирующая секция цилиндрической формы, отличающийся тем, что частотно-селективная трансформирующая секция выполнена в виде ребристого стержня с периодом равным удвоенной толщине ребра, числом ребер не менее пяти, и линейно уменьшающимся диаметром ребер, причем диаметр первого ребра стержня равен четверти замедленной длины волны, а также равен большему диаметру из участков внутреннего проводника, а глубина всех кольцевых канавок ребристого стержня равна разности диаметров участков внутреннего проводника.