ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЛЬТРОВ СВЧ НА УГЛОВЫХ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫХ МЕМБРАНАХ С РАЗЛИЧНЫМИ ВЕЛИЧИНАМИ ШИРИН ЩЕЛЕЙ

INVESTIGATION OF MICROWAVE FILTERS ON ANGULAR WAVEGUIDE-SLOT MEMBRANCE WITH DIFFERENT WIDE OF THE SLOTS

Natalia Kopilova

graduate student of the Institute of Radio Engineering Engineering Physics and Radioelectronics, Siberian Federal University,

Russia, Krasnoyarsk,

Aleksei Kopilov

candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of Radio Engineering Institute of Engineering Physics and Radioelectronics, Siberian Federal University,

Russia, Krasnoyarsk,

Yuri Salomatov

candidate of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Radio Engineering Institute of Engineering Physics and Radioelectronics, Siberian Federal University,

Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

В работе представлены результаты экспериментального исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) шести СВЧ фильтров, конструкция которых представляет собой угловую щель, расположенную на краю рабочего окна волновода. Ширина щели варьируется от 1 мм до 6 мм с шагом 1 мм. Показано, что АЧХ фильтров имеет полосно-пропускающий характер, и что при увеличении ширины щели резонансная частота фильтров смещается в сторону более высоких частот.

ABSTRACT

In this paper presents the results of experimental studies of amplitude-frequency characteristics (AFC) of the six microwave filters, the design of which is angular slots located on the edge of the working window of the waveguide. The slots width ranging from 1 mm to 6 mm in 1 mm step. It is shown the frequency response of filters has a bandpass character. The resonance frequency of the filters increases to the higher frequencies with the increase of gap width of the slots.

Ключевые слова: СВЧ фильтры на волноводно-щелевых мембранах; угловая щель.

Keywords: Microwave filters on waveguide-slot membranes; angular slot.

В настоящей работе мы представляем результаты экспериментального исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) шести СВЧ фильтров, выполненных на волноводно-щелевых мембранах, топология которых представляет собой угловую щель, расположенную на краю рабочего окна волновода.

На Рисунке 1 схематически показана топология волноводно-щелевой мембраны (ВЩМ), которая было использована в исследованных фильтрах.

Рисунок 1. Топология волноводно-щелевых мембран исследованных СВЧ фильтров

Как видно из Рисунка 1 а, щель фильтра имеет Г-образную форму, смещенную к краю рабочего сечения волновода 35х15 мм. Длина щели вдоль узкой стенки волновода выбрана равной размеру этой стенки (15 мм), длина щели вдоль широкой стенки волновода выбрана также равной размеру узкой стенки волновода (15 мм). Таким образом, ВЩМ представляет собой симметричную Г-образную щель шириной “B”, расположенную в углу рабочего сечения волновода размерами 35х15 мм. Каждый из шести исследованных нами фильтров содержит одну ВЩМ со своей величиной ширины щели “B”: первый фильтр – 1 мм, второй фильтр – 2 мм, третий фильтр – 3 мм, четвертый фильтр – 4 мм¸ пятый фильтр – 5 мм, шестой фильтр – 6 мм. Для проведения измерений АЧХ ВЩМ заключена между двумя волноводно-коаксиальными переходами (ВКП), позволяющими подавать на фильтр входной СВЧ сигнал и снимать с фильтра выходной СВЧ сигнал на коаксиальные кабели стандарта “N”.

На Рисунке 2 а, б, в, г, д, е представлены результаты измерений амплитудно-частотных характеристик исследованных фильтров для первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого фильтров соответственно.

Рисунок 2. Амплитудно-частотные характеристики фильтров на угловых ВЩМ: а – при ширине щели “B”=1 мм, б – при ширине щели “B”=2 мм, в – при ширине щели “B”=3 мм, г – при ширине щели “B”=4 мм, д – при ширине щели “B”=5 мм, е – при ширине щели “B”=6 мм

На Рисунках 2 а…е по вертикальной оси отложены величины коэффициента передачи по напряжению |K_U| в дБ; по горизонтальной оси на этих рисунках отложены значения рабочих частот в пределах 4…9 ГГц. Такой диапазон частот был нами выбран из тех соображений, чтобы на АЧХ фильтров были видны амплитуды прошедших через фильтры сигналов, начиная с нижних частот отсечки волновода 35х15 мм (около 4,2…4,5 ГГц) и заканчивая верхними частотами, предельными для распространения основного типа волны в волноводе заданного сечения (около 8,5…9 ГГц).

Для удобства оценки полученных результатов на Рисунках 2 а. б, в, г, д, е над графиками приведены таблички с численными данными частот и соответствующих им затуханий (значений коэффициента передачи по напряжению |K_U|, дБ) в полосах прозрачности фильтров.

Как видно из Рисунков 2 а, б, в, г, д, е, все АЧХ фильтров на одиночной угловой щелевой мембране представляют собой явно выраженные резонансные кривые с невысокой добротностью. Наибольший интерес в полученных результатах представляет сравнение этих кривых между собой. Такое сравнение показывает, что увеличение ширины угловой щели приводит к уменьшению добротности резонансных кривых при одновременном существенном изменении резонансной частоты в сторону более высоких частот. Так, частота наименьшего затухания фильтра с шириной угловой щели “B”=1 мм (Рисунок 2 а) составляет 5,45 ГГц, частота наименьшего затухания фильтра с шириной угловой щели “B”=2 мм (Рисунок 2 б) составляет 5,94 ГГц, частота наименьшего затухания фильтра с шириной угловой щели “B”=3 мм (Рисунок 2 в) составляет 6,43 ГГц, частота наименьшего затухания фильтра с шириной угловой щели “B”=4 мм (Рисунок 2 г) составляет 6,63 ГГц, частота наименьшего затухания фильтра с шириной угловой щели “B”=5 мм (Рисунок 2 д) составляет 7,2 ГГц, а частота наименьшего затухания фильтра с шириной угловой щели “B”=6 мм (Рисунок 2 е) составляет уже 7,6 ГГц. Таким образом, при изменении ширины щели на 1 мм в наших опытах изменение частоты наименьшего затухания составляет от 200 МГц до 500 МГц.

Потери, вносимые фильтрами в полосах прозрачности, можно считать небольшими; они уменьшаются с увеличением ширины угловой щели от величины 0,8 дБ для фильтра с шириной угловой щели “B”=1 мм (Рисунок 2 а) до практически нулевой величины для фильтров с “B”=5 мм (Рисунок 2 д) и “B”=6 мм (Рисунок 2 е). Заметим, что точность измерения амплитуды составляла в нашем случае 0,1 дБ.

Затухания, вносимые фильтрами на частотах, далеких от полос прозрачности, являются весьма существенными для фильтра с шириной угловой щели “B”=1 мм – почти 60 дБ на частоте 8,3 ГГц, около 55 дБ для фильтра с шириной угловой щели “B”=2 мм на частоте 8,9 ГГц, и затем уменьшаются до величины примерно 42 дБ для фильтра с шириной угловой щели “B”=3 мм на частоте 8,9 ГГц, до величины примерно 37 дБ для фильтра с шириной угловой щели “B”=4 мм на частоте 8,9 ГГц, до величины примерно 22 дБ для фильтра с шириной угловой щели “B”=5 мм, на частоте 8,9 ГГц, до величины примерно 18 дБ для фильтра с шириной угловой щели “B”=6 мм на частоте 8,9 ГГц.

В представленной работе авторы не имели целью получить оптимальные частотные характеристики фильтров ни с точки зрения минимальных потерь в полосе пропускания фильтров, ни с точки зрения максимального затухания за полосой. Целью работы было определение тенденций изменения АЧХ фильтров при изменении ширины угловой щели при остальных фиксированных конструктивных параметрах фильтров.

Очевидно, что для улучшения избирательных свойств фильтров такого типа можно использовать каскадную структуру фильтров с несколькими угловыми ВЩМ, разделенными между собой отрезками волновода 35х15 мм, либо разделенными между собой ВЩМ-структурами с иными величинами рабочего сечения волновода или существенно различными ширинами щелей, как это сделано, например, в [1].

Список литературы:

1. Копылов, А.Ф. Экспериментальные частотные характеристики восьмизвенных СВЧ фильтров на волноводно-щелевых мембранах со щелями 1 и 22 мм / Н.А. Копылова, А.П. Басков, А.Ф. Копылов, Н.А. Алексеева / Электронный сборник материалов Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, «Проспект Свободный-2016», посвященной Году образования в Содружестве Независимых Государств. – Красноярск, Сибирский федеральный университет, 15-25 апреля 2016 г. – Секция «Радиоэлектронные системы локации, навигации и управления». – С. 21-24. – Режим доступа: http://nocmu.sfu-kras.ru/digest2016/src/title.pdf; (Дата обращения 18.10.2016).