Волноводный фильтр — это электронный фильтр, созданный с использованием волноводной технологии. Волноводы — это полые металлические каналы, внутри которых может передаваться электромагнитная волна . Фильтры — это устройства, которые позволяют сигналам на некоторых частотах проходить (полоса пропускания ), в то время как другие частоты задерживаются (полоса задерживания ). Фильтры являются основным компонентом электронных инженерных конструкций и имеют многочисленные применения. К ним относятся отбор сигналов и ограничение шума . Волноводные фильтры наиболее полезны в микроволновом диапазоне частот, где они имеют удобный размер и низкие потери . Примеры использования микроволновых фильтров можно найти в спутниковой связи , телефонных сетях и телевизионном вещании .
Фильтры волноводов были разработаны во время Второй мировой войны для удовлетворения потребностей радаров и средств электронного противодействия , но вскоре нашли гражданское применение, например, в микроволновых линиях связи . Большая часть послевоенных разработок была связана с уменьшением объема и веса этих фильтров, сначала путем использования новых методов анализа, которые привели к устранению ненужных компонентов, затем с помощью инноваций, таких как двухмодовые резонаторы и новые материалы, такие как керамические резонаторы .
Особая особенность конструкции волноводного фильтра касается режима передачи. Системы, основанные на парах проводящих проводов и подобных технологиях, имеют только один режим передачи. В волноводных системах возможно любое количество режимов. Это может быть как недостатком, так как паразитные режимы часто вызывают проблемы, так и преимуществом, так как двухрежимная конструкция может быть намного меньше эквивалентной волноводной одномодовой конструкции. Главными преимуществами волноводных фильтров по сравнению с другими технологиями являются их способность обрабатывать большую мощность и их низкие потери. Главными недостатками являются их громоздкость и стоимость по сравнению с такими технологиями, как микрополосковые фильтры.
Существует широкий спектр различных типов волноводных фильтров. Многие из них состоят из цепочки связанных резонаторов определенного вида, которые можно смоделировать как лестничную сеть LC -цепей . Один из наиболее распространенных типов состоит из ряда связанных резонансных полостей . Даже внутри этого типа существует множество подтипов, в основном различающихся по способу связи . Эти типы связи включают апертуры, [w] диафрагмы, [x] и столбики. Другие типы волноводных фильтров включают диэлектрические резонаторные фильтры, вставные фильтры, фильтры с плавниковыми линиями, фильтры с гофрированным волноводом и фильтры-заглушки. К конструкции ряда волноводных компонентов применена теория фильтров , но их цель — нечто иное, чем фильтрация сигналов. К таким устройствам относятся компоненты согласования импеданса , направленные ответвители и диплексеры . Эти устройства часто принимают форму фильтра, по крайней мере частично.
Обычное значение волновода , когда термин используется без уточнения, — это полый металлический вид (или иногда заполненный диэлектриком ), но возможны и другие технологии волноводов. [1] Область действия этой статьи ограничена типом металлического канала. Структура волновода с застенками является своего рода вариантом, но достаточно связана, чтобы включить ее в эту статью — волна в основном окружена проводящим материалом. Можно построить волноводы из диэлектрических стержней , [2] наиболее известным примером являются оптические волокна . Эта тема выходит за рамки статьи, за исключением того, что диэлектрические стержневые резонаторы иногда используются внутри полых металлических волноводов. Технологии линий передачи [o], такие как проводящие провода и микрополосковые, можно рассматривать как волноводы, [3] но обычно их так не называют и они также выходят за рамки этой статьи.
В электронике фильтры используются для пропускания сигналов определенной полосы частот и блокировки других. Они являются базовым строительным блоком электронных систем и имеют множество применений. Среди применений волноводных фильтров — построение дуплексеров , диплексеров [d] и мультиплексоров ; селективность и ограничение шума в приемниках ; и подавление гармонических искажений в передатчиках . [ 4 ]
Волноводы — это металлические каналы, используемые для ограничения и направления радиосигналов. Обычно они изготавливаются из латуни, но также используются алюминий и медь. [5] Чаще всего они имеют прямоугольное сечение, но возможны и другие сечения, такие как круглое или эллиптическое. Волноводный фильтр — это фильтр, состоящий из волноводных компонентов. Он имеет почти такой же спектр применения, как и другие технологии фильтров в электронике и радиотехнике, но сильно отличается механически и по принципу работы. [6]
Технология, используемая для создания фильтров, в значительной степени выбирается по ожидаемой частоте работы, хотя существует большое количество совпадений. Низкочастотные приложения, такие как аудиоэлектроника, используют фильтры, состоящие из дискретных конденсаторов и индукторов . Где-то в очень высокой полосе частот проектировщики переходят на использование компонентов, изготовленных из частей линии передачи. [p] Такие типы конструкций называются фильтрами с распределенными элементами . Фильтры, изготовленные из дискретных компонентов, иногда называют фильтрами с сосредоточенными элементами , чтобы различать их. На еще более высоких частотах, в микроволновых диапазонах, конструкция переключается на волноводные фильтры или иногда на комбинацию волноводов и линий передачи. [7]
Фильтры волноводов имеют гораздо больше общего с фильтрами линий передачи, чем фильтры с сосредоточенными элементами; они не содержат никаких дискретных конденсаторов или индукторов. Однако конструкция волновода часто может быть эквивалентна (или приблизительно эквивалентна) конструкции с сосредоточенными элементами. Действительно, конструкция фильтров волноводов часто начинается с конструкции с сосредоточенными элементами, а затем преобразует элементы этой конструкции в компоненты волновода. [8]
Одно из самых важных отличий в работе волноводных фильтров по сравнению с конструкциями линий передачи касается режима передачи электромагнитной волны , переносящей сигнал. В линии передачи волна связана с электрическими токами в паре проводников. Проводники заставляют токи быть параллельными линии, и, следовательно, как магнитные, так и электрические компоненты электромагнитного поля перпендикулярны направлению распространения волны. Этот поперечный режим обозначается как TEM [l] (поперечный электромагнитный). С другой стороны, существует бесконечно много режимов, которые может поддерживать любой полностью полый волновод, но режим TEM не является одним из них. Режимы волновода обозначаются как TE [m] (поперечный электрический) или TM [n] (поперечный магнитный), за которыми следует пара суффиксов, идентифицирующих точный режим. [9]
Эта множественность мод может вызывать проблемы в волноводных фильтрах, когда генерируются ложные моды. Конструкции обычно основаны на одной моде и часто включают функции для подавления нежелательных мод. С другой стороны, преимущество может быть получено от выбора правильной моды для приложения, и даже иногда использования более чем одной моды одновременно. Там, где используется только одна мода, волновод можно смоделировать как проводящую линию передачи, и можно применить результаты теории линии передачи. [10]
Еще одной особенностью, свойственной волноводным фильтрам, является то, что существует определенная частота, частота среза , ниже которой передача невозможна. Это означает, что теоретически фильтры нижних частот не могут быть сделаны в волноводах. Однако проектировщики часто берут конструкцию фильтра нижних частот с сосредоточенными элементами и преобразуют ее в реализацию волновода. Фильтр, следовательно, является фильтром нижних частот по конструкции и может считаться фильтром нижних частот для всех практических целей, если частота среза ниже любой частоты, представляющей интерес для приложения. Частота среза волновода является функцией режима передачи, поэтому на заданной частоте волновод может быть пригоден для использования в некоторых режимах, но не в других. Аналогично, длина волны волновода [h] (λ g ) и характеристическое сопротивление [b] ( Z 0 ) волновода на заданной частоте также зависят от режима. [11]
Мода с самой низкой частотой среза из всех мод называется доминирующей модой. Между частотой среза и следующей наивысшей модой это единственная мода, которую можно передавать, поэтому она описывается как доминирующая. Любые генерируемые побочные моды быстро ослабляются по длине направляющей и вскоре исчезают. Практические конструкции фильтров часто изготавливаются для работы в доминирующей моде. [12]
В прямоугольном волноводе мода TE 10 [q] (показана на рисунке 2) является доминирующей модой. Существует полоса частот между доминирующей модой отсечки и следующей самой высокой модой отсечки, в которой волновод может работать без какой-либо возможности генерации паразитных мод. Следующими по величине отсечка модами являются TE 20 , [r] в точности в два раза больше моды TE 10 , и TE 01 [s], которая также в два раза больше TE 10 , если используемый волновод имеет обычно используемое соотношение сторон 2:1. Самая низкая отсечка TM-моды - это TM 11 [t] (показана на рисунке 2), которая в два раза больше доминирующей моды в волноводе 2:1. Таким образом, существует октава , в которой доминирующая мода свободна от паразитных мод, хотя работа слишком близко к отсечке обычно избегается из-за фазовых искажений. [13]
В круглом волноводе доминирующей модой является TE 11 [u] , она показана на рисунке 2. Следующей наивысшей модой является TM 01 . [v] Диапазон, в котором доминирующая мода гарантированно свободна от паразитных мод, меньше, чем в прямоугольном волноводе; отношение наивысшей частоты к наименьшей составляет приблизительно 1,3 в круглом волноводе по сравнению с 2,0 в прямоугольном волноводе. [14]
Затухающие моды — это моды ниже частоты среза. Они не могут распространяться по волноводу на любое расстояние, затухая экспоненциально. Однако они важны для функционирования некоторых компонентов фильтра, таких как диафрагмы и столбики, описанные ниже, поскольку энергия хранится в полях затухающих волн. [15]
Как и фильтры линий передачи, волноводные фильтры всегда имеют несколько полос пропускания , копий прототипа сосредоточенного элемента . В большинстве конструкций полезна только самая низкая полоса пропускания (или две самые низкие в случае полосовых режекторных фильтров ), а остальные считаются нежелательными паразитными артефактами. Это внутреннее свойство технологии и не может быть спроектировано, хотя конструкция может иметь некоторый контроль над положением частоты паразитных полос. Следовательно, в любой данной конструкции фильтра существует верхняя частота, за пределами которой фильтр не сможет выполнять свою функцию. По этой причине настоящие фильтры нижних и верхних частот не могут существовать в волноводе. На некоторой высокой частоте будет паразитная полоса пропускания или полоса задерживания, прерывающая предполагаемую функцию фильтра. Но, подобно ситуации с частотой среза волновода, фильтр может быть спроектирован так, чтобы край первой паразитной полосы был значительно выше любой интересующей частоты. [16]
Диапазон частот, в котором полезны волноводные фильтры, в значительной степени определяется необходимым размером волновода. На более низких частотах волновод должен быть непрактично большим, чтобы поддерживать частоту среза ниже рабочей частоты. С другой стороны, фильтры, рабочие частоты которых настолько высоки, что длины волн составляют менее миллиметра, не могут быть изготовлены с помощью обычных процессов машинного цеха . На таких высоких частотах оптоволоконная технология начинает становиться опцией. [17]
Волноводы являются средой с низкими потерями. Потери в волноводах в основном происходят из-за омического рассеивания, вызванного токами, индуцированными в стенках волновода. Прямоугольный волновод имеет меньшие потери, чем круглый волновод, и обычно является предпочтительным форматом, но круговая мода TE 01 имеет очень низкие потери и применяется в дальней связи. Потери можно уменьшить путем полировки внутренних поверхностей стенок волновода. В некоторых приложениях, требующих строгой фильтрации, стенки покрываются тонким слоем золота или серебра для улучшения поверхностной проводимости . Примером таких требований являются спутниковые приложения, которые требуют низких потерь, высокой селективности и линейной групповой задержки от своих фильтров. [18]
Одним из главных преимуществ волноводных фильтров по сравнению с технологиями TEM-режима является качество их резонаторов . Качество резонатора характеризуется параметром, называемым добротностью , или просто Q. Добротность волноводных резонаторов составляет тысячи, на порядки больше, чем у резонаторов TEM-режима. [19] Сопротивление проводников , особенно в намотанной катушке индуктивности, ограничивает добротность TEM-резонаторов. Это улучшенное добротность приводит к более эффективным фильтрам в волноводах с большей режекцией полосы заграждения. Ограничение добротности в волноводах в основном обусловлено омическими потерями в стенках, описанными ранее, но серебряное покрытие внутренних стенок может более чем удвоить добротность . [20]
Волноводы имеют хорошую способность пропускать мощность, что приводит к применению фильтров в радарах . [21] Несмотря на эксплуатационные преимущества волноводных фильтров, микрополосковая технология часто является предпочтительной из-за ее низкой стоимости. Это особенно актуально для потребительских товаров и низких микроволновых частот. Микрополосковые схемы могут быть изготовлены с помощью дешевой печатной технологии, и при интеграции на той же печатной плате, что и другие блоки схемы, они влекут за собой небольшие дополнительные затраты. [22]
Идея волновода для электромагнитных волн была впервые предложена лордом Рэлеем в 1897 году. Рэлей предположил, что коаксиальная линия передачи может иметь удаленный центральный проводник, и волны будут по-прежнему распространяться по внутренней части оставшегося цилиндрического проводника, несмотря на то, что больше нет полной электрической цепи проводников. Он описал это в терминах волны, многократно отражающейся от внутренней стенки внешнего проводника зигзагообразным образом по мере продвижения по волноводу. Рэлей также был первым, кто понял, что существует критическая длина волны, граничная длина волны, пропорциональная диаметру цилиндра, выше которой распространение волны невозможно. Однако интерес к волноводам угас, поскольку более низкие частоты были более подходящими для дальней радиосвязи. Результаты Рэлея были на время забыты и должны были быть заново открыты другими в 1930-х годах, когда возродился интерес к микроволнам. Волноводы круглой формы были впервые разработаны Джорджем Кларком Саутвортом и Дж. Ф. Харгривзом в 1932 году. [23]
Первая аналоговая конструкция фильтра , которая вышла за рамки простого одиночного резонатора, была создана Джорджем Эшли Кэмпбеллом в 1910 году и ознаменовала начало теории фильтров. Фильтр Кэмпбелла представлял собой конструкцию с сосредоточенными элементами конденсаторов и катушек индуктивности, предложенную его работой с нагрузочными катушками . Отто Цобель и другие быстро развили ее дальше. [24] Разработка фильтров с распределенными элементами началась в годы перед Второй мировой войной. Основная статья по этой теме была опубликована Мейсоном и Сайксом в 1937 году; [25] патент [26], поданный Мейсоном в 1927 году, может содержать первую опубликованную конструкцию фильтра с использованием распределенных элементов. [27]
Работа Мейсона и Сайкса была сосредоточена на форматах коаксиального кабеля и сбалансированных пар проводов, но другие исследователи позже применили эти принципы и к волноводам. Большая часть разработок волноводных фильтров была выполнена во время Второй мировой войны, что было обусловлено потребностями фильтрации радаров и электронных средств противодействия . Значительная часть этого была в Радиационной лаборатории Массачусетского технологического института (Rad Lab), но другие лаборатории в США и Великобритании также были вовлечены, например, Исследовательский центр телекоммуникаций в Великобритании. Среди известных ученых и инженеров в Rad Lab были Джулиан Швингер , Натан Маркувиц , Эдвард Миллс Перселл и Ганс Бете . Бете проработал в Rad Lab недолгое время, но создал там свою теорию апертуры. Теория апертуры важна для фильтров с волноводными резонаторами, которые впервые были разработаны в Rad Lab. Их работа была опубликована после войны в 1948 году и включает раннее описание двухмодовых резонаторов Фано и Лоусона. [28]
Теоретическая работа после войны включала теорию соизмеримых линий Пола Ричардса . Соизмеримые линии — это сети, в которых все элементы имеют одинаковую длину (или в некоторых случаях кратны единичной длине), хотя они могут отличаться в других измерениях, давая разные характеристические импедансы. [a] Преобразование Ричардса позволяет брать любую сосредоточенную конструкцию элемента «как есть» и преобразовывать ее непосредственно в распределенную конструкцию элемента с помощью очень простого уравнения преобразования. В 1955 году К. Курода опубликовал преобразования, известные как тождества Куроды . Они сделали работу Ричарда более пригодной для использования в несбалансированных и волноводных форматах, устранив проблемные последовательно соединенные элементы, но прошло некоторое время, прежде чем японская работа Куроды стала широко известна в англоязычном мире. [29] Другим теоретическим достижением был подход фильтра сетевого синтеза Вильгельма Кауэра , в котором он использовал приближение Чебышева для определения значений элементов. Работа Кауэра была в значительной степени разработана во время Второй мировой войны (Кауэр был убит к ее концу), но не могла быть широко опубликована до окончания военных действий. Хотя работа Кауэра касается сосредоточенных элементов, она имеет некоторое значение для волноводных фильтров; фильтр Чебышева , частный случай синтеза Кауэра, широко используется в качестве прототипа фильтра для волноводных конструкций. [30]
Проекты 1950-х годов начинались с прототипа сосредоточенного элемента (техника, которая используется и по сей день), который после различных преобразований приводил к желаемому фильтру в форме волновода. В то время этот подход давал дробные полосы пропускания не более 1/5 . В 1957 году Лео Янг из Стэнфордского исследовательского института опубликовал метод проектирования фильтров, который начинался с прототипа распределенного элемента, прототипа ступенчатого импеданса. Этот фильтр был основан на четвертьволновых трансформаторах импеданса различной ширины и мог производить конструкции с полосой пропускания до октавы (дробная полоса пропускания 2/3 ). Статья Янга посвящена непосредственно связанным объемным резонаторам, но эта процедура может быть в равной степени применена к другим типам напрямую связанных резонаторов. [31]
Первый опубликованный отчет о перекрестно-связанном фильтре принадлежит Джону Р. Пирсу из Bell Labs в патенте 1948 года. [32] Перекрестно-связанный фильтр — это фильтр, в котором резонаторы, которые не являются непосредственно соседними, связаны. Дополнительные степени свободы, предоставляемые таким образом, позволяют разработчику создавать фильтры с улучшенными характеристиками или, в качестве альтернативы, с меньшим количеством резонаторов. Одна из версий фильтра Пирса, показанная на рисунке 3, использует резонаторы с круглыми волноводными полостями для связи между резонаторами с прямоугольными направляющими полостями. Этот принцип сначала не очень использовался разработчиками волноводных фильтров, но он широко использовался разработчиками механических фильтров в 1960-х годах, в частности RA Johnson из Collins Radio Company . [33]
Первоначальное невоенное применение волноводных фильтров было в микроволновых линиях связи , используемых телекоммуникационными компаниями для обеспечения опоры их сетей. Эти линии связи также использовались другими отраслями с большими фиксированными сетями, в частности, телевизионными вещателями. Такие приложения были частью крупных программ капиталовложений. Теперь они также используются в системах спутниковой связи . [34]
Необходимость в частотно-независимой задержке в спутниковых приложениях привела к большему количеству исследований в области волноводного воплощения перекрестно-связанных фильтров. Ранее в системах спутниковой связи использовался отдельный компонент для выравнивания задержки . Дополнительные степени свободы, полученные от перекрестно-связанных фильтров, давали возможность проектирования плоской задержки в фильтре без ущерба для других параметров производительности. Компонент, который одновременно функционировал как фильтр и эквалайзер, сэкономил бы ценный вес и пространство. Потребности спутниковой связи также привели к исследованиям более экзотических режимов резонатора в 1970-х годах. Особое значение в этом отношении имеет работа EL Griffin и FA Young, которые исследовали лучшие режимы для диапазона 12-14 ГГц , когда он начал использоваться для спутников в середине 1970-х годов. [35]
Другим нововведением, экономящим пространство, стал диэлектрический резонатор , который можно использовать в других форматах фильтров, а также в волноводе. Впервые их применил в фильтре С. Б. Кон в 1965 году, используя диоксид титана в качестве диэлектрического материала. Однако диэлектрические резонаторы, использовавшиеся в 1960-х годах, имели очень плохие температурные коэффициенты, как правило, в 500 раз хуже, чем механический резонатор из инвара , что приводило к нестабильности параметров фильтра. Диэлектрические материалы того времени с лучшими температурными коэффициентами имели слишком низкую диэлектрическую постоянную , чтобы быть полезными для экономии пространства. Это изменилось с появлением керамических резонаторов с очень низкими температурными коэффициентами в 1970-х годах. Первый из них был от Массе и Пьюселя с использованием тетратитаната бария [примечание 1] в Raytheon в 1972 году. Дальнейшие улучшения были сообщены в 1979 году Bell Labs и Murata Manufacturing . Резонатор Bell Labs из нонатитаната бария [примечание 2] имел диэлектрическую проницаемость 40 и добротность 5000–10 000 на частотах 2–7 ГГц . Современные термостойкие материалы имеют диэлектрическую проницаемость около 90 на микроволновых частотах, но исследования продолжают находить материалы как с низкими потерями, так и с высокой диэлектрической проницаемостью; материалы с более низкой диэлектрической проницаемостью, такие как титанат станната циркония [примечание 3] (ZST) с диэлектрической проницаемостью 38, иногда все еще используются из-за их свойства низких потерь. [36]
Альтернативный подход к проектированию меньших волноводных фильтров был предоставлен с использованием нераспространяющихся затухающих мод. Джейнс и Эдсон предложили волноводные фильтры затухающих мод в конце 1950-х годов. Методы проектирования этих фильтров были созданы Крейвеном и Янгом в 1966 году. С тех пор волноводные фильтры затухающих мод успешно использовались там, где размер или вес волновода являются важными факторами. [37]
Относительно недавняя технология, используемая внутри фильтров с полыми металлическими волноводами, — это finline, разновидность планарного диэлектрического волновода. Finline был впервые описан Полом Мейером в 1972 году. [38]
Мультиплексоры были впервые описаны Фано и Лоусоном в 1948 году. Пирс был первым, кто описал мультиплексоры с непрерывными полосами пропускания. Мультиплексирование с использованием направленных фильтров было изобретено Сеймуром Коном и Фрэнком Коулом в 1950-х годах. Мультиплексоры с компенсирующими резонаторами иммитанса на каждом стыке в значительной степени являются работой Э. Г. Кристала и Г. Л. Маттеи в 1960-х годах. Эта техника все еще иногда используется, но современная доступность вычислительной мощности привела к более распространенному использованию методов синтеза, которые могут напрямую производить согласующие фильтры без необходимости в этих дополнительных резонаторах. В 1965 году Р. Дж. Венцель обнаружил, что фильтры, которые были однополярными, [k], а не обычными двухполярными, были комплементарными — именно то, что было необходимо для диплексера. [c] Венцель был вдохновлен лекциями теоретика цепей Эрнста Гийемена . [39]
Многоканальные, многооктавные мультиплексоры были исследованы Гарольдом Шумахером в Microphase Corporation, и его результаты были опубликованы в 1976 году. Принцип, согласно которому фильтры мультиплексора могут быть согласованы при соединении вместе путем изменения первых нескольких элементов, таким образом, избавляясь от компенсирующих резонаторов, был случайно обнаружен Э. Дж. Керли около 1968 года, когда он неправильно настроил диплексер. Формальная теория для этого была предоставлена Дж. Д. Родсом в 1976 году и обобщена для мультиплексоров Родсом и Ральфом Леви в 1979 году. [40]
С 1980-х годов планарные технологии, особенно микрополосковые, имели тенденцию заменять другие технологии, используемые для создания фильтров и мультиплексоров, особенно в продуктах, нацеленных на потребительский рынок. Недавнее нововведение пост-стенного волновода позволяет реализовывать конструкции волноводов на плоской подложке с использованием недорогих производственных технологий, аналогичных тем, которые используются для микрополосковых. [41]
Конструкции волноводных фильтров часто состоят из двух различных компонентов, повторяющихся несколько раз. Обычно один компонент представляет собой резонатор или разрыв с сосредоточенной схемой, эквивалентной индуктору, конденсатору или резонансному контуру LC. Часто тип фильтра берет свое название от стиля этого компонента. Эти компоненты разнесены вторым компонентом, длиной направляющей, которая действует как трансформатор импеданса. Трансформаторы импеданса имеют эффект создания альтернативных экземпляров первого компонента, которые кажутся другим импедансом. Конечный результат представляет собой эквивалентную схему сосредоточенных элементов лестничной сети. Фильтры сосредоточенных элементов обычно имеют топологию лестничного типа , и такая схема является типичной отправной точкой для конструкций волноводных фильтров. На рисунке 4 показана такая лестница. Обычно волноводные компоненты являются резонаторами, и эквивалентная схема будет LC-резонаторами вместо показанных конденсаторов и индукторов, но схемы, подобные рисунку 4, по-прежнему используются в качестве прототипных фильтров с использованием полосового или полосно-заграждающего преобразования. [42]
Параметры производительности фильтра, такие как подавление полосы пропускания и скорость перехода между полосой пропускания и полосой задерживания, улучшаются путем добавления большего количества компонентов и, таким образом, увеличения длины фильтра. Если компоненты повторяются идентично, фильтр представляет собой конструкцию фильтра параметров изображения , а производительность улучшается просто путем добавления большего количества идентичных элементов. Этот подход обычно используется в конструкциях фильтров, которые используют большое количество близко расположенных элементов, таких как фильтр-вафельница . Для конструкций, где элементы расположены более широко, лучшие результаты могут быть получены с использованием конструкции фильтра сетевого синтеза, такой как общий фильтр Чебышева и фильтры Баттерворта . При таком подходе элементы схемы не все имеют одинаковое значение, и, следовательно, не все компоненты имеют одинаковые размеры. Кроме того, если конструкция улучшается путем добавления большего количества компонентов, то все значения элементов должны быть рассчитаны заново с нуля. В общем случае, не будет общих значений между двумя примерами конструкции. Фильтры волновода Чебышева используются там, где требования к фильтрации строгие, например, в спутниковых приложениях. [43] [44]
Трансформатор импеданса — это устройство, которое заставляет импеданс на своем выходном порту выглядеть как другой импеданс на своем входном порту. В волноводе это устройство представляет собой просто короткий отрезок волновода. Особенно полезен четвертьволновой трансформатор импеданса , длина которого составляет λ g /4. Это устройство может превращать емкости в индуктивности и наоборот. [45] Он также обладает полезным свойством превращать шунтирующие элементы в последовательно соединенные элементы и наоборот. Последовательно соединенные элементы в противном случае трудно реализовать в волноводе. [46]
Многие компоненты волноводного фильтра работают, внося внезапное изменение, разрыв, в свойства передачи волновода. Такие разрывы эквивалентны сосредоточенным элементам импеданса, размещенным в этой точке. Это возникает следующим образом: разрыв вызывает частичное отражение переданной волны обратно вниз по проводнику в противоположном направлении, причем отношение этих двух величин известно как коэффициент отражения . Это полностью аналогично отражению на линии передачи , где существует установленная связь между коэффициентом отражения и импедансом, вызвавшим отражение. Этот импеданс должен быть реактивным , то есть он должен быть емкостью или индуктивностью. Он не может быть сопротивлением, поскольку никакая энергия не была поглощена — она вся либо передается вперед, либо отражается. Примерами компонентов с этой функцией являются диафрагмы, заглушки и столбики, все они описаны далее в этой статье в типах фильтров, в которых они встречаются. [47]
Шаг импеданса — пример устройства, вносящего разрыв. Он достигается путем ступенчатого изменения физических размеров волновода. Это приводит к ступенчатому изменению характеристического импеданса волновода. Шаг может быть либо в E-плоскости [f] (изменение высоты [j] ), либо в H-плоскости [g] (изменение ширины [i] ) волновода. [48]
Базовым компонентом волноводных фильтров является резонатор полости . Он состоит из короткого отрезка волновода, заблокированного с обоих концов. Волны, захваченные внутри резонатора, отражаются вперед и назад между двумя концами. Заданная геометрия полости будет резонировать на характерной частоте. Эффект резонанса может быть использован для выборочного пропускания определенных частот. Их использование в структуре фильтра требует, чтобы часть волны могла проходить из одной полости в другую через соединительную структуру. Однако, если отверстие в резонаторе остается небольшим, то допустимым подходом к проектированию является проектирование полости так, как если бы она была полностью закрыта, и ошибки будут минимальными. В различных классах фильтров используется ряд различных механизмов связи. [49]
Номенклатура мод в полости вводит третий индекс, например TE 011. Первые два индекса описывают волну, распространяющуюся вверх и вниз по длине полости, то есть они являются поперечными номерами мод, как для мод в волноводе. Третий индекс описывает продольную моду, вызванную интерференционной картиной распространяющихся вперед и отраженных волн. Третий индекс равен числу половин длин волн по длине волновода. Наиболее часто используемые моды — это доминирующие моды: TE 101 в прямоугольном волноводе и TE 111 в круглом волноводе. Круговая мода TE 011 используется там, где требуются очень низкие потери (следовательно, высокая добротность ), но не может использоваться в двухмодовом фильтре, поскольку она имеет круговую симметрию. Лучшими модами для прямоугольного волновода в двухмодовых фильтрах являются TE 103 и TE 105 . Однако еще лучше круговой волноводный режим TE 113 , который может достигать добротности 16 000 на частоте 12 ГГц . [50]
Настроечные винты — это винты, вставленные в резонансные полости, которые можно регулировать снаружи волновода. Они обеспечивают точную настройку резонансной частоты путем вставки большего или меньшего количества резьбы в волновод. Примеры можно увидеть в постфильтре на рисунке 1: каждая полость имеет настроечный винт, закрепленный контргайками и резьбовым фиксатором . Для винтов, вставленных только на небольшое расстояние, эквивалентная схема представляет собой шунтирующий конденсатор, увеличивающийся в значении по мере вставки винта. Однако, когда винт вставлен на расстояние λ/4, он резонирует, эквивалентно последовательной LC-цепи. Вставка его дальше приводит к изменению импеданса с емкостного на индуктивный, то есть арифметический знак меняется. [51]
Ирисовая диафрагма представляет собой тонкую металлическую пластину поперек волновода с одним или несколькими отверстиями в ней. Она используется для соединения двух длин волновода и является средством введения разрыва. Некоторые из возможных геометрий ирисовых диафрагм показаны на рисунке 5. Ирисовая диафрагма, которая уменьшает ширину прямоугольного волновода, имеет эквивалентную схему шунтирующей индуктивности, тогда как та, которая ограничивает высоту, эквивалентна шунтирующей емкости. Ирисовая диафрагма, которая ограничивает оба направления, эквивалентна параллельному LC-резонансному контуру . Последовательный LC-контур может быть сформирован путем размещения проводящей части ирисовой диафрагмы вдали от стенок волновода. Узкополосные фильтры часто используют ирисовые диафрагмы с небольшими отверстиями. Они всегда индуктивны независимо от формы отверстия или его положения на ирисовой диафрагме. Круглые отверстия просты в обработке, но удлиненные отверстия или отверстия в форме креста имеют преимущества, позволяя выбирать определенный режим связи. [52]
Ирисы являются формой разрыва и работают, возбуждая затухающие высшие моды. Вертикальные края параллельны электрическому полю (полю E) и возбуждают моды TE. Сохраненная энергия в модах TE находится преимущественно в магнитном поле (поле H), и, следовательно, сосредоточенный эквивалент этой структуры является индуктором. Горизонтальные края параллельны полю H и возбуждают моды TM. В этом случае сохраненная энергия находится преимущественно в поле E, а сосредоточенный эквивалент является конденсатором. [53]
Довольно просто сделать диафрагмы, которые можно механически регулировать. Тонкую пластину металла можно вставлять и вынимать из узкой щели в боковой части волновода. Конструкция диафрагмы иногда выбирается из-за этой возможности создания переменного компонента. [54]
Фильтр с диафрагмой состоит из каскада трансформаторов импеданса в форме волноводных резонансных полостей, соединенных вместе диафрагмами. [43] В приложениях с высокой мощностью избегают емкостных диафрагм. Уменьшение высоты волновода (направления поля E) приводит к увеличению напряженности электрического поля в зазоре, и дугообразование (или пробой диэлектрика, если волновод заполнен изолятором) будет происходить при более низкой мощности, чем в противном случае. [55]
Столбы — это проводящие стержни, обычно круглые, закрепленные внутри по высоте волновода и являющиеся еще одним средством введения разрыва. Тонкий столб имеет эквивалентную схему шунтирующего индуктора. Ряд столбов можно рассматривать как форму индуктивной диафрагмы. [56]
Постфильтр состоит из нескольких рядов столбиков по ширине волновода, которые разделяют волновод на резонансные полости, как показано на рисунке 7. Различное количество столбиков может использоваться в каждом ряду для достижения различных значений индуктивности. Пример можно увидеть на рисунке 1. Фильтр работает так же, как и фильтр с ирисовой связью, но отличается методом построения. [57]
Волновод с пост-стенкой или интегрированный в подложку волновод — это более современный формат, который стремится объединить преимущества низких потерь излучения, высокой добротности и высокой мощности традиционного полого металлического трубчатого волновода с малым размером и простотой изготовления планарных технологий (таких как широко используемый формат микрополосковой технологии). Он состоит из изолированной подложки, пронизанной двумя рядами проводящих столбиков, которые заменяют боковые стенки волновода. Верхняя и нижняя части подложки покрыты проводящими листами, что делает эту конструкцию похожей на формат тройной пластины . Существующие технологии производства печатных плат или низкотемпературной совместно обожженной керамики могут использоваться для изготовления схем волновода с пост-стенкой. Этот формат естественным образом подходит для конструкций волноводных постфильтров. [58]
Двухрежимный фильтр является разновидностью резонансного фильтра, но в этом случае каждая полость используется для обеспечения двух резонаторов, используя две моды (две поляризации), таким образом, уменьшая вдвое объем фильтра для данного порядка. Это улучшение размера фильтра является основным преимуществом в авиационной авионике и космических приложениях. Высококачественные фильтры в этих приложениях могут потребовать много полостей, которые занимают значительное пространство. [59]
Диэлектрические резонаторы представляют собой куски диэлектрического материала, вставленные в волновод. Они обычно цилиндрические, поскольку их можно изготовить без обработки, но использовались и другие формы. Они могут быть изготовлены с отверстием в центре, которое используется для их крепления к волноводу. При использовании круговой моды TE 011 в центре нет поля , поэтому отверстие не оказывает неблагоприятного воздействия. Резонаторы могут быть установлены коаксиально волноводу, но обычно они устанавливаются поперечно по ширине, как показано на рисунке 8. Последнее расположение позволяет настраивать резонаторы, вставляя винт через стенку волновода в центральное отверстие резонатора. [60]
Когда диэлектрические резонаторы сделаны из материала с высокой диэлектрической проницаемостью , такого как один из титанатов бария , они имеют важное преимущество экономии пространства по сравнению с объемными резонаторами. Однако они гораздо более склонны к паразитным модам. В мощных приложениях в резонаторы могут быть встроены металлические слои для отвода тепла, поскольку диэлектрические материалы, как правило, имеют низкую теплопроводность . [61]
Резонаторы могут быть соединены вместе с диафрагмами или трансформаторами импеданса. В качестве альтернативы они могут быть помещены в боковой корпус в виде заглушки и соединены через небольшое отверстие. [62]
В фильтрах-вставках один или несколько металлических листов размещаются продольно по длине волновода, как показано на рисунке 9. В этих листах пробиты отверстия для формирования резонаторов. Воздушный диэлектрик придает этим резонаторам высокую добротность . Несколько параллельных вставок могут использоваться в той же длине волновода. Более компактные резонаторы могут быть получены с помощью тонкого листа диэлектрического материала и печатной металлизации вместо отверстий в металлических листах за счет более низкой добротности резонатора . [ 63]
Finline — это другой вид волноводной технологии, в которой волны в тонкой полоске диэлектрика ограничиваются двумя полосками металлизации. Существует ряд возможных топологических расположений диэлектрических и металлических полосок. Finline — это разновидность щелевого волновода, но в случае finline вся структура заключена в металлический экран. Это имеет то преимущество, что, как и в полом металлическом волноводе, мощность не теряется из-за излучения. Фильтры Finline можно изготовить, напечатав рисунок металлизации на листе диэлектрического материала, а затем вставив лист в E-плоскость полого металлического волновода, как это делается со вставными фильтрами. Металлический волновод образует экран для волновода finline. Резонаторы формируются путем металлизации рисунка на листе диэлектрика. Более сложные рисунки, чем простой вставной фильтр на рисунке 9, легко достигаются, поскольку проектировщику не нужно учитывать влияние удаления металла на механическую поддержку. Эта сложность не увеличивает производственные затраты, поскольку количество необходимых процессов не меняется при добавлении большего количества элементов в конструкцию. Конструкции Finline менее чувствительны к производственным допускам, чем вставные фильтры, и имеют более широкую полосу пропускания. [64]
Можно спроектировать фильтры, которые работают внутри полностью в затухающих модах. Это имеет преимущества экономии пространства, поскольку волновод фильтра, который часто образует корпус фильтра, не должен быть достаточно большим, чтобы поддерживать распространение доминирующей моды. Обычно фильтр затухающих мод состоит из длины волновода, меньшей, чем волновод, питающий входные и выходные порты. В некоторых конструкциях его можно сложить, чтобы получить более компактный фильтр. Настроечные винты вставляются с определенными интервалами вдоль волновода, создавая эквивалентные сосредоточенные емкости в этих точках. В более поздних конструкциях винты заменяются диэлектрическими вставками. Эти конденсаторы резонируют с предыдущей длиной волновода затухающих мод, который имеет эквивалентную схему индуктора, таким образом производя фильтрующее действие. Энергия от многих различных затухающих мод сохраняется в поле вокруг каждого из этих емкостных разрывов. Однако конструкция такова, что только доминирующая мода достигает выходного порта; другие моды затухают гораздо быстрее между конденсаторами. [65]
Фильтры с гофрированным волноводом , также называемые фильтрами с гребневым волноводом , состоят из ряда гребней или зубцов, которые периодически уменьшают внутреннюю высоту волновода, как показано на рисунках 10 и 11. Они используются в приложениях, где одновременно требуется широкая полоса пропускания, хорошее согласование полосы пропускания и широкая полоса задерживания. По сути, они являются конструкциями с низкими частотами (выше обычного ограничения частоты среза), в отличие от большинства других форм, которые обычно являются полосовыми. Расстояние между зубцами намного меньше типичного расстояния λ/4 между элементами других конструкций фильтров. Обычно они проектируются методом параметров изображения со всеми идентичными гребнями, но другие классы фильтров, такие как Чебышев, могут быть достигнуты в обмен на сложность изготовления. В методе проектирования изображения эквивалентная схема гребней моделируется как каскад полусекций LC . Фильтр работает в доминирующей моде TE 10 , но паразитные моды могут быть проблемой, когда они присутствуют. В частности, наблюдается небольшое затухание в полосе задерживания мод TE 20 и TE 30. [66]
Фильтр с вафельным железом является вариантом фильтра с гофрированным волноводом. Он имеет схожие свойства с этим фильтром с дополнительным преимуществом, заключающимся в том, что подавляются паразитные моды TE 20 и TE 30. В фильтре с вафельным железом каналы прорезаны через гребни продольно вниз фильтра. Это оставляет матрицу зубцов, выступающих изнутри из верхней и нижней поверхностей волновода. Этот рисунок зубцов напоминает вафельницу , отсюда и название фильтра. [67]
Шлейф — это короткая часть волновода, подключенная к некоторой точке фильтра на одном конце и закороченная на другом конце. Теоретически возможны также разомкнутые шлейфы, но их реализация в волноводе непрактична, поскольку электромагнитная энергия будет излучаться из открытого конца шлейфа, что приведет к высоким потерям. Шлейфы — это своего рода резонатор, а эквивалент сосредоточенного элемента — резонансный контур LC. Однако в узкой полосе шлейфы можно рассматривать как трансформатор импеданса. Короткое замыкание преобразуется либо в индуктивность, либо в емкость в зависимости от длины шлейфа. [68]
Фильтр волноводного шлейфа изготавливается путем размещения одного или нескольких шлейфов вдоль длины волновода, обычно на расстоянии λ g /4 друг от друга, как показано на рисунке 12. Концы шлейфов заглушены для их короткого замыкания. [69] Когда короткозамкнутые шлейфы имеют длину λ g /4, фильтр будет полосовым режекторным фильтром , а шлейфы будут иметь приближенную эквивалентную схему с сосредоточенными элементами из параллельных резонансных контуров, соединенных последовательно с линией. Когда шлейфы имеют длину λ g /2, фильтр будет полосовым фильтром . В этом случае эквивалент с сосредоточенными элементами представляет собой последовательные резонансные контуры LC, соединенные последовательно с линией. [70]
Фильтры поглощения рассеивают энергию нежелательных частот внутри в виде тепла. Это отличается от обычной конструкции фильтра, где нежелательные частоты отражаются обратно от входного порта фильтра. Такие фильтры используются там, где нежелательно, чтобы мощность была отправлена обратно к источнику. Это касается передатчиков высокой мощности, где возвращаемая мощность может быть достаточно высокой, чтобы повредить передатчик. Фильтр поглощения может использоваться для удаления побочных излучений передатчика, таких как гармоники или побочные боковые полосы . Конструкция, которая использовалась в течение некоторого времени, имеет щели, прорезанные в стенках волновода подачи через регулярные интервалы. Такая конструкция известна как фильтр утечки волн . Каждая щель соединена с волноводом меньшего калибра, который слишком мал, чтобы поддерживать распространение частот в желаемом диапазоне. Таким образом, эти частоты не затрагиваются фильтром. Однако более высокие частоты в нежелательном диапазоне легко распространяются вдоль боковых направляющих, которые заканчиваются согласованной нагрузкой, где поглощается мощность. Эти нагрузки обычно представляют собой клиновидный кусок материала, поглощающего микроволны. [71] Другая, более компактная конструкция абсорбционного фильтра использует резонаторы с диэлектриком с потерями. [72]
Существует множество применений фильтров, чьи цели проектирования не ограничиваются подавлением или пропусканием определенных частот. Часто простое устройство, предназначенное для работы только в узкой полосе или только в одной частоте, не будет выглядеть как конструкция фильтра. Однако широкополосная конструкция для того же элемента требует гораздо больше элементов, и конструкция приобретает характер фильтра. Среди наиболее распространенных применений такого рода в волноводах — сети согласования импеданса , направленные ответвители, делители мощности, сумматоры мощности и диплексеры . Другие возможные применения включают мультиплексоры , демультиплексоры, усилители отрицательного сопротивления и сети с задержкой по времени . [73]
Простым методом согласования импеданса является согласование шлейфа с одним шлейфом. Однако один шлейф даст идеальное согласование только на одной конкретной частоте. Поэтому этот метод подходит только для узкополосных приложений. Чтобы расширить полосу пропускания, можно использовать несколько шлейфов, и тогда структура принимает форму фильтра шлейфа. Проектирование продолжается так, как если бы это был фильтр, за исключением того, что оптимизируется другой параметр. В частотном фильтре обычно оптимизируется параметр подавления полосы пропускания, затухание полосы пропускания, крутизна перехода или некоторый компромисс между ними. В согласующей схеме оптимизируется параметр согласования импеданса. Функция устройства не требует ограничения полосы пропускания, но разработчик тем не менее вынужден выбирать полосу пропускания из-за структуры устройства . [74]
Штекеры — не единственный формат фильтра, который можно использовать. В принципе, любая структура фильтра может быть применена для согласования импеданса, но некоторые из них приведут к более практичным конструкциям, чем другие. Часто используемый формат для согласования импеданса в волноводе — это фильтр ступенчатого импеданса. Пример можно увидеть в дуплексере [e], изображенном на рисунке 13. [75]
Направленные ответвители, делители мощности и сумматоры мощности по сути являются одним и тем же типом устройств, по крайней мере, при реализации с пассивными компонентами. Направленный ответвитель разделяет небольшое количество мощности из основной линии на третий порт. Более сильно связанное, но в остальном идентичное устройство можно назвать делителем мощности. Тот, который соединяет ровно половину мощности с третьим портом ( 3 дБ ответвитель), является максимально достижимым соединением без изменения функций портов. Многие конструкции делителей мощности могут использоваться в обратном порядке, после чего они становятся объединителями мощности. [76]
Простая форма направленного ответвителя представляет собой две параллельные линии передачи, соединенные вместе на длине λ/4. Эта конструкция ограничена, поскольку электрическая длина ответвителя будет равна λ/4 только на одной определенной частоте. Связь будет максимальной на этой частоте и ослабеет с обеих сторон. Подобно случаю согласования импеданса, это можно улучшить, используя несколько элементов, что приведет к фильтроподобной структуре. [77] Аналогом волновода этого подхода связанных линий является направленный ответвитель Бете-отверстия , в котором два параллельных волновода уложены друг на друга, а для связи предусмотрено отверстие. Для создания широкополосной конструкции вдоль направляющих используются несколько отверстий, как показано на рисунке 14, и применяется конструкция фильтра. [78] Не только конструкция связанных линий страдает от узкой полосы пропускания, все простые конструкции волноводных ответвителей в некотором роде зависят от частоты. Например, соединитель типа «крысиная гонка» (который может быть реализован непосредственно в волноводе) работает по совершенно другому принципу, но по-прежнему полагается на определенные длины, которые являются точными с точки зрения λ. [79]
Диплексер — это устройство, используемое для объединения двух сигналов, занимающих разные частотные диапазоны, в один сигнал. Обычно это делается для того, чтобы два сигнала могли передаваться одновременно по одному и тому же каналу связи или чтобы передавать на одной частоте, одновременно принимая на другой. (Это специфическое использование диплексера называется дуплексером.) Это же устройство может использоваться для повторного разделения сигналов на дальнем конце канала. Необходимость фильтрации для разделения сигналов при приеме довольно очевидна, но она также требуется даже при объединении двух переданных сигналов. Без фильтрации часть мощности от источника A будет отправлена к источнику B вместо объединенного выхода. Это будет иметь пагубные последствия потери части входной мощности и загрузки источника A с выходным сопротивлением источника B, что приведет к несоответствию. Эти проблемы можно преодолеть с помощью направленного ответвителя на 3 дБ , но, как объяснялось в предыдущем разделе, широкополосная конструкция требует конструкции фильтра также для направленных ответвителей. [80]
Два широко разнесенных узкополосных сигнала можно диплексировать, объединив выходы двух соответствующих полосовых фильтров. Необходимо предпринять шаги для предотвращения связи фильтров друг с другом, когда они находятся в резонансе, что может привести к ухудшению их производительности. Этого можно добиться путем соответствующего разнесения. Например, если фильтры имеют тип с диафрагмой, то диафрагма, ближайшая к стыку фильтра A, размещается на расстоянии λ gb /4 от стыка, где λ gb — направляющая длина волны в полосе пропускания фильтра B. Аналогично, ближайшая диафрагма фильтра B размещается на расстоянии λ ga /4 от стыка. Это работает, потому что, когда фильтр A находится в резонансе, фильтр B находится в своей полосе задерживания и связан только слабо, и наоборот. Альтернативное решение заключается в том, чтобы каждый фильтр был присоединен к основному волноводу в отдельных стыках. Развязывающий резонатор размещается на расстоянии λ g /4 от стыка каждого фильтра. Это может быть в форме короткозамкнутого шлейфа, настроенного на резонансную частоту этого фильтра. Это расположение может быть распространено на мультиплексоры с любым количеством полос. [81]
Для диплексеров, работающих с непрерывными полосами пропускания, при проектировании необходимо учитывать надлежащий учет характеристик кроссовера фильтров. Особенно распространенным случаем этого является случай, когда диплексер используется для разделения всего спектра на низкие и высокие полосы. Здесь вместо полосовых фильтров используются фильтры нижних и верхних частот. Методы синтеза, используемые здесь, могут быть в равной степени применены к узкополосным мультиплексорам и в значительной степени устраняют необходимость в развязывающих резонаторах. [82]
Направленный фильтр — это устройство, которое объединяет функции направленного ответвителя и диплексера. Поскольку он основан на направленном ответвителе, он по сути является четырехпортовым устройством, но, как и направленные ответвители, порт 4 обычно постоянно терминируется внутри. Мощность, входящая в порт 1, выходит из порта 3 после прохождения некоторой функции фильтрации (обычно полосовой). Оставшаяся мощность выходит из порта 2, и поскольку мощность не поглощается и не отражается, это будет точным дополнением функции фильтрации в порту 2, в данном случае полосовой заграждающей. В обратном направлении мощность, входящая в порты 2 и 3, объединяется в порту 1, но теперь мощность от сигналов, отклоненных фильтром, поглощается в нагрузке в порту 4. На рисунке 15 показана одна из возможных реализаций направленного фильтра в виде волновода. Два прямоугольных волновода, работающих в доминирующей моде TE 10, обеспечивают четыре порта. Они соединены вместе круглым волноводом, работающим в круглой моде TE 11 . Круглый волновод содержит фильтр с ирисовой диафрагмой, имеющий столько диафрагм, сколько необходимо для получения требуемого отклика фильтра. [83]
