Волноводный фильтр — это электронный фильтр, созданный по волноводной технологии. Волноводы представляют собой полые металлические трубы, внутри которых может передаваться электромагнитная волна . Фильтры — это устройства, которые позволяют пропускать сигналы на одних частотах (полоса пропускания ), а другие отклонять ( полоса задерживания ). Фильтры являются основным компонентом электронных устройств и имеют множество применений. 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 телевещании .
Волноводные фильтры были разработаны во время Второй мировой войны для удовлетворения потребностей радаров и средств электронного противодействия , но впоследствии вскоре нашли гражданское применение, например, в микроволновых сетях . Большая часть послевоенных разработок была связана с уменьшением объема и веса этих фильтров, сначала за счет использования новых методов анализа, которые привели к исключению ненужных компонентов, а затем за счет таких инноваций, как двухрежимные 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 способ передачи. В волноводных системах возможно любое количество мод. Это может быть как недостатком, поскольку паразитные моды часто вызывают проблемы, так и преимуществом, поскольку двухмодовая конструкция может быть намного меньше, чем эквивалентная одномодовая конструкция волновода. Главными преимуществами волноводных фильтров перед другими технологиями являются их способность выдерживать большую мощность и низкие потери. Основными недостатками являются их объем и стоимость по сравнению с такими технологиями, как микрополосковые фильтры.
Существует широкий спектр различных типов волноводных фильтров. Многие из них состоят из какой-то цепочки связанных резонаторов, которые можно смоделировать как лестничную сеть LC -контуров . Один из наиболее распространенных типов состоит из ряда связанных резонансных резонаторов . Даже внутри этого типа существует множество подтипов, в основном различающихся по способу сцепления . К этим типам соединений относятся апертуры, [w] диафрагмы, [x] и стойки. Другие типы волноводных фильтров включают диэлектрические резонаторные фильтры, вставные фильтры, плавниковые фильтры, гофрированные волноводные фильтры и шлейфовые фильтры. В конструкции ряда волноводных компонентов применена теория фильтров , но их цель не в фильтрации сигналов. К таким устройствам относятся компоненты согласования импеданса , направленные ответвители и диплексеры . Эти устройства часто имеют форму фильтра, по крайней мере частично.
Обычное значение волновода , когда этот термин используется без уточнения, — это полый металлический тип (или иногда заполненный диэлектриком ), но возможны и другие технологии волноводов. [1] Объем данной статьи ограничен типом металлического кабелепровода. Структура волновода после стены — это своего рода вариант, но он достаточно связан, чтобы включить его в эту статью: волна в основном окружена проводящим материалом. Волноводы можно построить из диэлектрических стержней , [2] наиболее известным примером являются оптические волокна . Эта тема выходит за рамки статьи, за исключением того, что внутри полых металлических волноводов иногда используются диэлектрические стержневые резонаторы. Технологии линий передачи [o] , такие как проводящие провода и микрополосковые линии, можно рассматривать как волноводы [3] , но их обычно так не называют и они также выходят за рамки этой статьи.
В электронике фильтры используются для того , чтобы пропускать сигналы одной полосы частот и блокировать другие. Они являются основным строительным блоком электронных систем и имеют множество применений. Среди применений волноводных фильтров - создание дуплексоров , диплексеров , [d] и мультиплексоров ; избирательность и ограничение помех в приемниках ; и подавление гармонических искажений в передатчиках . [4]
Волноводы — это металлические трубопроводы, используемые для ограничения и направления радиосигналов. Обычно они изготавливаются из латуни, но также используются алюминий и медь. [5] Чаще всего они имеют прямоугольную форму, но возможны и другие поперечные сечения , например, круглые или эллиптические. Волноводный фильтр — это фильтр, состоящий из волноводных компонентов. Он имеет во многом тот же спектр применения, что и другие фильтрационные технологии в электронике и радиотехнике, но сильно отличается механически и по принципу действия. [6]
Технология, используемая для построения фильтров, во многом зависит от ожидаемой частоты работы, хотя существует большое количество совпадений. В низкочастотных приложениях, таких как аудиоэлектроника, используются фильтры, состоящие из дискретных конденсаторов и катушек индуктивности . Где-то в диапазоне очень высоких частот конструкторы переходят на использование компонентов, изготовленных из кусков линии передачи. [p] Подобные конструкции называются фильтрами с распределенными элементами . Фильтры, состоящие из дискретных компонентов, иногда называют фильтрами с сосредоточенными элементами , чтобы различать их. На еще более высоких частотах, в микроволновом диапазоне, конструкция переключается на волноводные фильтры или иногда на комбинацию волноводов и линий передачи. [7]
Волноводные фильтры имеют гораздо больше общего с фильтрами линий передачи, чем с фильтрами с сосредоточенными элементами; они не содержат дискретных конденсаторов или катушек индуктивности. Однако конструкция волновода часто может быть эквивалентна (или приблизительно) конструкции с сосредоточенными элементами. Действительно, проектирование волноводных фильтров часто начинается с конструкции сосредоточенных элементов, а затем преобразуется элементы этой конструкции в компоненты волновода. [8]
Одно из наиболее важных отличий в работе волноводных фильтров от конструкций линий передачи касается режима передачи электромагнитной волны , несущей сигнал. В линии передачи волна связана с электрическим током в паре проводников. Проводники удерживают токи параллельными линии, и, следовательно, как магнитная, так и электрическая составляющие электромагнитного поля перпендикулярны направлению движения волны. Эта поперечная мода обозначается ТЭМ [л] (поперечная электромагнитная). С другой стороны, существует бесконечно много мод, которые может поддерживать любой полностью полый волновод, но мода ТЕМ не входит в их число. Волноводные моды обозначаются либо TE [м] (поперечная электрическая), либо TM [n] (поперечная магнитная), за которыми следует пара суффиксов, идентифицирующих точную моду. [9]
Такое множество мод может вызвать проблемы в волноводных фильтрах, когда генерируются паразитные моды. Проекты обычно основаны на одном режиме и часто включают функции для подавления нежелательных режимов. С другой стороны, можно получить преимущество, выбрав правильный режим для приложения и даже иногда используя более одного режима одновременно. Если используется только одна мода, волновод можно смоделировать как проводящую линию передачи и применить результаты теории линий передачи. [10]
Другая особенность волноводных фильтров состоит в том, что существует определенная частота, частота среза , ниже которой передача невозможна. Это означает, что в волноводах теоретически невозможно реализовать фильтры нижних частот . Однако разработчики часто берут конструкцию фильтра нижних частот с сосредоточенными элементами и преобразуют ее в волноводную реализацию. Следовательно, фильтр по своей конструкции является фильтром нижних частот 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 данной частоте волновод можно использовать в некоторых режимах, но не в других. Аналогичным образом, длина волновода [h] (λ g ) и характеристический импеданс [b] ( Z 0 ) проводника на данной частоте также зависят от режима. [11]
Режим с наименьшей частотой среза из всех режимов называется доминирующим. Между отсечкой и следующим по величине режимом это единственный режим, который можно передавать, поэтому его называют доминирующим. Любые генерируемые паразитные моды быстро затухают по длине направляющей и вскоре исчезают. Практические конструкции фильтров часто создаются для работы в доминирующем режиме. [12]
В прямоугольном волноводе мода TE 10 [q] (показана на рисунке 2) является доминирующей модой. Между границей доминирующей моды и границей следующей по величине моды существует полоса частот, в которой волновод может работать без какой-либо возможности генерации побочных мод. Следующими по величине режимами отсечки являются TE 20 , [r] ровно в два раза больше моды TE 10 , и TE 01 [s] , что также вдвое больше TE 10 , если используемый волновод имеет обычно используемое соотношение сторон 2:1. Режим TM с наименьшей границей отсечки — это TM 11 [t] (показан на рисунке 2), что в несколько раз превышает доминирующую моду в волноводе 2:1. Таким образом, существует октава , в которой доминирующая мода свободна от побочных мод, хотя работы слишком близко к границе обычно избегают из-за фазовых искажений. [13]
В круглом волноводе доминирующей модой является TE 11 [u] , она показана на рисунке 2. Следующая по величине мода — TM 01 . [v] Диапазон, в котором доминирующая мода гарантированно свободна от побочных мод, меньше, чем в прямоугольном волноводе; отношение самой высокой частоты к самой низкой составляет примерно 1,3 в круглом волноводе по сравнению с 2,0 в прямоугольном волноводе. [14]
Затухающие режимы — это режимы ниже частоты среза. Они не могут распространяться по волноводу ни на какое расстояние, затухая экспоненциально. Однако они важны для функционирования некоторых компонентов фильтра, таких как диафрагмы и штифты, описанные ниже, поскольку энергия сохраняется в полях затухающих волн. [15]
Подобно фильтрам линии передачи, волноводные фильтры всегда имеют несколько полос пропускания , что является копией прототипа элемента с сосредоточенными параметрами . В большинстве проектов полезна только полоса пропускания самой низкой частоты (или две самые низкие в случае полосовых фильтров ), а остальные считаются нежелательными паразитными артефактами. Это неотъемлемое свойство технологии, и его нельзя предусмотреть, хотя конструкция может иметь некоторый контроль над частотным положением побочных полос. Следовательно, в любой конструкции фильтра существует верхняя частота, за пределами которой фильтр не сможет выполнять свою функцию. По этой причине в волноводе не могут существовать настоящие фильтры нижних и верхних частот . На некоторой высокой частоте будет присутствовать ложная полоса пропускания или полоса задерживания, нарушающая намеченную функцию фильтра. Но, как и в случае с частотой среза волновода, фильтр можно спроектировать так, чтобы край первой паразитной полосы находился значительно выше любой интересующей частоты. [16]
Диапазон частот, в котором применимы волноводные фильтры, во многом 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 субмиллиметровые, не могут быть изготовлены обычными механическими процессами. На таких высоких частотах оптоволоконная технология становится возможным. [17]
Волноводы представляют собой среду с низкими потерями. Потери в волноводах в основном происходят из-за омической диссипации, вызванной токами, наведенными в стенках волновода. Прямоугольный волновод имеет меньшие потери, чем круглый волновод, и обычно является предпочтительным форматом, но круглый режим TE 01 имеет очень низкие потери и находит применение в связи на большие расстояния. Уменьшить потери можно путем полировки внутренних поверхностей стенок волновода. В некоторых случаях, когда требуется строгая фильтрация, стенки покрываются тонким слоем золота или серебра для улучшения поверхностной проводимости . Примером таких требований являются спутниковые приложения, которые требуют от своих фильтров низких потерь, высокой избирательности и линейной групповой задержки. [18]
Одним из главных преимуществ волноводных фильтров перед технологиями ТЕМ-мод является качество их резонаторов . Качество резонатора характеризуется параметром, который называется добротностью или просто Q. Добротность волноводных резонаторов исчисляется тысячами и на порядки выше, чем у резонаторов режима ТЕМ . [19] Сопротивление проводников , особенно в намотанных индукторах, ограничивает добротность резонаторов ТЭМ. Эта улучшенная добротность приводит к повышению производительности фильтров в волноводах с большим подавлением полосы задерживания. Ограничение добротности в волноводах происходит в основном из-за омических потерь в стенках, описанных ранее, но посеребрение внутренних стенок может более чем удвоить добротность . [20]
Волноводы обладают хорошей пропускной способностью, что позволяет использовать фильтры в радарах . [21] Несмотря на преимущества волноводных фильтров, микрополосковые фильтры часто являются предпочтительной технологией из-за ее низкой стоимости. Это особенно актуально для потребительских товаров и более низких микроволновых частот. Микрополосковые схемы могут быть изготовлены с использованием дешевой технологии печатных плат , и при их интеграции на той же печатной плате, что и другие печатные блоки, они требуют небольших дополнительных затрат. [22]
Идея волновода для электромагнитных волн была впервые предложена лордом Рэлеем в 1897 году. Рэлей предположил, что в коаксиальной линии передачи можно удалить центральный проводник, и волны все равно будут распространяться внутри оставшегося цилиндрического проводника, несмотря на то, что там больше нет полная электрическая схема проводников. Он описал это как волну, неоднократно отражающуюся от внутренней стенки внешнего проводника зигзагообразным образом по мере продвижения вниз по волноводу. Рэлей также был первым, кто осознал, 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 больше подходили для радиосвязи на большие расстояния. Результаты Рэлея на время были забыты, и их пришлось заново открыть другим 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 конструкция аналогового фильтра , выходящая за рамки простого одиночного резонатора, была создана Джорджем Эшли Кэмпбеллом в 1910 году и положила начало теории фильтров. Фильтр Кэмпбелла представлял собой конструкцию конденсаторов и индукторов с сосредоточенными элементами, предложенную его работой с нагрузочными катушками . Отто Зобель и другие быстро развили эту идею. [24] Разработка фильтров с распределенными элементами началась за годы до Второй мировой войны. Основная статья на эту тему была опубликована Мэйсоном и Сайксом в 1937 году; [25] патент [26] , поданный Мэйсоном 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 симметричных пар проводов, но позже другие исследователи применили эти принципы и к волноводам. Значительные разработки волноводных фильтров были проведены во время Второй мировой войны, что было обусловлено необходимостью фильтрации радиолокационных и электронных средств противодействия . Большая часть этих работ проводилась в Радиационной лаборатории Массачусетского технологического института (Rad Lab), но также были задействованы и другие лаборатории в США и Великобритании, например, Исследовательский институт телекоммуникаций в Великобритании. Среди известных ученых и инженеров Радиационной лаборатории были Джулиан Швингер , Натан Маркувитц , Эдвард Миллс Перселл и Ганс Бете . Бете пробыл в Рад-лаборатории совсем недолго, но там разработал 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 соразмерной линии Пола Ричардса . Соразмерные линии — это сети, в которых все элементы имеют одинаковую длину (или в некоторых случаях кратную единичной длине), хотя они могут различаться по другим размерам, что дает разные характеристические импедансы. [a] Преобразование Ричардса позволяет принять любую конструкцию с сосредоточенными элементами «как есть» и преобразовать непосредственно в конструкцию с распределенными элементами с помощью очень простого уравнения преобразования. В 1955 году К. Курода опубликовал преобразования, известные как тождества Курода . Это сделало работу Ричарда более пригодной для использования в несимметричных и волноводных форматах, устранив проблемные элементы последовательного соединения, но прошло некоторое время, прежде чем японские работы Куроды стали широко известны в англоязычном мире. [29] Еще одной теоретической разработкой стал подход фильтра сетевого синтеза Вильгельма Кауэра , в котором он использовал приближение Чебышева для определения значений элементов. Работа Кауэра получила широкое развитие во время Второй мировой войны (Кауэр был убит ближе к ее концу), но не могла быть широко опубликована до окончания военных действий. Хотя работа Кауэра касается сосредоточенных элементов, она имеет определенное значение для волноводных фильтров; Фильтр Чебышева , частный случай синтеза Кауэра, широко используется в качестве прототипа фильтра для конструкций волноводов. [30]
Проектирование в 1950-х годах началось с прототипа элемента с сосредоточенными параметрами (метод, который используется до сих пор), и после различных преобразований получил желаемый фильтр в форме волновода. В то время этот подход давал дробную полосу пропускания не более1/5. В 1957 году Лео Янг из Стэнфордского исследовательского института опубликовал метод проектирования фильтров, который начался с прототипа распределенного элемента, прототипа со ступенчатым сопротивлением. Этот фильтр был основан на четвертьволновых трансформаторах импеданса различной ширины и позволял создавать конструкции с полосой пропускания до октавы ( дробная полоса пропускания2/3). В статье Янга конкретно рассматриваются резонаторы с прямой связью, но эту процедуру можно в равной степени применить и к другим типам резонаторов с прямой связью. [31]
Первое опубликованное описание фильтра с перекрестной связью принадлежит Джону Р. Пирсу из Bell Labs в патенте 1948 года. [32] Фильтр с перекрестной связью — это фильтр, в котором соединены резонаторы, которые не находятся непосредственно рядом. Предоставляемые таким образом дополнительные степени свободы позволяют разработчику создавать фильтры с улучшенными характеристиками или, альтернативно, с меньшим количеством резонаторов. Одна версия фильтра Пирса, показанная на рисунке 3, использует резонаторы с круглым волноводным резонатором для связи между резонаторами с прямоугольным резонатором. Этот принцип поначалу не особо использовался разработчиками волноводных фильтров, но он широко использовался разработчиками механических фильтров в 1960-х годах, особенно Р. А. Джонсоном из Collins Radio Company . [33]
Первоначально волноводные фильтры применялись в невоенных целях в микроволновых линиях связи , используемых телекоммуникационными компаниями для обеспечения магистрали своих сетей. Эти каналы также использовались другими отраслями с крупными фиксированными сетями, в частности телекомпаниями. Подобные приложения были частью крупных программ капиталовложений. Сейчас они также используются в системах спутниковой связи . [34]
Потребность в частотно-независимой задержке в спутниковых приложениях привела к дополнительным исследованиям волноводных фильтров с перекрестной связью. Раньше в системах спутниковой связи для выравнивания задержки использовался отдельный компонент . Дополнительные степени свободы, полученные от фильтров с перекрестной связью, предоставили возможность реализовать в фильтре плоскую задержку без ущерба для других параметров производительности. Компонент, который одновременно выполнял функции фильтра и эквалайзера, позволил бы сэкономить ценный вес и пространство. Потребности спутниковой связи также стимулировали исследования более экзотических режимов резонатора в 1970-х годах. Особую известность в этом отношении имеет работа Э.Л. Гриффина и Ф.А. Янга, которые исследовали лучшие режимы для диапазона 12–14 ГГц , когда он начал использоваться для спутников в середине 1970-х годов. [35]
Еще одной компактной инновацией стал диэлектрический резонатор , который можно использовать в фильтрах других форматов, а также в качестве волновода. 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, обычно в 500 раз хуже, чем у механического резонатора из инвара , что приводило к нестабильности параметров фильтра. Диэлектрические материалы того времени с лучшими температурными коэффициентами имели слишком низкую диэлектрическую проницаемость , чтобы их можно было использовать для экономии места. Ситуация изменилась с появлением в 1970-х годах керамических резонаторов с очень низкими температурными коэффициентами. Первый из них был разработан Массе и Пуселем с использованием тетратитаната бария [примечание 1] в компании Raytheon в 1972 году. О дальнейших улучшениях сообщили в 1979 году Bell Labs и Murata Manufacturing . Резонатор из нонатитаната бария компании Bell Labs [примечание 2] имел диэлектрическую проницаемость 40 и добротность 5000–10 000 на частоте 2–7 ГГц . Современные термостабильные материалы имеют диэлектрическую проницаемость около 90 на микроволновых частотах, но исследования продолжаются по поиску материалов как с низкими потерями, так и с высокой диэлектрической проницаемостью; Материалы с более низкой диэлектрической проницаемостью, такие как станнат-титанат циркония [примечание 3] (ZST) с диэлектрической проницаемостью 38, до сих пор иногда используются из-за их низких потерь. [36]
Альтернативный подход к созданию волноводных фильтров меньшего размера был обеспечен использованием нераспространяющихся затухающих мод. Джейнс и Эдсон предложили волноводные фильтры с затухающей модой в конце 1950-х годов. Методы проектирования этих фильтров были разработаны Крейвеном и Янгом в 1966 году. С тех пор волноводные фильтры с затухающей модой нашли успешное применение там, где размер или вес волновода являются важными факторами. [37]
Относительно недавняя технология, используемая в фильтрах с полыми металлическими волноводами, - это finline, своего рода плоский диэлектрический волновод. Финлайн 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 со смежными 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 переходе во многом являются работой Э.Г. Кристала и Г.Л. Маттеи в 1960-х годах. Этот метод до сих пор иногда используется, но современная доступность вычислительных мощностей привела к более распространенному использованию методов синтеза, которые могут напрямую создавать согласующие фильтры без необходимости использования этих дополнительных резонаторов. В 1965 году Р. Дж. Венцель обнаружил, что фильтры с одинарным оконечным выводом [k] , а не с обычными двусторонними выводами, являются дополняющими друг друга — именно то, что было необходимо для диплексера. [c] Венцель был вдохновлен лекциями теоретика цепей Эрнста Гиймена . [39]
Многоканальные, многооктавные мультиплексоры исследовал Гарольд Шумахер из Microphase Corporation, и его результаты были опубликованы в 1976 году. Принцип, согласно которому фильтры мультиплексора могут быть согласованы при соединении вместе, путем модификации первых нескольких элементов, что позволяет отказаться от компенсирующих резонаторов. , был случайно обнаружен Э. Дж. Керли примерно в 1968 году, когда он неправильно настроил диплексер. Формальная теория этого была предложена Дж. Д. Роудсом в 1976 году и обобщена на мультиплексоры Родсом и Ральфом Леви в 1979 году. [40]
С 1980-х годов планарные технологии, особенно микрополосковые, стали вытеснять другие технологии, используемые для создания фильтров и мультиплексоров, особенно в продуктах, предназначенных для потребительского рынка. Недавнее нововведение в виде волновода со стеной позволяет реализовывать конструкции волноводов на плоской подложке с использованием недорогих технологий производства, аналогичных тем, которые используются для микрополосковых. [41]
Конструкции волноводных фильтров часто состоят из двух разных компонентов, повторяющихся несколько раз. Обычно один компонент представляет собой резонатор или разрыв с сосредоточенной цепью, эквивалентной катушке индуктивности, конденсатору или резонансному контуру LC. Часто тип фильтра берет свое название от стиля этого компонента. Эти компоненты разделены вторым компонентом — направляющей, которая действует как трансформатор импеданса. Трансформаторы импеданса приводят к тому, что альтернативные экземпляры первого компонента кажутся имеющими разные импедансы. Конечным результатом является эквивалентная схема с сосредоточенными элементами лестничной сети. Фильтры с сосредоточенными элементами обычно имеют лестничную топологию , и такая схема является типичной отправной точкой для проектирования волноводных фильтров. На рисунке 4 показана такая лестница. Обычно волноводные компоненты представляют собой резонаторы, а эквивалентной схемой будут LC-резонаторы вместо показанных конденсаторов и катушек индуктивности, но схемы, подобные рис. 4, все еще используются в качестве фильтров-прототипов с использованием полосового или полосового преобразования. [42]
Параметры производительности фильтра, такие как подавление полосы задерживания и скорость перехода между полосой пропускания и полосой задерживания, улучшаются за счет добавления большего количества компонентов и, таким образом, увеличения длины фильтра. Если компоненты повторяются одинаково, фильтр представляет собой конструкцию фильтра параметров изображения , и производительность повышается просто за счет добавления большего количества идентичных элементов. Этот подход обычно используется в конструкциях фильтров, в которых используется большое количество близко расположенных элементов, таких как фильтр вафельницы . Для проектов, в которых элементы расположены более широко, лучшие результаты могут быть получены с использованием конструкции фильтра сетевого синтеза, такой как обычный фильтр Чебышева и фильтры Баттерворта . В этом подходе не все элементы схемы имеют одинаковую ценность, и, следовательно, не все компоненты имеют одинаковые размеры. Более того, если конструкция будет улучшена за счет добавления дополнительных компонентов, тогда все значения элементов придется рассчитывать заново с нуля. В общем, между двумя экземплярами дизайна не будет общих значений. Волноводные фильтры Чебышева используются там, где требования к фильтрации строгие, например, в спутниковых приложениях. [43] [44]
Трансформатор импеданса — это устройство, которое заставляет сопротивление на его выходном порте выглядеть как другое сопротивление на его входном порте. В волноводе это устройство представляет собой просто небольшой отрезок волновода. Особенно полезен четвертьволновой трансформатор импеданса длиной λ г /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. В противном случае последовательно соединенные элементы сложно реализовать в волноводе. [46]
Многие компоненты волноводных фильтров работают, внося внезапное изменение, разрыв в свойства передачи волновода. Такие разрывы эквивалентны элементам сосредоточенного импеданса, помещенным в эту точку. Это происходит следующим образом: разрыв вызывает частичное отражение прошедшей волны обратно по волноводу в противоположном направлении, причем соотношение этих двух величин известно как коэффициент отражения . Это полностью аналогично отражению в линии передачи , где существует установленная связь между коэффициентом отражения и импедансом, вызвавшим отражение. Это сопротивление должно быть реактивным , то есть оно должно быть емкостью или индуктивностью. Это не может быть сопротивлением, поскольку никакая энергия не поглощается — вся она либо передается вперед, либо отражается. Примеры компонентов с этой функцией включают ирисы, заглушки и сообщения, все они описаны далее в этой статье в разделе типов фильтров, в которых они встречаются. [47]
Ступенька импеданса является примером устройства, создающего разрыв. Это достигается ступенчатым изменением физических размеров волновода. Это приводит к ступенчатому изменению характеристического сопротивления волновода. Ступенька может находиться либо в E-плоскости [f] (изменение высоты [j] ), либо в H-плоскости [g] (изменение ширины [i] ) волновода. [48]
Основным компонентом волноводных фильтров является полостной резонатор . Он состоит из короткого волновода, заблокированного с обоих концов. Волны, попавшие внутрь резонатора, отражаются туда и обратно между двумя концами. Резонатор заданной геометрии будет резонировать на характерной частоте. Эффект резонанса можно использовать для избирательного пропускания определенных частот. Их использование в конструкции фильтра требует, чтобы часть волны могла проходить из одной полости в другую через структуру связи. Однако если отверстие в резонаторе остается небольшим, то действительный подход к проектированию состоит в том, чтобы спроектировать полость так, как если бы она была полностью закрытой, и ошибки будут минимальными. В фильтрах разных классов используется ряд различных механизмов связи. [49]
В номенклатуре мод в резонаторе введен третий индекс, например TE 011 . Первые два индекса описывают волну, бегущую вверх и вниз по длине резонатора, т. е. являются номерами поперечных мод, как и для мод в волноводе. Третий индекс описывает продольную моду , обусловленную интерференционной картиной бегущей и отраженной волн. Третий индекс равен количеству полуволн по длине световода. Чаще всего используются доминирующие моды: TE 101 в прямоугольном волноводе и TE 111 в круглом волноводе. Круговой режим TE 011 используется там, где требуются очень низкие потери (следовательно, высокая добротность ), но его нельзя использовать в двухрежимном фильтре, поскольку он кругово-симметричный. Лучшими режимами для прямоугольного волновода в двухрежимных фильтрах являются TE 103 и TE 105 . Однако еще лучше режим круглого волновода 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 нити в волновод. Примеры можно увидеть на постфильтре на рис. 1: каждая полость имеет настроечный винт, закрепленный контргайками и резьбовым фиксирующим составом . Для винтов, вставленных на небольшое расстояние, эквивалентной схемой является шунтирующий конденсатор, значение которого увеличивается по мере вставки винта. Однако, когда винт вставлен на расстояние λ/4, он резонирует, эквивалентный последовательному LC-контуру. Его дальнейшее включение приводит к изменению импеданса с емкостного на индуктивный, то есть меняется арифметический знак. [51]
Радужная оболочка представляет собой тонкую металлическую пластину поперек волновода с одним или несколькими отверстиями в ней. Он используется для соединения двух отрезков волновода и является средством создания разрыва. Некоторые из возможных геометрических форм диафрагм показаны на рисунке 5. Диафрагма, уменьшающая ширину прямоугольного волновода, имеет эквивалентную схему с шунтирующей индуктивностью, тогда как диафрагма, ограничивающая высоту, эквивалентна шунтирующей емкости. Диафрагма, ограничивающая оба направления, эквивалентна параллельному LC-резонансному контуру . Последовательную LC-цепь можно сформировать, расположив проводящую часть диафрагмы на расстоянии от стенок волновода. В узкополосных фильтрах часто используются диафрагмы с небольшими отверстиями. Они всегда индуктивны, независимо от формы отверстия или его положения на радужке. Круглые отверстия легко обрабатывать, но удлиненные отверстия или отверстия в форме креста позволяют выбрать конкретный способ соединения. [52]
Ирисы представляют собой форму разрыва и работают путем возбуждения мимолетных высших мод. Вертикальные края параллельны электрическому полю (полю E) и возбуждают TE-моды. Запасенная энергия в TE-модах находится преимущественно в магнитном поле (поле H), и, следовательно, сосредоточенным эквивалентом этой структуры является индуктор. Горизонтальные края параллельны полю H и возбуждают ТМ-моды. В этом случае запасенная энергия находится преимущественно в E-поле, а сосредоточенным эквивалентом является конденсатор. [53]
Сделать ирисы с механической регулировкой довольно просто. Тонкую металлическую пластину можно вставлять и вынимать из узкой щели сбоку волновода. Из-за этой способности иногда выбирается конструкция радужной оболочки для создания переменного компонента. [54]
Ирис-связанный фильтр состоит из каскада преобразователей импеданса в виде волноводных резонансных резонаторов, соединенных между собой ирисами. [43] В приложениях с высокой мощностью избегают емкостных диафрагм. Уменьшение высоты волновода (направление поля E) приводит к увеличению напряженности электрического поля в зазоре, и дуга (или пробой диэлектрика, если волновод заполнен изолятором) будет происходить при меньшей мощности, чем в противном случае. . [55]
Стойки представляют собой проводящие стержни, обычно круглые, закрепленные внутри по высоте волновода и являются еще одним средством создания разрыва. Тонкий столб имеет эквивалентную схему шунтирующего индуктора. Ряд столбов можно рассматривать как форму индуктивной ирисовой диафрагмы. [56]
Пост-фильтр состоит из нескольких рядов штырей по ширине волновода, которые разделяют волновод на резонансные полости, как показано на рисунке 7. В каждом ряду можно использовать разное количество штырей для достижения различных значений индуктивности. Пример можно увидеть на рисунке 1. Фильтр работает так же, как фильтр с ирисовой связью, но отличается методом конструкции. [57]
Волновод за стенкой, или волновод, интегрированный в подложку, представляет собой более новый формат, который стремится объединить преимущества низких потерь излучения, высокой добротности и высокой мощности, присущих традиционным волноводам с полыми металлическими трубами, с небольшим размером и простотой изготовления планарных волноводов. технологии (такие как широко используемый формат микрополосок). Он состоит из изолированной подложки, пронизанной двумя рядами проводящих столбиков, заменяющих боковые стенки волновода. Верхняя и нижняя часть подложки покрыты проводящими листами, что делает ее конструкцию похожей на формат тройной пластины . Существующие технологии производства печатных плат или низкотемпературной керамики совместного обжига могут быть использованы для изготовления волноводных схем, устанавливаемых на стене. Этот формат естественным образом подходит для конструкций постфильтров волноводов. [58]
Двухрежимный фильтр представляет собой разновидность фильтра с резонансной полостью, но в этом случае каждая полость используется для создания двух резонаторов за счет использования двух мод (двух поляризаций), что уменьшает вдвое объем фильтра для заданного порядка. Такое увеличение размера фильтра является основным преимуществом в авионике самолетов и космических приложениях. Для высококачественных фильтров в этих приложениях может потребоваться множество полостей, занимающих значительное пространство. [59]
Диэлектрические резонаторы представляют собой кусочки диэлектрического материала, вставленные в волновод. Обычно они имеют цилиндрическую форму, поскольку их можно изготовить без механической обработки , но используются и другие формы. Они могут быть изготовлены с отверстием в центре, которое используется для крепления их к волноводу. При использовании кругового режима TE 011 в центре поля нет, поэтому отверстие не оказывает отрицательного воздействия. Резонаторы могут быть установлены коаксиально волноводу, но обычно они устанавливаются поперек ширины, как показано на рисунке 8. Последнее расположение позволяет настраивать резонаторы, вставляя винт через стенку волновода в центральное отверстие резонатор. [60]
Когда диэлектрические резонаторы изготовлены из материала с высокой диэлектрической проницаемостью , такого как один из титанатов бария , они имеют важное преимущество в экономии места по сравнению с полыми резонаторами. Однако они гораздо более склонны к ложным режимам. В устройствах с высокой мощностью в резонаторы могут быть встроены металлические слои для отвода тепла, поскольку диэлектрические материалы имеют тенденцию иметь низкую теплопроводность . [61]
Резонаторы могут быть соединены между собой ирисовыми диафрагмами или трансформаторами импеданса. В качестве альтернативы их можно разместить в заглушке бокового корпуса и соединить через небольшое отверстие. [62]
Во вставных фильтрах один или несколько металлических листов размещаются продольно по длине волновода, как показано на рисунке 9. В этих листах пробиты отверстия для образования резонаторов. Воздушный диэлектрик придает этим резонаторам высокую добротность . В волноводе одинаковой длины можно использовать несколько параллельных вставок. 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 вариантов расположения диэлектрических и металлических полос. Finline представляет собой разновидность щелевого волновода , но в случае finline вся конструкция заключена в металлический экран. Преимущество этого метода заключается в том, что, как и в случае с полым металлическим волноводом, мощность не теряется из-за излучения. Фильтры Finline можно изготовить путем печати рисунка металлизации на листе диэлектрического материала, а затем вставки этого листа в E-плоскость полого металлического волновода, так же, как это делается со вставными фильтрами. Металлический волновод образует экран плавникового волновода. Резонаторы формируются путем металлизации рисунка на диэлектрическом листе. Более сложные схемы, чем простой вставной фильтр на рисунке 9, легко получить, поскольку проектировщику не нужно учитывать влияние удаления металла на механическую опору. Эта сложность не увеличивает производственные затраты, поскольку количество необходимых процессов не меняется при добавлении в конструкцию большего количества элементов. Конструкции Finline менее чувствительны к производственным допускам, чем вставные фильтры, и имеют широкую полосу пропускания. [64]
Можно спроектировать фильтры, которые работают полностью в затухающих режимах. Это имеет преимущества экономии места, поскольку волновод фильтра, который часто образует корпус фильтра, не обязательно должен быть достаточно большим, чтобы поддерживать распространение доминирующей моды. Обычно фильтр затухающей моды состоит из волновода меньшей длины, чем волновод, питающий входные и выходные порты. В некоторых конструкциях его можно сложить для получения более компактного фильтра. Настроечные винты вставляются через определенные промежутки вдоль волновода, создавая в этих точках эквивалентные сосредоточенные емкости. В более поздних конструкциях винты заменены диэлектрическими вставками. Эти конденсаторы резонируют с предшествующей длиной волновода с затухающей модой, который имеет эквивалентную схему катушки индуктивности, тем самым оказывая фильтрующее действие. Энергия множества различных затухающих мод сохраняется в поле вокруг каждого из этих емкостных разрывов. Однако конструкция такова, что только доминирующий режим достигает выходного порта; другие моды затухают между конденсаторами гораздо быстрее. [65]
Фильтры с гофрированным волноводом , также называемые фильтрами с гребневыми волноводами , состоят из ряда гребней или зубцов, которые периодически уменьшают внутреннюю высоту волновода, как показано на рисунках 10 и 11. Они используются в приложениях, которые одновременно требуют широкой полосы пропускания. , хорошее согласование полосы пропускания и широкую полосу задерживания. По сути, это конструкции нижних частот (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 фильтров других конструкций. Обычно их проектируют методом параметров изображения со всеми одинаковыми гребнями, но можно получить фильтры других классов, например фильтр Чебышева, в обмен на сложность изготовления. В методе построения изображений эквивалентная схема гребней моделируется как каскад полусекций LC . Фильтр работает в доминирующем режиме TE 10 , но наличие побочных режимов может стать проблемой. В частности, наблюдается небольшое затухание в полосе задерживания мод TE 20 и TE 30 . [66]
Фильтр-вафельница является разновидностью гофрированного волноводного фильтра. Он имеет свойства, аналогичные этому фильтру, с дополнительным преимуществом, заключающимся в подавлении паразитных мод TE 20 и TE 30 . В фильтре-вафельнице в гребнях продольно вниз по фильтру прорезаны каналы. В результате матрица зубцов выступает внутрь из верхней и нижней поверхностей волновода. Этот рисунок зубцов напоминает вафельницу , отсюда и название фильтра. [67]
Шлейф — это небольшой отрезок волновода, подключенный к некоторой точке фильтра на одном конце и закороченный на другом конце. Теоретически возможны шлейфы с разомкнутой цепью, но реализация в волноводе непрактична, поскольку электромагнитная энергия будет излучаться из открытого конца шлейфа, что приведет к большим потерям. Шлейфы представляют собой своего рода резонатор, а эквивалентом элемента с сосредоточенными параметрами является резонансный LC-контур. Однако в узком диапазоне шлейфы можно рассматривать как трансформаторы импеданса. Короткое замыкание преобразуется либо в индуктивность, либо в емкость в зависимости от длины шлейфа. [68]
Волноводный шлейфовый фильтр изготавливается путем размещения одного или нескольких шлейфов по длине волновода, обычно на расстоянии λ g /4 друг от друга, как показано на рисунке 12. Концы шлейфов заглушаются, чтобы закоротить их. [69] Когда короткозамкнутые шлейфы имеют длину λ g /4, фильтр будет полосовым фильтром, а шлейфы будут иметь приблизительную эквивалентную схему с сосредоточенными элементами, состоящую из параллельных резонансных цепей, соединенных последовательно с линией. Если длина шлейфов составляет λ g /2, фильтр будет полосовым . В этом случае эквивалентом сосредоточенного элемента являются последовательные LC-резонансные цепи, включенные последовательно с линией. [70]
Поглощающие фильтры рассеивают энергию нежелательных частот внутри себя в виде тепла. В этом отличие от традиционной конструкции фильтра, в которой нежелательные частоты отражаются обратно от входного порта фильтра. Такие фильтры используются там, где нежелательно направлять мощность обратно к источнику. Это относится к передатчикам большой мощности, где возвращаемая мощность может быть достаточно высокой, чтобы повредить передатчик. Поглощающий фильтр может использоваться для удаления побочных излучений передатчика , таких как гармоники или побочные полосы . В конструкции, которая использовалась уже некоторое время, в стенках питающего волновода через равные промежутки вырезаны прорези. Эта конструкция известна как фильтр вытекающей волны . Каждая щель подключена к волноводу меньшего калибра, который слишком мал для обеспечения распространения частот в полезном диапазоне. Таким образом, эти частоты не подвергаются воздействию фильтра. Однако более высокие частоты в нежелательной полосе легко распространяются по боковым направляющим, которые заканчиваются согласованной нагрузкой, где поглощается мощность. Эти грузы обычно представляют собой клиновидный кусок материала, поглощающего микроволновое излучение. [71] В другой, более компактной конструкции абсорбционного фильтра используются резонаторы с диэлектриком с потерями. [72]
Существует множество применений фильтров, целью разработки которых является нечто иное, чем подавление или пропускание определенных частот. Часто простое устройство, предназначенное для работы только в узкой полосе частот или только на одной фиксированной частоте, не очень похоже на конструкцию фильтра. Однако схема широкополосной связи для одного и того же объекта требует гораздо большего количества 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 с отрицательным сопротивлением и сети с временной задержкой . [73]
Простой метод согласования импедансов — согласование шлейфа с одним шлейфом. Однако один шлейф обеспечит идеальное совпадение только на одной конкретной частоте. Поэтому этот метод подходит только для узкополосных приложений. Для расширения полосы пропускания можно использовать несколько шлейфов, и тогда структура принимает форму шлейфового фильтра. Проектирование происходит так же, как если бы это был фильтр, за исключением того, что оптимизируется другой параметр. В частотном фильтре обычно оптимизируются такие параметры, как подавление полосы задерживания, затухание в полосе пропускания, крутизна перехода или некоторый компромисс между ними. В согласующей сети оптимизированным параметром является согласование импеданса. Функция устройства не требует ограничения полосы пропускания, но разработчик, тем не менее, вынужден выбирать полосу пропускания из-за структуры устройства . [74]
Заглушки — не единственный формат фильтров, который можно использовать. В принципе, для согласования импедансов можно применить любую структуру фильтра, но некоторые из них приведут к более практичным конструкциям, чем другие. Часто для согласования импеданса в волноводе используется ступенчатый фильтр импеданса. Пример можно увидеть в дуплексере [e] , изображенном на рисунке 13. [75]
Направленные ответвители, делители мощности и сумматоры мощности — это, по сути, устройства одного и того же типа, по крайней мере, когда они реализованы с использованием пассивных компонентов. Направленный ответвитель распределяет небольшое количество энергии от основной линии к третьему порту. Более сильно связанное, но в остальном идентичное устройство можно назвать делителем мощности. Тот, который передает ровно половину мощности на третий порт ( ответвитель 3 дБ ), представляет собой максимальную связь, достижимую без изменения функций портов. Многие конструкции делителей мощности можно использовать в обратном порядке, после чего они становятся сумматорами мощности. [76]
Простая форма направленного ответвителя — это две параллельные линии передачи, соединенные вместе на длине λ/4. Эта конструкция ограничена, поскольку электрическая длина ответвителя будет составлять только λ/4 на одной конкретной частоте. Связь будет максимальной на этой частоте и падать в обе стороны. Подобно случаю согласования импеданса, это можно улучшить, используя несколько элементов, в результате чего получается структура, подобная фильтру. [77] Волноводным аналогом этого подхода со связанными линиями является направленный ответвитель с отверстием Бете, в котором два параллельных волновода уложены друг на друга и имеется отверстие для связи. Для создания широкополосной конструкции вдоль направляющих используются несколько отверстий, как показано на рисунке 14, и применяется конструкция фильтра. [78] Не только конструкция со связанными линиями страдает узкой полосой пропускания, все простые конструкции волноводных ответвителей каким-то образом зависят от частоты. Например, ответвитель типа «крысиные бега » (который может быть реализован непосредственно в волноводе) работает по совершенно другому принципу, но все же основан на том, что определенные длины точны в терминах λ. [79]
Диплексер — это устройство, используемое для объединения двух сигналов, занимающих разные полосы частот, в один сигнал. Обычно это делается для того, чтобы обеспечить одновременную передачу двух сигналов по одному и тому же каналу связи или для обеспечения возможности передачи на одной частоте при приеме на другой. (Такое конкретное использование диплексера называется дуплексером.) То же устройство можно использовать для повторного разделения сигналов на дальнем конце канала. Необходимость фильтрации для разделения сигналов при приеме вполне очевидна, но она также необходима даже при объединении двух передаваемых сигналов. Без фильтрации часть мощности от источника А будет направляться к источнику Б вместо комбинированного выхода. Это будет иметь пагубные последствия в виде потери части входной мощности и загрузки источника A выходным сопротивлением источника B, что приведет к несогласованию. Эти проблемы можно преодолеть с помощью направленного ответвителя на 3 дБ , но, как объяснялось в предыдущем разделе, широкополосная конструкция требует также конструкции фильтра для направленных ответвителей. [80]
Два широко разнесенных узкополосных сигнала могут быть диплексированы путем объединения выходов двух соответствующих полосовых фильтров. Необходимо принять меры для предотвращения взаимодействия фильтров друг с другом, когда они находятся в резонансе, что может привести к ухудшению их характеристик. Этого можно добиться за счет правильного интервала. Например, если фильтры относятся к типу с ирисовой связью, то диафрагма, ближайшая к переходу фильтра A, располагается на расстоянии λ gb /4 от перехода, где λ gb — это направляющая длина волны в полосе пропускания фильтра B. Аналогично, ближайшая ирисовая диафрагма фильтра B расположена на расстоянии λ ga /4 от перехода. Это работает, потому что, когда фильтр A находится в резонансе, фильтр B находится в своей полосе задерживания и слабо связан, и наоборот. Альтернативная схема заключается в том, чтобы каждый фильтр был присоединен к основному волноводу в отдельных переходах. Развязывающий резонатор расположен на расстоянии λ g /4 от места соединения каждого фильтра. Это может быть короткозамкнутый шлейф, настроенный на резонансную частоту этого фильтра. Эту схему можно распространить на мультиплексоры с любым количеством полос. [81]
Для диплексеров, работающих со смежными полосами пропускания, при проектировании необходимо учитывать надлежащий учет характеристик разделения фильтров. Особенно распространенным случаем является использование диплексера для разделения всего спектра на низкие и высокие полосы. Здесь вместо полосовых фильтров используются фильтры нижних и верхних частот. Используемые здесь методы синтеза в равной степени могут быть применены к узкополосным мультиплексорам и в значительной степени устраняют необходимость в развязывающих резонаторах. [82]
Направленный фильтр — это устройство, сочетающее в себе функции направленного ответвителя и диплексора. Поскольку он основан на направленном соединителе, он по сути представляет собой четырехпортовое устройство, но, как и направленные соединители, порт 4 обычно постоянно терминируется внутри. Питание, поступающее на порт 1, выходит из порта 3 после выполнения некоторой функции фильтрации (обычно полосовой). Оставшаяся мощность выходит из порта 2, и, поскольку никакая мощность не поглощается и не отражается, это будет точным дополнением функции фильтрации на порте 2, в данном случае полосовой. И наоборот, мощность, поступающая в порты 2 и 3, объединяется в порт 1, но теперь мощность сигналов, отклоненных фильтром, поглощается нагрузкой на порте 4. На рисунке 15 показана одна из возможных волноводных реализаций направленного фильтра. Два прямоугольных волновода, работающих в доминирующем режиме TE 10 , обеспечивают четыре порта. Они объединены круглым волноводом, работающим в кольцевой моде ТЕ 11 . Круглый волновод содержит фильтр с диафрагменной связью, имеющий столько диафрагм, сколько необходимо для получения требуемого отклика фильтра. [83]
