Экспериментальное исследование фильтров СВЧ на одиночных угловых волноводно-щелевых мембранах с несимметричными щелями

Experimental study of microwave filters on single angle waveguide-slot membranes having slot asymmetrically width

Natalia Kopilova

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

Aleksei Kopilov

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Radio Engineering Department of the Institute of Engineering Physics and Radioelectronics, Siberian Federal University, Russia, Krasnoyarsk

Yuri Salomatov

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

Аннотация. Представлены результаты экспериментального исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) семи СВЧ фильтров, представляющих собой угловую щель, расположенную на краю рабочего окна волновода, причем ширина щели вдоль широкой стенки рабочего сечения волновода составляет 1 мм, вдоль узкой стенки – варьируется от 1 мм до 7 мм с шагом 1 мм. АЧХ фильтров имеют выраженный резонансный полосно-пропускающий характер; при увеличении ширины щели резонансная частота фильтров смещается в сторону более высоких частот, при этом уменьшается их добротность и потери в полосе пропускания.

Abstract. In this paper we report the results of experimental studies of amplitude-frequency characteristics (AFC) of the seven microwave filters, which are angled slot located on the edge of the working of the waveguide window, and the width of the gap along the broad wall of the working section of the waveguide is 1 mm, along a narrow wall - ranging from 1 mm to 7 mm in 1 mm increments. AFC filters have a pronounced resonant bandpass character; with an increase in the gap width of the resonance frequency of the filter shifts to higher frequencies, reducing their Q factor and the loss in the passband.

Ключевые слова: СВЧ фильтры на одиночных угловых волноводно-щелевых мембранах с несимметричными щелями.

Keywords: Microwave filters on single angle waveguide-slot membranes having slot asymmetrically width.

В настоящей работе мы приводим результаты экспериментального исследования семи СВЧ фильтров на волноводно-щелевых мембранах. Для исследования нами выбран волновод с рабочим сечением 35х15 мм. Поперечно этому сечению между двумя волноводно-коаксиальными переходами (ВКП) помещена металлическая мембрана фильтра. В мембране вплотную к одному из углов рабочего сечения волновода выполнена угловая щель, имеющая несимметричную структуру. Толщина мембраны составляет 0,25 мм. Топология ВЩМ представлена на Рисунке 1.

Рисунок 1. Топология волноводно-щелевой мембраны с несимметричной угловой щелью

Угловая щель имеет геометрию загнутой под углом 90⁰ прорези, длина которой вдоль широкой стенки рабочего сечения волновода выбрана равной 13 мм при ширине 1 мм, а длина щели вдоль узкой рабочего сечения стенки волновода выбрана равной ширине этой стенки (15 мм). При этом ширина части щели, расположенной вдоль узкой стенки волновода является варьируемым параметром и изменяется в наших фильтрах от 1 мм до 7 мм с шагом через 1 мм. Таким образом, величина “B” (см. Рисунок 1) исследованных нами фильтров составляет: для первого фильтра “B” = 1 мм; для второго фильтра “B” = 2 мм; для третьего фильтра “B” = 3 мм; для четвертого фильтра “B” = 4 мм; для пятого фильтра “B” = 5 мм; для шестого фильтра “B” = 6 мм; для седьмого фильтра “B” = 7 мм. Для проведения измерений амплитудно-частотных характеристик, волноводно-щелевые мембраны фильтров были заключены между двумя волноводно-коаксиальными переходами (ВКП), позволяющими подавать на фильтр входной СВЧ сигнал и снимать с фильтра выходной СВЧ сигнал, на коаксиальные кабели стандарта “N”.

Целью нашего экспериментального исследования является определение тенденций изменения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фильтров на основе одиночных угловых ВЩМ с описанной выше несимметричностью геометрии щелей при изменении той части ширины щели, которая расположена вдоль узкой стенки рабочего сечения волновода.

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

а)

б)

в)

г)

д)

е)

ж)

Рисунок 2. Результаты измерений амплитудно-частотных характеристик исследованных фильтров: а) – для первого фильтра, б) – для второго фильтра, в) – для третьего фильтра, г) – для четвертого фильтра, д) – для пятого фильтра, е) – для шестого фильтра, е) – для седьмого фильтра

На Рисунках 2 а…ж по вертикальной оси отложены величины коэффициента передачи по напряжению |K_U| в дБ; по горизонтальной оси на этих рисунках отложены значения рабочих частот в пределах 5…9 ГГц.

Как видно из Рисунков 2 а, б, в, г, д, е, ж, все АЧХ фильтров на одиночных угловых волноводно-щелевых мембранах с несимметричными щелями представляют собой явно выраженные резонансные кривые с достаточно высокой добротностью.

Сравнение полученных АЧХ между собой демонстрирует две основные тенденции:

- увеличение ширины той части ВЩМ, которая расположена вдоль узкой стенки рабочего сечения волновода 35х15 мм приводит к уменьшению добротности резонансных кривых;

- одновременно с указанным выше наблюдается эффект существенного изменения резонансной частоты в сторону более высоких частот.

Действительно, при увеличении ширины той части ВЩМ, которая расположена вдоль узкой стенки рабочего сечения волновода 35х15 мм, частота наименьшего затухания фильтра с шириной части угловой щели “B”=1 мм (Рисунок 2 а) составляет около 6,1 ГГц, частота наименьшего затухания фильтра с шириной части угловой щели “B”=2 мм (Рисунок 2 б) составляет 6,2 ГГц, частота наименьшего затухания фильтра с шириной части угловой щели “B”=3 мм (Рисунок 2 в) составляет 6,5 ГГц, частота наименьшего затухания фильтра с шириной части угловой щели “B”=4 мм (Рисунок 2 г) составляет 6,98 ГГц, частота наименьшего затухания фильтра с шириной части угловой щели “B”=5 мм (Рисунок 2 д) составляет 7,45 ГГц, частота наименьшего затухания фильтра с шириной части угловой щели “B”=6 мм (Рисунок 2 е) составляет 7,8 ГГц, а частота наименьшего затухания фильтра с шириной части угловой щели “B”=7 мм (Рисунок 2 ж) составляет уже 8,1 ГГц. Таким образом, при изменении ширины щели на 1 мм в наших опытах изменение частоты наименьшего затухания составляет от 100 МГц до 500 МГц.

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

Мы полагаем, что полученные результаты будут использованы либо при формировании библиотеки базовых элементов фильтров на ВЩМ с целью дальнейшей оптимизации параметров таких фильтров, либо при проектировании фильтров на заданные АЧХ, либо при оптимизации тех или иных конструктивных параметров фильтров и создании фильтров с новыми топологическими параметрами.

Заметим, что для улучшения избирательных свойств фильтров такого типа можно использовать каскадную структуру фильтров с несколькими угловыми ВЩМ, разделенными между собой отрезками волновода 35х15 мм, либо разделенными между собой ВЩМ-структурами с иными величинами рабочего сечения волновода или существенно различными ширинами щелей, как это показано, например, в работах [1, 2, 3].