Экспериментальное исследование фильтров СВЧ на одиночных волноводно-щелевых мембранах с различным расположением несимметричных угловых щелей

Experimental study of microwave filters on single waveguide-slotted membranes with different arrangement of asymmetric angular slots

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

Аннотация. В диапазоне частот 5…9 ГГц представлены результаты экспериментального исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и частотных характеристик коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) входа трех СВЧ фильтров на волноводно-щелевых мембранах (ВЩМ), представляющих собой угловую щель, ширина которой вдоль широкой стенки волновода 35х15 мм равна 3 мм при длине 13 мм, вдоль узкой стенки – 1 мм при длине 15 мм. Фильтры имеют АЧХ типа полосового фильтра; добротность фильтров существенно зависит от их положения в волноводе.

Abstract. Presentation the results of experimental studies of amplitude-frequency characteristics (AFC) and frequency characteristics of the standing wave voltage ratio (VSWR) of the input of three microwave filters in the frequency range 5 ... 9 GHz. The slot of the first filter is located close to the right narrow wall of the waveguide, the second one is close to the left narrow wall of the waveguide, the third filter has two slots located close to the right and left narrow walls of the waveguide. The frequency response of the filters shows a band-pass character.

Ключевые слова: СВЧ фильтры на ВЩМ.

Keywords: Microwave filters at waveguide-slot membranes.

Нами проведены экспериментальные исследования трех СВЧ фильтров, выполненных на волноводно-щелевых мембранах (ВЩМ) в диапазоне частот 5…9 ГГц. Рабочее сечение волновода для этого диапазона частот составляет 35х15 мм для основного типа распространяющейся вдоль него электромагнитной волны. Как и ранее в наших исследованиях [1, 2], волноводно-щелевые мембраны зажаты между двумя волноводно-коаксиальными переходами (ВКП) и расположены поперечно рабочему сечению волновода. В мембране каждого из фильтров выполнена угловая щель, имеющая несимметричную структуру: ширина щели вдоль широкой стенки волновода 35х15 мм равна 3 мм при длине 13 мм, вдоль узкой стенки – 1 мм при длине 15 мм. Расположение щели варьируется от одного фильтра к другому: щель первого фильтра расположена вплотную к правой узкой стенке волновода, второго – вплотную к левой узкой стенке волновода, третий фильтр имеет две щели, расположенные вплотную к правой и левой узким стенкам волновода. Таким образом, первый и второй фильтры являются однощелевыми, а третий фильтр является двухщелевым. Толщина мембран фильтров составляет около 0,25 мм.

На Рисунке 1 а), б), в) показаны топологии ВЩМ исследованных фильтров соответственно для первого, второго и третьего фильтров.

а)

б)

в)

Рисунок 1. Топологии ВЩМ исследованных фильтров:

 а) – первого; б) – второго; в) – третьего

Для проведения измерений АЧХ и частотных характеристик КСВН входа, волноводно-щелевые мембраны фильтров были зажаты между входным и выходным ВКП, позволяющим подавать на фильтр входной СВЧ сигнал и снимать с фильтра выходной СВЧ сигнал на коаксиальные кабели стандарта “N”.

Целью проведенного исследования было определение тенденций изменения АЧХ и КСВН входа фильтров при изменении местоположения резонансной щели в рабочем сечении волновода.

Результаты исследований АЧХ и частотных характеристик КСВН входа первого фильтра, топология которого показана на Рисунке 1 а), представлены на Рисунке 2 а), б), соответственно.

На Рисунках 2 а), 3 а), 4 а) 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.

а)

б)

Рисунок 2. Экспериментальные частотные характеристики первого фильтра: а) – АЧХ; б) – КСВН входа

На Рисунках 2 б), 3 б), 4 б) по вертикальной оси отложены величины КСВН входа первого, второго и третьего фильтров в относительных единицах (разах); по горизонтальной оси – значения рабочих частот от 5 ГГ до 9 ГГц.

На всех рисунках 2…4 для удобства прочтения численных значений величин |K_U| и КСВН и соответствующих им частот, выполнены выносные таблицы (для |K_U| – вверх от рисунка частотной характеристики, для КСВН – вниз).

Результаты исследований АЧХ и частотных характеристик КСВН входа второго фильтра, топология которого показана на Рисунке 1 б), представлены на Рисунке 3 а), б), соответственно.

а)

б)

Рисунок 3. Экспериментальные частотные характеристики второго фильтра: а) – АЧХ; б) – КСВН входа

Результаты исследований АЧХ и частотных характеристик КСВН входа третьего фильтра, топология которого показана на Рисунке 1 в), представлены на Рисунке 4 а), б), соответственно.

а)

б)

Рисунок 4. Экспериментальные частотные характеристики третьего фильтра: а) – АЧХ; б) – КСВН входа

Как показывают проведенные измерения, все три фильтра представляют собой полосно-пропускающие фильтры. Сравнение АЧХ фильтров позволяет сделать следующие выводы:

- наибольшей добротностью обладает первый фильтр, угловая щель которого расположена вплотную к правой узкой стенке волновода;

- добротность второго фильтра явно хуже добротности первого;

- наихудшей добротностью обладает третий, двухщелевой фильтр;

- резонансные частоты фильтров очень близки и попадают в диапазон значений от 6,689 ГГц у первого фильтра до 6,6…6,66 ГГц у третьего фильтра.

Существенные различия между АЧХ первого и второго фильтров явились для нас неожиданными, так как мы полагали, что симметричные структуры должны иметь идентичные АЧХ. Вероятно, это можно объяснить неидентичностью выполнения щелей в мембранах при изготовлении.

АЧХ третьего фильтра, как мы полагаем, является некоей комбинацией АЧХ первого и второго фильтров, включенных параллельно между собой.

Что касается частотных характеристик КСВН входа фильтров, то они, на наш взгляд, не имеют существенных особенностей и полностью соответствуют частотным характеристикам |K_U|, то есть, максимальным величинам |K_U| соответствуют минимальные величины КСВН входа фильтров, как и следует тому быть в фильтрующих системах отражающего типа.

Мы полагаем, что полученные результаты будут использованы при создании ВЩМ-фильтров с новыми топологическими параметрами, позволяющими оптимизировать их частотные характеристики.