Особый класс колебательных электромагнитных систем составляют открытые резонаторы (рис. 7.37). Разработка их была вызвана необходимостью создания высокодобротных колебательных систем для миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Резонатор представляет собой систему из двух металлических зеркал, плоских или сферических. Условием резонанса является целое

Рис. 7.37. Отрытые резонаторы: а - с цлооиим зеркалом; б - оо сферичеоним зеркалом

число полуволн, укладывающихся иа длине I: l=pkl2. Потеря в таком резонаторе определяются лишь поглощением в зеркалах и частичным излучением через открытые боковые поверхности за счет дифракции волн. При поперечных размерах зеркал, значительно превышающих рабочую длину волны, собственная добротность открытого резонатора может достигать в миллиметровом диапазоне волн 10 -10 i[26].

7.10. ВОЛНОВОДНЫЕ ФИЛЬТРЫ

Основные виды фильтров и их параметры. Фильтром называют устройство, обладающее избирательными свойствами по отношению к сигналам разных частот. Основным назначением фильтров является подавление одних частотных составляющих некоторого сложного сигнала и обеспечение хорошей передачи других, или разделение сигналов по частоте в многоканальных системах.

По взаимному расположению полос пропускания (где затухание фильтров мало) и заграждения (где затухание велико) фильтры делятся на фильтры нижних частот (ФНЧ), т. е. фильтры, пропускающие частоты ниже заданной и подавляющие сигналы на других частотах, фильтры верхних частот (ФВЧ), пропускающие сигналы на частотах выше заданной и подавляющие сигналы вне этой полосы, полосовые фильтры (ПФ), пропускающие сигналы в пределах заданной частоты и подавляющие сигналы вне этой полосы, режекторные фильтры (РФ), подавляющие сигналы на частотах в пределах заданной полосы. Частотные характеристики фильтров приведены на рис. 7.38.

К числу основных параметров фильтров относятся: полоса пропускания, полоса заграждения, средняя частота, коэффициент затухания в полосе пропускания, коэффициент затухания в полосе заграждения, крутизна частотной характеристики, коэффициент отражения от входа и выхода, форма и размеры сечения линии передачи, в которую включается фильтр.

Общая схема синтеза фильтров. В общем виде расчет фильтров-СВЧ сводится к синтезу эквивалентной схемы (низкочастотного прототипа), удовлетворяющей заданной частотной характеристике, и замене сосредоточенных элементов схемы соответствующима эквивалентами на СВЧ.

Рис. 7.38. Частотные характеристики фильтров

Рис. 7.39. Фильтр нижних частот яа основе коакои-ального

воляовода: а - эквивалентная схема; б - эскиз вонструиции

Эквивалентность каждого звена фильтра СВЧ звену прототипа приводит к тому, что обе системы имеют подобные частотные характеристики [27]. Последовательность операций синтеза прототипа состоит в следующем. Для расчета задаются параметрами, характеризующими свойства фильтра: граничными частотами полосы пропускания соп и -п, граничными частотами заграждения соз и <й з, максимальным затуханием в полосе пропускания a , минимальным затуханием в полосе заграждения аз.

Наиболее распространенными частотными характеристиками рабочего затухания фильтров являются чебыщевская и максимально плоская (рис. 6.20 и 6.21). Для чебыщевской характеристики функция затухания (в децибелах) описывается выражением

a=lOlg[l-bA7 ( )], (7.42)

где Тп{ч/) - полином Чебышева первого рода п-го порядка; h - амплитудный множитель; со - частотная переменная; п - число звеньев фильтра.

Функция затухания максимально плоской характеристики описывается выражением

а = 10 lg[l+/i2 ( ) ]. (7 43)

При одинаковом числе звеньев и одинаковой полосе частот крутизна спада частотной характеристики затухания для чебышевского фильтра больше, чем для максимально плоского, однако

он имеет колебания частотной характеристики в полосе пропускания.

После выбора частотной характеристики фильтра определяется необходимое число звеньев фильтра, добротность каждого звена, а затем, в зависимости от типа фильтра, находят сопротивления связи звеньев и переходное затухание. Методы расчета параметров прототипов достаточно хорошо разработаны и изложены в литературе.

При реализации СВЧ фильтров в качестве элементов, соответствующих емкостям, индуктивностям и резонансным контурам, используются диафрагмы, штыри, резонаторы, отрезки линий передачи различной длины и др. При этом необходимо учитывать следующие особенности элементов СВЧ:

1) зависимость параметров реактивных элементов от частоты. Например, короткозамкнутый отрезок линии передачи длиной i<:V4 эквивалентен индуктивности (см. рис. 6.7), на более высоких частотах длина этого отрезка становится />Я/4, что эквивалентно емкости. Это приводит к тому, что в диапазоне частот эквивалентная схема фильтра может измениться;

2) в местах соединения реактивных элементов с линией передачи или элементов друг с другом за счет появления волн высшего порядка образуются дополнительные реактивности, которые могут изменить параметры фильтра.

Конструкции волноводных фильтров. В наиболее распространенных конструкциях фильтров на основе коаксиальных волноводов для реализации последовательных индуктивностей применяются короткие высокоомные отрезки линий передачи, нагруженные на сопротивления значительно меньше волнового. Роль малого сопротивления выполняют утолщения центрального проводника коаксиала, одновременно являющиеся параллельной емкостью.

На рис. 7.39 приведен пример возможной реализации ФНЧ, использование которого возможно на частотах от 500 МГц до 10 ГГц. Отрезки коаксиального волновода с большим и малым сопротивлением подбираются так, чтобы их длина не превышала 1/8 длины волны на граничной частоте. Внутренний коаксиальный волновод крепится и центрируется с помощью диэлектрических колец.

При рассмотрении конструкций фильтров на основе прямоугольных волноводов необходимо иметь в виду то, что волноводы обладают свойствами фильтров верхних частот, так как не пропускают частоты ниже критической. Однако волноводы позволяют также реализовать и ФНЧ, но для этого необходимо изготавливать их рифлеными (рис. 7.40, а) (с канавками в широкой стенке) или вафельными (рис. 7.40, б) (с продольными и поперечными канавками в широкой стенке).

При реализации ФВЧ на основе коаксиальных волноводов роль параллельных индуктивностей выполняют короткозамкнутые отрезки высокоомных линий, ответвляемые под прямым углом от основной линии. Последовательные емкости получаются в резуль-