автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Перестраиваемые феррит-диэлектрические резонаторы и фильтры для работы на высоком уровне СВЧ мощности

Р г б оа

1 П MÏ?

На правая рл<описи

ПЕЕЕСЕРАИЕЯЕЗЕ ФЕРРИТ- ЛЯЭЛЕКТИ1ЧЕШ1Е РЕЭЗНАТСШ

и фильтры дгя рлшш на и-хшси урсше сбч ксзнссга

СпехгтаяьЕОсть 05. 12. 2i -

Рзл.1 'отехштчестске систеш спе-ш-гальпого назначения, включал ТеКШПСУ СЕЧ II ТОХТОЛСП-.О 1ГЛ ПРСЙЗЕСДСТВЗ

АВТОРЕФЕРАТ днссертапки на соксканке ученой степени кандидата тезшзческик нале

Нопос1!б1!ра< - 1995

Работа ш-кшк&нз в Коьосизжг«*! кзучгао-иссйгдовлтель-

скои институте ж^нъытелыш пш^ороз.

Научныл рисогакпгвд - «о:схор теж1ычгск1хк пзив

еройссор копийэе.п Е. ю.

о^шшзлыше ошюнкпьз: - доктор те^^пасгаи вгп',

классе? Пэтроб Е Я,

- кг^и^тт ТС-ЕН^Г^СКЗК а^ук, с. н. с, Чз?яолс-рао15 л. г.

:жшпут В. Я доздезода»

г. Томск

Заажи сосюжся ____1995г. б час,

на ¡заседании жюсерхашошюго совета Д 053. с,«. Со в Коесса-гсслДзрс-хБеыис.^ гахалчесгоуз уи^^г-с^ггсхе.

Л/;рес: 6X092, г. побоскс^рск, пр, К. йзисса. 20.

С шссертацксй кссшо оззэксяяся в бх&пг/гске уш^ерсете: Ль'юг^грат Разослан ...........1995г.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ- Возмкшая в связи с увеличением числа радиоэлектронных средств (РЭС) проблема электромагнитной совместимости ОЮ РЭС сформулировала систему норм и требований к параметрам радиоизлучений и приёма РЭС. гарантирующую заданное качество приема полезного сигнала в типовой электромагнитной обстановке сэмОэ. Однако услокшение ЭМО в точкв приема сигнала ставит задачу поиска эффективных методов работы радиоэлектронной аппаратуры в условиях непреднамеренных потерь- Одним из таких способов является использование перестраиваемых по частоте по-лосно-пропускаюших фильтров <ППФ>. устанавливаемых как на входе приемника, так и на выходе передатчика- Это делает актуальным разработку универсальных ППФ. сочетающих в себе требуемые характеристик по избирательности, потерям в полосе пропускания, уровню подавления нежелательного сигнала, точности и скорости установки требуемой формы АЧХ е заданную частотнуп точку с возможностью работы з передающих каналах- где уровни средней СБЧ мощности могут быть более 5оо Вт- Для обеспечения работы перестраиваемого ППФ на высокой уровне мощности с БУМ) желательно исключение настроечных элементов, что диктует необходимость создания строгой модели базовых резонансных структур; обеспечение эффективного теплоотвода и исключение локальных перенапряженное!ей поля накладывает дополнительные условия на выбор оптимальной структуры резонатора; невозможность численных исследований по электропрочности, нелинейным явлениям, температурным уходам резонансной частоты диктует необходимость проведения экспериментального изучения этих вопросов- Поэтому комплексное теоретико-экспериментальное изучение упомянутых проблем является актуальной задачей дайной работы-

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ- Цель диссертационной работы состоит в разработке методов расчета и принципов использования перестраиваемых внешним магнитным полем запредельных феррит-дга-лектричеекчх резонаторов сфДРэ и фильтров на их основе для работы на высоких уровнях СВЧ мошлости. экспериментальное исследование и практическая реализация таких фильтров в СВЧ диапазоне-

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач, основными из которых являются:

- построение электродинамической модели как одиночного, так и связанных ФДР;

- исследование и анализ зависимостей основных характеристик ул-

равляемого ФДР. а также распределения парциальных мощностей-структуры электрического и магнитного полей ФДР от геометрических и электромагнитных параметров сред, заполняющих резонатор;

- синтез перестраиваемых фильтров на основе запредельных $ДР с оптимизацией по выбранным критериальным оценкам;

- экспериментальное исследование вопросов температурной нестабильности. нелинейных явлений, электропрочности ФДР. построение практических конструкций, использующих результаты теоретических исследований, рекомендации по использованию ФДР и фильтров на их основе в РЭС СВЧ диапазона-

НАУЧНАЯ НОВИЗНА- Оснобныз положения. определяющие научную новизну исследования, состоят в следующем- предложена электродинамическая модель, с учетом вьсиих типов ьолн. применительно к продольно-неоднородным поперечно-намагниченным феррит-диэлектрическим структурам в запредельной прямоугольной волноводе:

- введен для оценки качества ФДР обобщенный параметр, учитывающий собственную добротность и диапазон частотной перестройки резонатора и позволяющий обосновать выЗор оптимальной структуры;

- пол учены твыз результаты го распределению парциальных мощностей и поперечных составляющих электромагнитного поля ФДР-позволяющие прогнозировать работу резонатора на В УК;

- предложены методы синтеза перестраиваемых фильтров с запредельными ФДР на основе графоаналитических данных и с помощью эквивалентных резонансных схем и последующей численной оптимизацией по Еюранным критериальным оценкам АЧХ фильтра;

- экспериментально исследованы явления нелинейного роста потерь я электропрочности запредельных ФДР на вьсоком уровне СВЧ 1Мощ-кости. впервые определены предельные характеристики ФДР на ВУМ. лреддожекы реальные пути повышения порога нелинейных явлений и злектрокрочгости в перестраиваемых фильтрах с ФДР данного класса-

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы состоит в следующем-- разработай кмдаеко машинных программ для расчете, основных характеристик включая структуру полей- позволяющий автоматизировать проектирование устройств на их осноЕе-,

- проведены экспериментальные исследования температурных уходов резонансной частоты ФДР- предложены и реализованы способы тер-ксстабллнзгши резонаторов с ферритовыки включениями;

- выработаны рекомендации д,пя многозвенных феррит- ^электрических фшь7?1гв по обеспечению требуедаго уровня пл^аеленмя сигнала на частотах -г-ей гардамиж.

- проведены экспериментальные исследования по порогу нелинейных явлений и электропрочности: полученные результаты показывают, что перестраиваемые запредельные ФДР обладают рекордным значением по уровню пропускаемой СВЧ мощности среди известных к настоящему времени конструкций управляемых по частоте резонаторов;

- реализованы перестраиваемые многозвенны? феррит-диэлектрические фильтры на запредельном прямоугольном волноводе на частотах диапазонов р. о и н для применения в связной аппаратуре-

Материалы исследования реализованы при выполнении НИР и ОКР в НИИИП сг-Новосибирск^- Практическое использование результатов и выводов диссертации подтверждается соответствующим актом внедрения-

АППРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ- Основные положения диссертации докладывались на Всесоюзной научно-технической^конферен-ции "Перспективы развития антенно-фидерной техники и ее элементной базы" ср. Суздаль. 1ээг г-э. з-ей Научной школе-семинаре "Проектирование оптимальных СВЧ фильтров с использованием ПЭВМ" сг-Звенигород, хээг г-э. з-ей Крымской Международной конференции "СВЧ-техника и спутниковый прийм" с г. Севастополь•■ 1993 г-э. Международной конференции по системам связи мюгэз с Куала-Лумпур. Малайзия. 1ээзг-^. Российской НПС "Информатика и телекоммуникационныз системы" сг-Новосибирск. 199* г-з

Основные материалы диссертации опубликованы в статьях и тезисах к Российским и Международашм конференциям в странах СНГ. Индии. СМ. Германии и Малайзии п-т.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ- Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения и приложения- Она содержит страниц основного текста. 54 страницы рисунков, графиков и таблиц, з страниц приложений- Список литературы включает эг наименования-

ОСНОВНЫЕ ПОЛОШИ«! ВШШЗЗ.Е НА ЗЛНМП/:

1. Электродинамические модели одиночного и связанных ФДР с составной трехслойной структурой: феррит-диэлектрик-феррит;

з. Методику анализа перестройки частоты ФДР на основе обобщенного критерия оптимальности;

з. Результаты исследования по распределению парциальных мощностей и поперечных составляющих электромагнитного поля ФДР, позволяющие качественно прогнозировать работу резонатора на высоком уровне СВЧ мощности;

Методику синтеза перестраиваемых фильтров с запредельшда

ФДР на основе графоаналитических данных и с помощью эквивалентных резонансных схем и последующей численной оптимизацией по выбранным критериальным оценкам АЧХ фильтра.

з. Результаты исследования на высоком уровне СВЧ мощности предельных характеристик Ф£Р данного класса.

КРАТКОЕ СОДЕРШШЕ РАБОТЫ. Во введении сформулирована проблема, обоснована ее актуальность и определен круг вопросов подлежащих исследованию-

В первой главе формулируются требования- который должны удовлетворять управляемые ППФ. используемые в качестве функционального устройства в передающем тракте РЭС и проведен анализ современного состояния теории и практики перестраиваемых фильтров с точки зрения возможности работы на повышенных уровнях СВЧ мощности- Сравнительный анализ среди управляемых различными способами сэлектромеханический. электрический, магнитный^ фильтров показал, что наиболее полно сформулированным требованиям удовлетворяют запредельнш фильтры СБЧ с магнитной перестройкой-

Сравнительная оценка различных методов расчета и проектирования электродинамических систем СВЧ диапазона применительно к волноведущим структурам с гиромагнитными средами показала, что для исследуемых ФДР метод частичных областей сМЧСР. позволяет получить результаты с относительно высокой точностью при небольшом объеме оперативной памяти ЭВМ-

В заключительной части главы 1 дается конкретизация решаемых в работе задач в рамках МЧО-

Вторая глава посвящена выбору структуры ФДР- Исследуется прямоугольный волноеод с двумя симметрично расположенными ферри-товыми пластинами, между которыми находится изотропный диэлектрический слой- Пластины намагничены либо в одинаковых с взаимный случай^, либо в противоположных снеззаимный случаю направлениях в плоскости перпендикулярной направлению распространения волны срис-15-

Дяя осуществления частотной перестройки резонатора на запредельном волновода необходимо изменять фазу ьа выходе залсс-дельного отрезка волновода- В этой связи в перестраиваемом 'ЭДР монаю выделить управляемый элемент в еидо. ферритового фазовращателя- чей фазог-ый сдвиг определяется как: д» ^ зьо л™ ц--а. где ¿л, - к. < = л. ь - длина .участка с феррнговии за-

ло я некие«. и /}, - лостоащдое распространения водны основного . тип:: при ненанагничекнм! и намагниченной 40 насыщения ^ерритевих

пластинах, соответственно- Очевидно, что значения <ч> определяют диапазон частотной перестройки ФДР- Другим важным параметром, характеризующим качество резонатора, являются потери «. В расчет принимались диэлектрические потери феррита л центрального изотропного слоя, магнитные потери диагонального и недиагонального компонента тензора магнитной проницаемости феррита- Проведенные численные исследования значений « и др в широком диапазоне изменений геометрических размеров феррит-диэлектрической структуры показали:

- для взаимного случая намагничивания ферритовых пластин, с точки зрения минимума потерь и максимума управляемого фазового сдвига, наиболее еыгодной является структура с ферритовьми пластинами прилегающими к боковым стенкам волновода;

- для невзаимного случая намагничивания ферритовых пластин, с этой же точки зрения, оптимальной является структура с ферритовьми пластинами, скещзнньми относительно боковых стенок волновода на величину »-/а = 0,13-0,20 в зависимости от диэлектрической проницаемости центрального слоя;

- если рассматривать структуру с ферритовьми пластинами прилегающими к боковым стенкам волновода, то для взаимного случая значения д-р на з - ю;: превышают соответствующие значения Др для невзаимного случая при той же геометрии структуры-

•Для окончательного выбора варианта построения ФДР проведен тепловой расчет фсррит-диэлегарической структуры в случае, когда ферритоЕъгз пластины прилегают к боковым стенкам волновода и в случае, когда между ниш имеется определенный зазор- Сделан вы-еод, что с целью возможности работы на ВШ предпочтительней является конструкция ФДР с прилегающими к 6окоеьм стенкам волновода ферритовьми пластинами-

В третьей главе разработана электродинамическая модель запредельного ФДР с поперечно намагниченными ферритовыми пластинами, расположенными вдоль боковых стенок прямоугольного волновода с рис-В соответствии с МЧО исследуемая область разбивается на элементарней подобласти, представляющие собой отрезки регулярных линий передачи- В каждой из выделенных подобластей поперечны) компоненты электромагнитного поля Е= и Нх представляют собой суперпозицию падающих и отраженных волн- Налагая граничнга условия в сечениях раздела сред с различными проницаекостяки и в сечениях регулярный^запредельный волноеоды. сводящиеся х непрерывности составляющих Е2 и Нх и. используя свойство" ортогональности собственных функция распределения поля в каждой из под-

областей, приходи« к системе 'линейных алгебраических уравнений сСЛАУ-» относительно . неизвестных амплитуд падающей и отраженной

ВОЛН:

__ ОО

6 , + А В ^ в, [В + в" ]

I к к £ кт т т

»

-6 , + А~ = ) у. 1-В+ + В~]

»к к Д кт т та

+ ^аЛ ? + + - -

В, в + В в * = \[С , 01 + С , с. . ]

к к £ тк тк тк тк

тз 1

-Вка

>СС Г) . + С Г) . 1

' т тк. т тк

п-1

\1С* ат + С а е 3 = Р* + Ц

Ц т тк т тк к к

"да1 -1/э а а

* С* * ♦ С" г>> ^ 1 - + О"

¿л т тк т тк к к

п= 1

А т+ "-»»„Л + „

0Х Ю е * О е

кт т щ

V, ( О в к т пг.

-"»..Л

+ О в

т

'] ■ - е,

где; <5,к - символ Кронекера-

С1Э

= Г саС>0 с!х;

-п ^ к т

(К 'р.

О-, = Г *"СхЭ *>?СхЭ ах;

тк Л т к

"тк Л?;

здесь: ^схз С1 = 1,2,.. э - функции распределения попере-

чного электрического поля в подводяшрм и запредельном волноводах в классе Нпо; ^схэ. агсхэ - функции распределения поперечного электрического и магнитного поля в волноводе с ферритом для пря~ мой ¿знак "+■■:> и обратной сзнак "-"э волн; а", в*. с*. о* и е* - амплитуды падающих и отраженных волн в соответствующей из под-

областей; 0,

» к ' ' 2 к '

- постоянные распространения волн в под-

водяшвм. запредельном и в частично заполненном ферритом волнова-> дах. соответственно-

Для оценки резонансных свойств исследуемой феррит-диэлектрической структуры предлагается воспользоваться упрошенной моделью ФДР.без элементов связи на входе и выходе резонатора- В этом случае последовательное использование МЧО приводит к более простой СЛАУ относительно неизвестных амплитуд в* в волноводе с ферритом:

А

а

V + + — —

) СВ Со - 77 . Э + В Со , ¿^ т тк тк т тк

"I1 * * * - -

> !В © Са , +>7,3+0 в • Са , + г? 31=0

п> тк тк ™ тк тк

Резонансные частоты ФДР находятся из совместного решения системы дисперсионного .уравнения и характеристического уравнения. полученного из условия существования нетривиального решения СЛАУ сгз.

Проверка адекватности электродинамических моделей проведена путем сравнения полученных результатов с данными вычисления по методу конечных элементов и экспериментальным путем- Полученные данные по комплексному коэффициенту отражения позволяют утверждать. что при расчете АЧХ ФДР достаточно ограничиться в со учетом ближайшей волны высшего типа Нэо для получения результатов. удовлетворяющих инженерную практику-

С целью оптимизации конструкции ФДР срис-гэ проведены численные исследования диапазона частотной перестройки, собственной и нагруженной добротности, частотных характеристик резонатора в широком интервале изменения геометрических и электромагнитных параметров заполняющих сред- Для количественной оценки качества' перестройки частоты <МР. необходимо ввести дополнительный параметр. учитывающий особенности изменения диэлектрических и магнитных потерь при изменении частоты- Для этого предложен обобщенный критерий к(5пт = аг <эо . где: лг - относительный диапазон перестройки; оо - собственная добротность- Обнаружены явно Еыра-женныз максимумы этого параметра, позволяющие вьйрать оптимальную геометрию ФДР с двумя поперечно-намагниченными ферритовыми пластинами, расположенными вдоль .узких стенок волновода срис-зэ.

Для прогнозирования работы перестраиваемого запредельного фильтра при повышенном уровне мощности необходимо знать распределение напряженности поля в поперечном-сечении» что позволяет выделить наиболее "слабые" места с точки зрения электрического пробоя-' Кроме того, информация о структуре электромагнитного поля в прямоугольном волноводе с намагниченным ферритом важна для более глубокого, понимания происходящих е нем нелинейных процессов. Приведенные в работе характеристики распределения парциальных мощностей з поперечном сечении ФДР на резонансной частоте в зависимости от нормированной толщины феррятовьгх пластин «--"а показывают. что наличие диэлектрика между ферритовыми пластинами приводит к перераспределению парциальных мощностей в рассматриваемой структура- ^следствии чего с ростом диэлектрической прогаше-

мости происходит уменьшение диапазона перестройки ФДР. Отмечается резкое увеличение мощности в ферритах при заполнениях > о,г.

В заключении главы представлены распределения поперечных компонент электромагнитного поля Е2 и Нх вдоль резонансной структуры- ¡Сак известно, при перестройке ФДР внешнее магнитное поле наиболее сильно воздействует на недиагональный компонент тензора магнитной проницаемости феррита ра- Поэтому представляет интерес рассмотреть влияние данного параметра на распределение компонент Еи Нх- Установлено, что по мере роста значение максимума электрического шля Ег в центре ФДр снижается- Это обуславливает снижение нагруженной добротности резонатора при фиксированных длинах запредельных участков волновода- Отмечается. что при перестройке ФДР. в.диапазоне изменения = о -0.75, хил колебания в резонаторе остается неизменным и соответствует волне Н101 при ^а < о л 5. с увеличением заполнения феррита в ФЛР возникают резонансы. имеющие несколько вариаций поля по длине и. Характерны для этого случая две тенденции-Во-первых, с ростом заполнения происходит "расщепление" максимума электрического поля и растягивание его ферритовыми пластинами, расположенными вдоль узких стенок волновода- Концентрация поля в феррите возрастает, что приводит к увеличению диапазона перестройки- но одновременно и к снижению электрической прочности- Во-вторых, увеличение толщины феррита приводит к появлению нескольких вариаций поля по длине резонатора и колебания можно идентифицировать как квази-Н10гч • Отметим еше одну особенность ФДР при его перестройке с заполнением феррита ь^а > о.г и длиной вкладыша ¿/а г- 0,75. при небольших длинах ¿/а, резонатор резонирует на основном типе колебания квази-Н101. С ростом ¿/-а, резонанс на волне квази-Н1С1 смещается вниз по частоте и переходит в запредельную область. Основным типом колебаний в этом случае становится цолна квази-Н10г. Дальнейший рост длины ¿/а приводит к возникновению близкоотстоящих друг от друга резо-нансов с числом вариаций поля по длине резонатора г. > з,

В четвертой главе разработана электродинамическая модель связанных ФЛР срмс-4э. предложены два метода синтеза перестраиваемых форрит-дмэлектрических фильтров, проведен анализ частотных характеристик фильтра и вопросы проектирования •магнитных системна оснош МЧО к при допущениях сформулированных в з-ея главе поперечны) компоненты электрического и магнитного полей в каждой из подобластей выражаются в ви^е линейной комбинации по

высшим типам воли- Сшиванием поперечных компонент электрического и магнитного полей на, границах раздела сред с различными прони-цаемостями и в сечениях регулярный'запределышй волноводы, получена система уравнений в матричной форме, связывающая прямые й обратные волны в исследуемой структуре- Определена'сходимость поставленной задачи, проверена адекватность электродинамической модели связанных ФДР путем сравнения полученных результатов по комплексному коэффициенту с данными вычисления по методу конечных элементов и с данными полученными экспериментально- Показано. что при расчете исследуемых структур достаточно ограничиться лишь учетом ближайшей волной высшего типа- Это связано с особенностями рассматриваемых феррит-диэлектрических структур: размеры шлновода и ферритовых пластин выбираются так. чтобы все типы волн Н„0 при ш > 1 на участке с ферритовым заполнением были нераспространяюшими; элементы связи ФДР с подводящим волноводом и межрезонаторныз связи выполняются в виде запредельных отрезков волновода-

Для формирования требуемой АЧХ СВЧ фильтра необходимо обеспечить определенный закон изменения сеязи между соседними резонаторами сколичественно характеризуемая коэффициентом связи . а также между входньм<вькодным резонаторами и подводятей линией с характеризуемая внешней добротностью оеэ. Теоретическое и экспериментальное исследование закономерностей поведения этих параметров для фильтров на основе ФДР позволяет' непосредственно перейти к инх;енерным методам расчета этих фильтров, связав кс и ое с нормированными э-параметры НЧ фильтра-прототипа-

В случае перестраиваемых СВЧ фильтров задача синтеза несколько усложняется, поскольку в процессе перестройки происходит изменение электромагнитных параметров феррита, что неизбежно влечет за собой изменение значений и ое. а значит и формы АЧХ фильтра в диапазоне перестройки- Поэтому анализ поведения и <зй для ненамагниченных феррит-диэлектрических структур с целью определения условий, способствующих стабилизации формы АЧХ, является весьма актуальным- Информация о и ое содержится в частотных характеристиках модуля коэффициента отражения волны

1 о

нитной проницаемости феррита ма на параметры ><с и связанных ФДР- Отмечается довольно хорошая устойчивость к в интервале из-

имя г1''а " и 1г'а~ ^ том случае, если связь феррит-диэлохт-рического элемента с подводящим юлноеодом остается сильной его-

it/a < o.e-o,83 или при достаточно тонких ферритовых пластинах ct/a < 0.15. внешняя добротность Qe также слабо зависит от изменения магнитного состояния ферритовых пластин- Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о возможности построения на основе рассматриваемых 4ДР перестраиваемых СБЧ фильтров со слабо изменяющейся в процессе перестройки формой частотных характеристик-Обнаружена особенность, присущая связанным ФДР. которая ограничивает возможности миниатюризации рассматриваемого типа перестраиваемых фильтров- Она заключается в следующем: увеличение диэлектрической проницаемости центрального слоя ¿д приводит к уменьшению размеров резонансных элементов d/a. но чтобы зафиксировать требуемые коэффициенты взаимной связи, необходимо увеличить длину отрезков запредельных волноводов- В результате для узкополосных полосно-лропускающих фильтров общая длина может возрасти по сравнению с фильтрами, использующими в качестве центрального слоя в резонаторах диэлектрик с более низким ед.

Проверка отдельных результатов расчета проведена в ю-см' диапазоне- Подводящий волновод имел сечение тгхх-? мм. запредельный - 33x17 ми- Ферритовыз пластины толщиной t=3,a мм выполнялись из феррита марки 4cC4s~i =i5,o), а промежуток между феррито-выми пластинами заполнялся фторопластом -а.о. с гоиошыэ автоматического измерителя 1ССВ и потерь определялась частотная зависимость [sti | и затем- вычислялись значения кс и <V Отмечается хорошее совпадение расчета и эксперимента, разница в 'результатах находится в пределах i* и кс ц «^.'соответственно-

Предложены две методики синтеза перестраиваемых СВЧ фильтров с ФДР- Первая методика синтеза основана на использовании фильтров прототипов нижних частот СНЧ5- Заданному распределению нормированных параметров НЧ фильтра-прототипа g0. g,—gNtl соответствуют определенные значения Qe н Количественная зависимость последних от параметров реального фильтра определяется с помощью кривых на графиках, связывающих значения и Qe с геометрией феррит-диэлектрической структуры- Частотные характеристики спроектированного перестраиваемого фильтра при помощи предложенной методмси синтеза, несмотря на приближенность расчетных данных. Еесьма близки к требуемой форме АЧХ. поскольку используемые графические данные рассчитаны в многоходовом режиме- Однако б силу очевидных недостатков; необходимость вычисления большого объема предварительных данных; возможность использования ЭВМ лишь на отдельных этапах процедуры синтеза и др- . предложена еще одна методика синтеза феррит-диэлектрических фильтров, осш-

ванная на использовании эквивалентных резонансных схем-

Структура двух связанных' MP. образующих двухзвенный полосовой фильтр в одномодовом приближении заменяется эквивалентной схемой, состояний из волноводно-диэлектрических резонаторов с плоскими диэлектрическими слоями- Эквивалентная диэлектрическая проницаемость отрезка волновода с феррит-диэлектрически слоем выражается через коэффициент замедления основной волны «ч

£ = т2 + СХ /2ЯЭ : m = í3/k СЗЭ

экь о " * 'о

где: ft - постоянная распространения волны Н10 на участке волновода с феррит-диэлектрическим заполнением; к0 = гп/хо. Далее синтез перестраиваемых феррит-диэлектрических фильтров с запредельными связями разбивается на два этапа: нахождение ориентировочных значений компонент искомого вектора варьируемых геометрических и электромагнитных параметров исследуемой структуры, обеспечивающих выполнение требований предъявляемых к частотной характеристики фильтра; гэ уточнение искомого вектора и формулировка критериальной функции для выполнения машинной оптимизации-Предлагаемая критериальная функция представляется как:

N

FС)0 = иах min £ ^

Г СГ. и. ХЭ

fe Cf ,f ] u E CO,u I „»i ^max

« 2 a ramax

у -—1 }

Г Cf, u . X) J J

С 43

ТСС, и . хэ .ч-» г» а .

где: х = сх( ,х2>.. - набор варьируемых параметров-. сга- -абсолютный диапазон перестройки; - управляемый параметр; Г^ и Гт1п - максимальное и минимальное требуемое значение модуля коэффициента отражения в полосе пропускания и задерживания, соответственно-, N и м - число выбранных частотных точек в полосе пропускания и задерживания, соответственно-

Сформулированы рекомендации, которые позволяют значительно ■сократить машинное время при синтезе рассматриваемых фильтров-Расчеты показали, что лри синтезе многозвенных перестраиваемых фильтров достаточно оптимизировать только размеры входного-"выходного резонатора и степень их связи с подводящим волноводом, оставив размеры внутренних резонаторов и соединяющих их унастки запредельного волновода равными значениям, вычисленным на 1-ом этапе синтеза фильтров-

При исследовании частотных характеристик перестраиваешь феррит-диэлектрический фильтров установлено, что изменением ширины феррит-диэлектрического слоя в небольших пределах или уве-

личениек до некоторого предела диэлектрической проницаемости ед центрального слоя, мокко существенно влиять на распределение полос пропускания на частотной оси- Кроме того установлено, что влияние недиагональнсй компоненты тензора магнитной проницаемости на распределение областей пропускания весьма незначительно-Если характеризовать это распределение отношением рабочих частот блюиайшей побочной и основной полос пропускания f02/f01 • то разница меэду для ненамагниченного феррита и f02/f01 для намагниченного до насыщения феррита составляет не более s*^-

Исследованы некоторые вопросы проектирования магнитной системы перестраиваемого феррит-диэлектрического фильтра- Выработаны конкретные рекомендации для их практической реализации применительно к исследуемым структурам-

Пятая глава посвяшена экспериментальным исследованиям- Для получения количественных оценок о степени пригодности той или иной марки феррита для использовании в №. как базовом элементе перестраиваемого фильтра, проведена опытная проверка параметров более ю различных марок СВЧ ферритов в идентичных условиях- Путем сопоставления физико-технических параметров различных фзрри-товых материалов и результаты экспериментального исследования вкладышей из этих материалов в контрольном резонаторе установлено. что основное шияние на диапазон перестройки ^¡,ер контрольного резонатора оказывает намагниченность данного типа феррита •mJL. а величина собственной добротности Qü резонатора определяется в основном шириной кривой ферромагнитного .резонанса.1 лН->

Для оценки величины температурных уходов резонансной'частоты были проведены экспериментальные исследования для отдельного Ф£Р с различными марками феррита- Экспериментальному исследовании и сравнению бшо подвергнуто е карак СВЧ ферритов поликрис-таллическсй структуры- Максимальный уход частоты при увеличении температуры на ео°с составил ¿fT4 - eos ><Гц с феррит iscmsí. минимальны.'! - д<\ч = ко »¿Гц с феррит 40СЧ6-1Э. Хорошая температурная стабильность феррита 40C4e-i указывает о перспективности его использования в перестраиваемых фильтрах высокого уровня мощности. в связи с чем проведено подробное экспериментальное исследование частотной характеристик Ф/Р с вкладышами из феррита марки ".ccies-i от изменения внешней температуры.

Предложено и практически реализовано несколько способов термосташиишция частотных характеристик перестраиваемых феррит-диэлектрических фильтров, в частности применение составных магнитных систем, последовательное включение по упршшвдик цв-

пям литания цепи токовой термокомпенсации, применение специальной схемы термостабилизации с внешним датчиком температуры., устанавливаемым на корпусе фильтра в непосредственной близости от ферритовых пластин• Установлено, что применение специальной схемы термостабилизации позволило уменьшить максимальный уход резонансной частоты при изменении температуры окружающей среды на 5о°с от 1 за МГц до а МГц-

Экспериментально исследованы характеристики ФЯР на низком уровне мощности в широком спектре изменения геометрических размеров феррит-диэлектрической структуры и в частотном диапазоне вплоть до г-ой гармоники, с целью проверки основных результатов теоретического анализа- Полученные результаты позволяют утверждать. что предложенная электродинамическая многоволновая модель как одиночного, так и связанных ФДР обеспечивает высокую достоверность результатов проектирования-

Особое внимание уделено экспериментальному изучению работы запредельного ФДР на высоком уровне СВЧ мощности- Для исследования нелинейных явлений использовался отдельный феррит-диэлектрический резонатор с ферритовыми пластинами марки 4осЧе-ь Область между ферритовыми пластинами заполнялась фторопластом-. Размеры резонатора - ззх^хвз.з мм. подводящего волновода - 72x34 мм, ферритовых пластин - 12.3x17 мм- Исследования велись на фиксированной частоте в ю-см диапазоне волн при скважности СВЧ импульса о = зз. Измерения проводились следующим образом^ ФДР устанавливался в волноводный тракт на согласованную нагрузку; на вход ФДР. находящегося при естественном воздушном охлаждении, дискретно с шагом 50 Вт подавалась СВЧ мощность на частоте, соответствующей центральной частоте полосы пропускания ФДР при токе в управляющих катушках 1 = о,г А; на каждой ступени-делалась выдержка 15 мин-, затем, с целью компенсации температурного ухода резонансной частоты, путем регулировки величины тока 1. выбиралось максимальной значение прошедшей СВЧ мощности.■что соответствовало условию резонанса ФДР- После этого вычислялись потери на центральной частоте ФДР5 по известной формуле: а = ю 1дсРпрош/Рпад:)-Из полученных зависимостей а от Рпад срис-зэ видно- что с ростом падающей мощности Рпад вначале происходит некоторое снижение вносимых потерь а, обусловленное тепловым нагревом ферритовых пластин и диэлектрика рассеиваемой СВЧ мощностью- Однако, начиная с .некоторого значения РП1Д. увеличение мощности приводит к резкому возрастанию затухания в ад на центральной частоте- Порог возникновения келин«йшх явлений непосредственно зависит от толщины

ферритовых пластин и лежит, соответственно, в области Рпад = з -г.1 кВт для <-'а = 0.04В и Рпад = 1-1.1 кВт для ^а = о. оэ4.

Исследовано поведение прошедшей средней мощности ФДР Рпрош на центральной частоте в зависимости от падающей СВЧ мощности Рпад при различной нормированной толшине ферритовых пластин ^а срис-еэ. Определена электрическая прочность исследуемых ФДР с поперечно намагниченными ферритовыми пластинами- Для нормированной толщины ферритовых пластин ь/а = о,о4б величина пробивной средней мощности Рпро(5 составила 2750 Вт. а для »-^а = о. оде -Рпроб = 1530 Вт- Следов пробоя или разрушения ферритовых пластин не наблюдалось- Характер наблюдаемого пробоя - поверхностный, вдоль раздела сред воздух - феррит-диэлектрический вкладыш-

В заключительных разделах главы обобщены экспериментальные характеристики многозвенных перестраиваемых феррит-диэлектрических фильтров, рассчитанных на основе методик предложенных в диссертационной работе, рассмотрены особенности конструктивного выполнения и даны рекомендации для практической реализации перестраиваемых СВЧ фильтров данного класса-

В заключении перечислены основные результаты- полученные в диссертационной работе-

В приложении приведен листинг программы по анализу ФДР-

ОСНОВНЬЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДОССЕРТАЩЮННОИ РАБОТЫ.

1- На основе метода частичных областей предложена строгая электродинамическая модель запредельного феррит-диэлектрического резонатора- Для оценки качества ФДР введен обобщенный параметр, позволяющий обосновать выбор оптимального варианта построения ФДР- В 'многоволновом приближении исследованы частотные характеристики резонатора и выявлены особенности его поведения- Исследованы распределения мощности и поперечных компонент электрокаг-нитного поля внутри ФДР с целью прогнозирования работы резонатора при повышенных уровнях мощности- .Выявлена сложная взаимосвязь между распределением полей и энергий внутри ФДР с реализуемым диапазоном частотной перестройки и избирательностью резонатора-

г. Предложена многоволновая электродинамическая модель связанных ФДР- На основе данной модели исследованы зависимости коэффициента связи и внешней добротности % от геометрических и электромагнитных параметров связанных ФЛР- Проведено сравнение двух методов синтеза рассматриваемого класса перестраиваемых фильтров; графоаналитического и метода основанного на даполь?о-вашш эквивалентных резонансных схеи с последующая каашннол «л-

типизацией ло критериальной функции, учитывающей реализуемые значения потерь в полосе пропускания и заграждения, избирательности и диапазона частотной перестройки фильтра и. вместе с тем. обладающая хорошей обусловленностью- Рассмотрены некоторыз.особенности синтеза исследуемых фильтров на ЭВМ. позволяющие значительно сократить затраты машинного времени для многозвенных фильтров-

3. Проведено исследование частотных характеристик перестраиваемых феррит-диэлектрических фильтров с целью выявления наиболее существенных факторов, влияющих на распределение полос пропускания и заграждения в частотной области, уровень подавления гармонических составляющих сигнала, а также с целью проверки основных результатов теоретического анализа-

4. По критериям максимального диапазона перестройки ¿г и максимального значения собственной добротности % резонатора проведены экспериментальные исследования более ю марок СВЧ ферритов, выпускаемые в настоящее время отечественной промышленностью и даны соответствующие рекомендации по их использованию в ФДР-

з. Проведены экспериментальные исследования влияния температуры на основные характеристики ФДР с различными ферритовыми материалами- Предложены и практически реализованы несколько способов термокомпенсации температурных уходов резонансной частоты ФДР-

е- Проведены экспериментальные исследования работы ФДР на высоком уровне СВЧ мощности- Порог нелинейных явлений для ФДР с поперечно намагниченными ферритовыми пластинами, марки 40СЧе-1 и центральным слоем из фторопласта, в зависимости от толщины фер-риговых вкладышей, лежит в пределах 1,1-2,1 кВт средней мощности сзб,б—7о кВт импульсной мощности^ • Полученная в эксперименте предельная электрическая прочность для ФДР равна 2.75 кВт средней мощности с при толщине ферритовых пластин <.=1,6 нм> и 1.зэ кВт с при г м р. Достигнутые уровни по порогу нелинейных явлений и электрической прочности является в настоящее время самыми высокими из всех имеющихся типов перестраиваемых фильтров рассматриваемого класса-

7. Разработаны рекомендации по рациональному конструктивному выполнению перестраиваемых феррит-диэлектрических фильтров-Предложена методика настройки таких фильтров, позволяющая в небольших пределах устранять влияние технологических разбросов параметров феррита и погрешностей изготовления-

ПУБЛИШШ ПО ТЕМЕ Д ИССЕРТАЦИИ.

1- Беленький В-Г-. Капилевич Б-Ю- Оптимизация запредельного

волноводио-ферритового резонатора- - НЖ "Перспективы развития антенна-фидерной техники и ее элементной базы"- Тез-докд-гз сент- - г окт-. ^эг. г-Суздаль-

г. Беленький В. Г, Клпилевич Б.Ю. Анализ феррит-диэлектричес-icoro -резонатора на запредельном волноводе- - з-д Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и спутниковый прием"- Тез. докл. го-аз сент- lass, г-Севастополь-

3. В. У a. Kapi levi ch, V.Belenky and A.R.Tharek Magnetic tunab-ie ferrite filters for adaptive communication systems. - Proc. IEEE Malaysia Int. Corif. on Comir.un. ,Kuala-Lumpur . pp. B6.1. 1 -7,1S93.

4. B. Yu. Kapi levi ch, V.Belenky Numerical analysis of the characteristics of TE-modes in waveguides below cut-off inhomogene-ously filled by transversely magnetized ferrito slabs. - 4th Int. Syrr.p. on Racent Advances in Microwave Technology. 15-1Й Dec. , 1S93, New-Delhi, India.

5. B. Yu. Kapl I evi ch, V. Balenky and A. R. Tharek Scattering of electrc^agnalic waves by ftsrrit© i.nd dielectric cylinders in rectangular waveguides. - Electrica Journal of UTM, 1993, Kuals-Lum-pur , Mai ay^i a.

е. Беленький В.Г. Анализ собственных колебаний запредельного Еолноводно-ферритоЕого резонатора. Вопросы специальной радиоэлектроники, сер. РЛГ, вып.г, 1&ЭЗ.

7. В. Yu. Kapilevich, V.Belenky and A.R.Tharek Magnetic tunable rr.lcrowave filters for increased power handling capacity applications. - SPIE'S Int. Syrr,p. "Intense Microwave Ful sen", 224 -A- w I

Z 9 Jan., 1G9-1, Los-Angeles, USA.

s- Беленький В-Г-. Капилзвкч Б-Ю- Характеристики связанных феррит-диэлектрических резонаторов в запредельном волноводе- -27-я НТК по теории и техника антенн, гг-га авт. ioa<i, г-Москва-

э. Беленький В-Г- • Калилевкч Б-Ю- Электродинамический анализ связанных феррит-диэлектрических резонаторов в запредельном волноводе. - Российская НТК "Информатика и телекоичуникациоингв системы"- Тез- докл.. 27-20 аир- .1934, г-Новосибирск-

ю. Бедпнышй 3-Г- > Капилеви'ч Б-Ю- Синтез кагнито-пзрестраи-ваемых СВЧ фильтров на оснскз запредельных волноводно-форрито-вых резонаторов- - Российская НТК "Информатика и телекоммуникационные системы"- Тез-докл-. 27-?.a anp-.iso-i, г Новосибирск-

11. В. Yu. Kapi 1 evich, V.Belenky and 4.R.Tharek Tuning cha-ractorebtics of coupled evanescent mod© waveguLdo-ferrlte resonators.- Gth Microwave arid Optroriic Int Congress, 30 May-i June, 1993, Einrielfinqen, Garn.ariy.

tH t H

I о I о

С /J о о « g 9 с fj о о

h а Л-» (h [

tH I H

I o jo

с и <УО Cf/c С fj 9 9 О/ e ц о о

t h à t t h

рис ■ Ъ

-го -

а

1 IKxwx.rP

i.

il

«. дБ

. i..

рис- i

t/a=0. 094

t/a=0. 046

рпад- кВт

lili II_l__l_i__I_L

1 .

рис • 5

1 .

p , кВт

npoai

t.-"a=0. 016

t/a-O. 034

1____I_____I__I___I_____1_

1 .

ГНС ■ O

; - ПаД , , i :

кВт

2