1.3.10.5. Фільтри на діелектричних резонаторах (фдр)

Зазначені фільтри реалізовано у хвилевідному, коаксіальному та мікросмужковому виконанні. Вони бувають одно- чи багатоланковими, працюють на частотах від сотень мегагерц до ста гігагерц, мають смугу пропускання від десятих часток до десятків відсотків, пропускають з малими втратами НВЧ потужність до декількох десятків ват. У сантиметровому діапазоні хвиль вони мають найменший габаритний індекс втрат порівняно з усіма іншими типами фільтрів.

Принцип дії СПФ оснований на використанні частотно-вибіркового зв’язку через один чи декілька діелектричних резонаторів ЛП, не зв’язаних між собою іншими способами. Діелектричні резонатори (крайні в багатоланкових фільтрах) збуджуються полем хвилеводу чи струмовим збудником (штирем, петлею), що є продовженням провідника коаксіальної чи мікросмужкової лінії. Форма частотної характеристики СПФ визначається настроюванням ДР, ступенем зв’язку ДР між собою та крайніх ДР із ЛП. Резонанси на частотах _в = (1,3...1,5)₀ найближчих вищих типів коливань ДР зменшують крутість ЧХ та зумовлюють виникнення паразитних смуг пропускання.

За характером електромагнітних процесів у ланках ФДР їх можна поділити на два основні типи.

Перший тип – це смугово-пропускні фільтри із «хвилевідно-діелектричним резонатором», сконструйовані з відрізків позамежних хвилеводів з діелектричними ( = 10...15) вкладками, що не є резонаторами. Ці фільтри мають трохи менші габаритні розміри та втрати, ніж звичайні фільтри на позамежних хвилеводах. Методи розрахунку й особливості конструкцій таких ФДР досить добре розроблено. Для мікроелектронних пристроїв ці фільтри практично непридатні.

Д ругий тип – це смугово-пропускні й режекторні ФДР, ланками яких є відрізки ЛП із включеними між ними ДР «класичної» форми (диск, паралелепіпед і т. ін.) з  = 40...80. Такі фільтри найбільш придатні для мікроелектронних ПНВЧ. Їх можна реалізувати не тільки в мікросмужковому виконанні, але й у хвилевідному та коаксіальному.

Рис. 1.87

Для прикладу на рис.1.87 показано конструкцію СПФ із ДР у формі паралелепіпедів 1, що приклеєні (пригвинчені діелектричним гвинтом) до підкладки 2. Резонатори збуджуються штирями 3. Конструкцію поміщено в корпус 4. який утворює позамежний хвилевід. Фільтр настроюють підточуванням ДР, невеликим зсувом їх щодо розрахункових положень, наближенням до них неоднорідностей.

Найменший габаритний індекс втрат мають ФДР другого типу з поміщеними в співвісний круглий екран дисковими ДР, у яких збуджуються коливання типу Н₀₁₁. Довжина ДР дорівнює L = 0,5₀/, а відстань між ними l = 0,25₀/. У таких СПФ втрати становлять декілька десятих децибела в центрі смуги пропускання на СМХ; вони можуть мати як вузькі (менше 1 %), так і широкі (до 10 %) смуги пропускання. Смугу пропускання зручно регулювати зміною ступеня зв’язку між ланками, оскільки ДР поміщено у втулки з нарізним з’єднанням.

Рис. 1.88

Типову конструкцію таких багаторезонаторних СПФ зі співвісним розміщенням ДР показано на рис. 1.88, де 1 – вхідне та вихідне коаксіальні рознімання; 2 – ДР; 3 – діелектричні втулки, що утримують ДР у корпусі (екрані); 4 – діелектричні підкладки; 5 – смужкові виводи енергії, концентричні циліндричній поверхні е крана (півпетлі); 6 – металевий екран. Екран складено зі згвинчених між собою циліндричних секцій за кількістю ланок фільтра.

У процесі настроювання фільтра секції можна зміщувати в невеликих межах одну відносно інших, таким способом регулюючи зв’язок між ланками.

Характерною рисою широкосмугових ФДР є менша крутість високочастотної гілки ЧХ ослаблення внаслідок зменшення ефекту позамежності на верхніх частотах.

Розглянемо способи поліпшення деяких характеристик ФДР. Втрати в смузі пропускання СПФ можна зменшити, застосовуючи ДР із матеріалів із рисим tg та віддаляючи ДР від стінки екранів, виготовлених із добре оброблених металів із високою провідністю.

Кількість паразитних смуг пропускання зменшують такими способами: уведенням неоднорідностей у ДР для зсуву власних частот вищих видів коливань у більш високочастотну область; використанням різнорідних ДР з однаковими власними частотами основного типу коливань і різними  вищих; застосуванням стрижневих ДР і коаксіальних із зазором.

Частотну вибірковість (крутість схилів ЧХ) фільтрів на ДР поряд зі збільшенням кількості однотипних ланок можна підвищити, застосовуючи двомодові ДР; підключаючи додаткові ДР, що дають сплеск ослаблення (режекцію) на заданих частотах схилу ЧХ; використовуючи зв’язки цього резонатора не тільки із сусідніми, але й з іншими (ЧХ еліптичного типу); установлюючи у хвилевід ДР, зв’язані через один із поперечною та поздовжньою складовими поля хвилеводу.