согласованной нагрузкой, рабочая точка на круговой диаграмме (рис. 3.2а) смещается из тючки О, ооотеетотвующей согласованной линии, 3 точку а, где у-\-12, по пути, соответствующему единичной нормированной активной проводимости. Полная проводимость вдоль волновода в направлении к генератору (будег иаменяться так, как указывают точки, лежащие на омружности постоянного коэффициента отражения (иля иостоянного коэффициента бегущей волны), обозначенной на диашрамме буквами аЬс.

На расстоянии -Л от второй диафрагмы (точка Ь), реактив-16

пая проводимость обратится в нуль, а активная проводимость станет минимальной. При дальнейшем движении вдоль волновода активная и (реакгивн.ая црюводимости будут возрастать до тех пор, иска на расстоянии - Л от диафрагмы (точка с) активная проводи-8

мость обратится в единицу. Величина реактивной проводимости в точке с будет равна проводимости в точке а, но будет иметь противоположный знак. Если теперь на расстоянии - Лот диафрагмы

С проводимостью г/2 ввести индуктивную диафрагму с проводимостью yi, то рабочая точка из точки с сместнтоя обратно втонку О, соответствующую поашому ооглаюованию или peBowaiHcy.

Если т€(перь 1И31м€Яять рабочую ча(стоту, то точка О будет neipe-мещаться вдоль кривой db. Уменьшение- рабочей частоты относительно резонансной уменьшает электрическую длину резонатора, так что точка с сдвигается в точку с, а течка О в точку 0\ При этом входная проводимость резонатора будет иметь индуктивный характер. Увеличение частоты относительно резонансной приведет к увеличению электрической длины резонатора, в результате чего точка с переместится в с , а О в О , это означает, что на частоте вьвше резоианснюй тхадаая проводимость резон1ато1ра будет иметь емкостный характер. Таким образом, изменение частоты приводит к появлению нескомпенсированных реактивных проводимостей, которые создают реактивные потери.

Увеличить крутизну частотной характеристики можно, увеличив реактивные проводимости yi и у2. Увеличение проводимостей приведет к смещению точек а и с в область больших проводимостей, где небольшие изменения по частоте будут соответствовать сравнительно большим изменениям полной проводимости резонатора.

Из круговой диаграммы ясно, что резонансное расстояние между реактивностями зависит от величин реактивностей. В пределе оно изменяется от четверти длины волны (при малых реактивностях) до половины длины волны (при величинах реактивностей, стремящихся к бесконечности).

Работа емкостного резонатора объясняется аналогично с помощью круговой диаграммы рис. 3.26. Здесь первый резонанс возникает, когда расстояние между реактивностями i/i = y2=i2 (или

точками а и с на круговой диаграмме) будет равнй -Л. При рос-

те величины реактивностей это расстояние будет стремиться к нулю. Обычно в перестраиваемых фильтрах нормированная реактивная проводимость диафрагм составляет 5-10, поэтому располагать их на 1м.алых раостояниях нельзя ш-аа гаоявлення взаимного /влияния. В этом случае расстойние между реактивностями увеличивается на половину длины волны. Резонатор получается несколько длиннее полуволнового и работает на частоте второго резонанса.

В общем случае расстояние между реактивностями индуктивного и емкостного резонаторов / определяется из формулы

2п1 , ,2 -= п я -fare tg -

Ло у

(3.1)

у - величина нормированной проводимости; п=0, 1, 2, 3...; ,

Ло -( реаоианюная длина оояны в волншсйе.

Работа индуктивно-емкостного резонатора иллюстрируется с помощью круговой диаграммы рис. 3.2в. Здесь, как и в случае индуктивного резонатора, точка а соответствует входной проводимости согласованного волновода в сечении, где включена индуктивная проводимость .(/2 =-г2. В этой точке у=1-i2. Перемещаясь вдоль волновода в сторону генератора на расстояние, равное половине длины волны, мы попадем в сечение с, где вновь полная входная проводимость будет равна 1-i2. Если теперь в этом сечении включить емкостную проводимость i2, то она компенсирует индуктивную составляющую, и полная проводимость будет равна проводимости согласованного волновода. Рабочая точка на диаграмме сместится в центр. Повторяя прежние рассуждения, можно установить, что в случае индуктивно-емкостного резонатора резонансное расстояние между реактивностями не зависит от величины реактивности и точно равно половине длины волны в волноводе.

Можно показать [3], что рассмотренные выше резонаторы эквивалентны параллельному контуру, включенному в линию параллельно, или последовательному контуру, включенному в линию последовательно. Параметры резонатора или эквивалентного контура (нагруженная добротность, потери и др.) определяются параметрами реактивностей.

Настройка рассмотренных резонаторов состоит в компенсации отражений от реактивностей как по амплитуде, так и по фазе. Для индуктивного и емкостного резонаторов компенсация отражений .по амплитуде всегда выполняется, так как реактивности, образующие резонатор, равны по величине. В этом случае настройка в резонанс сводится к компенсации отражений от реактивностей по фазе.

Рассмотрим теперь, как происходит настройка или перестройка резонаторов. Когда речь идет о настройке (или подстройке) резонатора, обычно имеются в виду небольшие (до 1%) изменения ре-78

зонансной частоты контура. Под перестройкой обычно понимается процесс, когда частота резонатора изменяется на несколько процентов и больше. Мы ограничимся рассмотрением резонаторов и фильтров, перестраиваемых в пределах до 10-15%.

Можно представить несколько способов перестройки резонаторов Первый - это изменение геометрического расстояния между реактивностями. т. е изменение длины резонатора. Этот способ перестройки пракгнчески неприменим для фильтров на прямоугольном сечении вшновода. Перестройка изменением длины резон.ат10ра широко используется в коаксиальных резонаторах и резонаторах, выполненных на волноводах круглого сечения.

Другой способ - изменение критической длины волны волновода, из которого выполнены резонаторы, либо изменением ширины волновода путем замены одной узкой стенки волновода подвижным поршнем [30], либо в1В€ДвН1ием в резонлтар диэлектрической пластины параллельно узкой стенке волновода[31]. Этог способ перестройки тоже неприемлем для практического применения из-за своей сложности и ненадежности в работе.

Наиболее просто перестройка резонаторов прямоугольного сечения осуществляется с помощью переменных реактивностей, вводимых в объем резонатора, в качестве которых обычно используется переменная емкостная реактивность.

В симметричных резонаторах (индуктивном и емкостном) переменная емкость вводится в центр резонатора. По мере ее увеличения резонатор перестраивается на более низкие частоты. Это легко понять с помощью круговой диаграммы рис. 3.2б. Точка b на диаграмме соответствует сечению в центре резонатора, где расположена пучность напряжения, и входная проводимость поэтому является активной. Если теперь в это сечение ввести небольшую емкостную реактивность (например, проводимостью 0,05), то это будет эквивалентно увеличению геометрической длины резонатора (приблизительно на 0,01 А). При этом резонансная частота сместится в сторону более низких частот. Введение в центр резонатора индуктивной проводимости уменьшит электрическую длину резонатора, т. е. перестроит его на более высокие частоты.

Конструктивно переменная емкостная реактивность легко реализуется с помощью металлических и диэлектрических стержней [32-34], вводимых в резонатор через широкую или узкую стенки волновода. При перестройке диэлектрическими стержнями для обеспечения малых потерь требуется диэлектрик с малым tg6. В качестве диэлектриков используются стеатит С-55 (е=6-7; tg6 = = (3-Ьб)-ilO-*) и кварцевое стекло (е=3,5; tg6 = 3-10-).

Малогабаритный перестраиваемый резонатор [32] схематически изображен на рис. 3.3.

Резонатор представляет собой резонансную полость 1, выполненную на отрезке волновода уменьшенного сечения. В центре резонансной полости расположен стержень 2, переходящий в коаксиальную линию 4. Связь резонатора с подводящими волноводами 5

1

осуществляется через отверстия связи 3. Требуемая нагруженная добротность резонатора определяется размером отверстия связи и длиной стержня 2. Перестройка резонатора осуществляется перемещением диэлектрической втулки 6.. /

Фильтры с непосредственными связями, сконструированные из резонаторов такого типа, могут быть изготовлены с полосой пропускания приблизительно от 0,3 до 2% и с диапазоном перестройки lO-f-15%. Ширина полосы пропускания фильтра при перестройке изменяется мало (приблизительно на 10% в 10-процентном диапазоне перестройки).

Достоинствами резонаторов такой конструкции являются малые габариты и повышенное затухание при большой расстройке в области высоких частот, где резонаторы на стандартном сечении волновода становятся прозрачными.

Недостатком резонатора является сложность изготовления и настройки, а также повышенное затухание в полосе пропускания.

Резонатор, перестраиваемый диэлектрическим стержнем, вводимым через узкую стенку волновода [34], схематически показан на рис. 3.4. Прямоугольный объемный резонатор 1 возбуждается от

3 2 1

12 3 Рис. 3.3. Фильтр из резонансных диафрагм:

/ - резонансная полость 2 - стержень; 3 - отверстие связи; 4 - коаксиальная линия; 5 - подводящие волноводы; 6 - -диэлектрическая вггулка

Рис. 3.4. Фильтр с непосредственными связями:

/ - объемный резонатор; 2 - емкостные штыри; 3 -диэлектрический стержень

коаксиальной линии через емкостные штыри 2. Резонатор перестраивается диэлектрическим стержнем 3, вводимым через узкую стенку волновода.

Такая конструкция резонатора позволяет получить малое изменение ширины- полосы пропускания при его перестройке. Это достигается изменением связи резонатора с линией в процессе перестройки. По мере перестройки резонатора на низкие частоты диэлектрический настроечный стержень 3 вводится в волновод и приближается к штырю 2, увеличивая его емкостное действие. Подобрав размеры и материал настроечного стержня, а также относительное положение штырей связи и настроечного стержня, можно получить изменение нагруженной добротности резонатора, приблизительно пропорциональное частоте.

При соедин11нии резонаторов широкими стенками конструкций фильтра получатся наиболее компактной, так как его длина определяется суммой наименьших размеров волновода.

Однако необходимо отметить, что при всех Достоинствах описанного резонатора его характеристики весьма критичны к размерам и к геометрическому положению штырей связи, что нужно иметь в виду при конструировании фильтра с такими связями.

В настоящее время трудно отдать предпочтение способу перестройки резонатора металлическим или диэлектрическим стержнем. Оба способа широко используются для перестройки фильтров. Однако мы полагаем, что перестройка с помощью металлических стержней проще в реализации. Поэтому далее рассматриваются фильтры с перестройкой металлическими стержнями.

3.2. ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ИНДУКТИВНЫЙ РЕЗОНАТОР Индуктивный резонатор, перестраиваемый емкостью

Резонатор с реактивностями в виде решетки из стержней, замыкающими широкие стенки волновода, является наиболее распространенным типом индуктивного резонатора. Это обусловлено его конструктивной и технологической простотой. Однако закон изменения добротности индуктивного резонатора при его перестройке оказывается неблагоприятным (добротность растет с уменьшением частоты). Поэтому ниже подробно рассматриваются возможные пути устранения этого недостатка.

Эскиз резонатора и его эквивалентная схема приведены на рис. 3.5. Волновод на эквивалентной схеме представлен в виде ли-

Рис. 3.5. Индуктивный резонатор, перестраиваемый емкостью: а) общий вид; б) эквнвалептная схема

НИИ передачи, а индуктивные диафрагмы и емкостный стержень-в виде сосредоточенных реактивностей.