Почему фильтры делают в волноводе
В сантиметровом и миллиметровом диапазонах волноводные фильтры — самые малопотерьные. Резонатор в волноводе — это металлическая полость с большим объёмом и гладкими стенками, её собственная добротность измеряется тысячами. Поэтому волноводный фильтр при той же крутизне теряет в полосе в несколько раз меньше коаксиального и на порядок меньше микрополоскового, и держит мощность передатчика. Плата — размер и масса, особенно на низких частотах.
| Резонатор | Добротность, порядок | Потери 5-звенного фильтра, дБ, полоса 5 % | То же, полоса 1 % |
|---|---|---|---|
| волноводный резонатор | 8000 | 0,08 | 0,38 |
| коаксиальный резонатор | 3000 | 0,20 | 1,01 |
| керамический | 1000 | 0,61 | 3,04 |
| микрополосковый | 200 | 3,04 | 15,22 |
Потери оценены для фильтра Чебышева из пяти резонаторов по формуле IL ≈ 4,343·Σg/(FBW·Q). Видно, почему узкополосные фильтры на передатчиках радиорелейных и спутниковых станций делают волноводными: на полосе 1 % микрополосковый фильтр потерял бы больше 15 дБ, а волноводный — около 0,4 дБ. У полосовых волноводных фильтров каталога потери в полосе 0,15–0,6 дБ.
Волновод — уже фильтр верхних частот
Прямоугольный волновод не пропускает волны ниже критической частоты fкр = c/2a, где a — широкая стенка. Для WR62 это 9,52 ГГц, для WR28 — 21,08 ГГц. Значит, любой отрезок волновода уже подавляет всё, что ниже. Волноводный ФВЧ использует это: его делают из секции суженного волновода, критическая частота которой подогнана под нужную полосу задерживания, и добавляют согласующие переходы.
Серая зона — частоты, которые волновод этого сечения не пропускает сам. Красные метки — где фильтр должен давать заданное подавление.
У фильтров, где полоса задерживания ниже критической частоты сечения, хватило бы и самого волновода — фильтр нужен ради крутизны и гарантированного подавления на краю. Там, где задерживание выше критической частоты, как у ФВЧ на WR62 с подавлением на 11 ГГц, без суженной секции не обойтись.
Полосовые волноводные фильтры
Цепочка резонаторов-полостей, связанных окнами или индуктивными штырями. Полоса задаётся связями, центр — размерами полостей, подстройка — винтами. В каталоге полосовые волноводные фильтры от 2,7 до 86 ГГц с подавлением 25–85 дБ. Типичная задача — выделить полосу приёма или передачи станции и подавить соседнюю: например, пропустить 11,7–12,75 ГГц приёма Ku и подавить 14–14,5 ГГц передачи на 55 дБ.
Фильтры нижних частот и гармоник
Волноводный ФНЧ — гребенчатая структура из чередующихся широких и узких участков. Главное применение — подавление гармоник передатчика: на выходе мощного усилителя вторая и третья гармоники должны быть ниже норм на излучение. Фильтры гармоник каталога теряют не более 0,2 дБ и подавляют гармоники на 40–50 дБ. Важная тонкость: гармоники лежат выше рабочей полосы волновода, где он пропускает и высшие типы волн, поэтому ФНЧ гармоник рассчитывают на подавление всех типов, а не только основного.
Режекторные фильтры
Полосно-заграждающий фильтр вырезает узкую полосу внутри широкой: например, 32,7–33,7 ГГц на 60 дБ в полосе 27–40 ГГц. Его ставят, когда в тракт попадает сильная помеха или собственный передатчик на известной частоте, а остальной диапазон нужен целиком.
Как устроены резонаторы
Самая распространённая конструкция — волновод, перегороженный индуктивными диафрагмами или штырями: участки между ними длиной около половины длины волны в волноводе работают как резонаторы, а окна в диафрагмах задают связь между ними. Технологичный вариант — металлическая вставка с окнами, зажатая между двумя половинами волновода по Е-плоскости: её вырезают целиком, и фильтр получается повторяемым без подстройки. Для самых узких полос применяют двухмодовые круглые или квадратные резонаторы — в одной полости работают две ортогональные волны, и фильтр становится вдвое короче.
ФНЧ делают гребенчатыми: чередование высоких и низких участков волновода даёт последовательность ёмкостей и индуктивностей. Для подавления гармоник всех типов волн используют «вафельную» конструкцию с выступами в двух направлениях — она гасит и высшие типы волн, которые обычный гребенчатый фильтр пропустил бы.
Фильтры спутниковых и радиорелейных станций
На спутниковой станции полосовой фильтр в тракте приёма защищает малошумящий конвертер от собственного передатчика. Например, фильтр приёма Ka-диапазона каталога пропускает 17,7–21,2 ГГц с потерями 0,15 дБ и подавляет полосу передачи 27,5–31 ГГц на 85 дБ. В C-диапазоне полосовой фильтр 3,7–4,2 ГГц даёт нарастающее подавление 25, 60 и 70 дБ по мере удаления от полосы. На радиорелейных станциях такие же фильтры выделяют рабочий ствол и подавляют соседние.
Волноводные диплексеры
Два полосовых фильтра на общем тройнике разводят передачу и приём радиорелейной станции через одну антенну. Волноводные диплексеры каталога работают от 4,65 до 86 ГГц с потерями 0,4–0,6 дБ и развязкой до 85 дБ. Сколько резонаторов нужно при разном зазоре между каналами, разобрано в отдельной статье о диплексерах; для волноводных конструкций добавляется одно правило — развязку измеряют и на гармониках передатчика, которые могут попасть в приёмник по высшим типам волн.
Температура. Алюминиевый резонатор на 13 ГГц уходит примерно на 300 кГц на градус. Для диплексеров с узким зазором на улице нужны инвар, температурная компенсация или запас по полосе.
Волноводные переключатели рядом с фильтрами
В том же тракте часто стоят волноводные переключатели: они переводят антенну на резервный передатчик или подключают эквивалент нагрузки. Электромеханические переключатели каталога теряют 0,02–1 дБ и дают развязку 50–80 дБ, ферритовые переключают за единицы микросекунд. Если фильтр и переключатель стоят рядом, их лучше согласовывать вместе: отражения от обоих складываются, и КСВН тракта может оказаться хуже, чем у каждого узла отдельно.
Сечение фильтра и тракта
Фильтр выбирают того же сечения, что и тракт. Если его нет, ставят плавные переходы между соседними сечениями — но каждый переход добавляет отражение и длину. Для ФВЧ и ФНЧ сечение фильтра часто отличается от сечения тракта по самой идее конструкции, и переходы уже встроены в корпус: снаружи фильтр имеет стандартные фланцы тракта и ставится без дополнительных деталей.
Мощность и пробой
Волноводный фильтр выдерживает большую среднюю мощность, но в резонаторах поле концентрируется, и допустимая импульсная мощность ниже, чем у пустого волновода. Для радаров смотрят на пиковую мощность и на наддув тракта сухим воздухом или газом, который поднимает порог пробоя. Острые кромки настроечных винтов — первые кандидаты на пробой, поэтому в мощных фильтрах их минимизируют.
Групповое время запаздывания
Крутой узкополосный фильтр задерживает сигнал по-разному на разных частотах: ближе к краям полосы задержка растёт. Для цифровой связи с широкой полосой и сложной модуляцией неравномерность группового времени запаздывания искажает сигнал так же, как неравномерность АЧХ. Поэтому в требованиях к фильтрам стволов связи указывают не только потери и подавление, но и неравномерность задержки в полосе, а при необходимости ставят корректоры.
Почему потери в полосе важны
Десятые доли децибела в фильтре приёма прямо добавляются к шуму: при температуре 290 К потери 0,3 дБ поднимают шумовую температуру тракта примерно на 20 К. Для малошумящих приёмников с собственной температурой 50–80 К это заметная потеря чувствительности. В тракте передачи те же потери — это нагрев фильтра и мощность, не дошедшая до антенны: 0,5 дБ на киловаттном передатчике — больше 100 Вт тепла.
Настройка и проверка
Большинство волноводных фильтров настраивают винтами, входящими в резонаторы: винт вносит ёмкость и сдвигает частоту резонатора. Настраивают по анализатору цепей, по очереди подгоняя резонаторы и связи до нужной формы АЧХ и КСВН. После настройки винты контрят, чтобы вибрация не сбила фильтр. При проверке измеряют потери и КСВН в полосе, подавление в полосе задерживания и, для станционных фильтров, групповое время запаздывания.
Типичные ошибки
- Выбирают фильтр впритык по полосе, и на морозе или жаре край полосы уходит на скат.
- Забывают про гармоники передатчика выше рабочего диапазона волновода.
- Подключают фильтр через переход другого сечения и получают лишнее отражение.
- Ставят фильтр на пиковую мощность без проверки пробоя и наддува.
- Сбивают настроечные винты при монтаже — фильтр нужно перенастраивать.
- Не учитывают потери фильтра в шумовой температуре приёмного тракта.
- Забывают про групповое время запаздывания в широкополосном цифровом стволе.
Как подобрать волноводный фильтр
- Тип: полосовой, ФНЧ гармоник, ФВЧ, режекторный или диплексер.
- Полоса пропускания с запасом на температурный уход.
- Полоса задерживания и подавление: где и сколько дБ; для передатчиков — на гармониках.
- Потери в полосе и КСВН.
- Сечение и фланцы — под тракт; переходы, если фильтр другого сечения.
- Мощность: средняя и пиковая, наддув тракта.
- Материал: медь с серебрением для миллиметров, алюминий для крупных сечений.
- Для цифровых стволов — неравномерность группового времени запаздывания в полосе.
Модели KADAMM
Все волноводные фильтры и диплексеры — в разделе KADAMM.
| Частоты | 2,7 – 86 ГГц |
| Моделей | 18 |
| Частоты | 2,015 – 10 ГГц |
| Моделей | 4 |
| Частоты | 13 – 45,5 ГГц |
| Моделей | 6 |
| Частоты | 4,65 – 86 ГГц |
| Моделей | 7 |