Полосно-пропускающий lc-фильтр на четырех связанных контурах
Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в области фильтрации аналоговых радиочастотных сигналов, сигналов промежуточной частоты в радиоприемных устройствах, сигналов возбуждения в возбудителях передающих устройств.
Достигаемый технический результат - селектирование аналоговых сигналов. Данный фильтр является квазиполиномиальным. Состоит из четырех объединенных емкостными и индуктивной связями, согласованных с пятидесятиомным трактом резонансных контуров с введенными в схему подстроечными элементами.
Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в области фильтрации аналоговых радиочастотных сигналов, сигналов промежуточной частоты в радиоприемных устройствах, сигналов возбуждения в возбудителях передающих устройств.
В настоящее время стоит остро проблема электромагнитной совместимости радиоэлектронного оборудования, связанная с перенасыщенностью радиоэфира, обусловленной высоким уровнем как неумышленных, так и умышленных радиопомех искусственного происхождения, что приводит к ухудшению качества принимаемой информации.
В этих условиях обеспечение высокой достоверности приема сообщений является сложной задачей, решение которой является комплексным.
Многие качественные показатели радиосистем определяются характеристиками линейного тракта, одной из которых является выполнение помехоустойчивости оборудования, обеспечиваемой как активными элементами, так и селектирующими звеньями.
Для фильтрации ВЧ сигналов радиочастотного диапазона от нескольких мегагерц до нескольких гигагерц существует множество самых различных принципов реализации частотно-избирательных устройств, в том числе и на полосно-пропускающих LC-фильтрах.
Известны полосно-пропускающие LC-фильтры с характеристиками Баттерворда, Чебышева, Кауэра [Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров / Ханзел, Г.Е. - США, 1969. Пер. с англ., под ред. А.Е.Знаменского. - М.: Сов. радио, 1974.-288 с.], выполненные на катушках индуктивности и конденсаторах. Такие фильтры применяются, в основном, на частотах от 30 МГц до 1000 МГц. Использование их на частотах ниже и выше приведенного диапазона затруднено или невозможно из-за конструктивных особенностей входящих в их состав элементов. Так, на частотах ниже 30 МГц катушки индуктивности имеют номиналы уже от 0,5 мкГн, что ведет к использованию катушек на каркасах с применением сердечников из феррита. Данное обстоятельство приводит к уменьшению добротности катушки, а, следовательно, и к ухудшению параметров фильтра. На частотах выше 700 МГц номиналы и катушек индуктивностей, и конденсаторов становятся сравнимы с паразитными составляющими топологии фильтра. Данное обстоятельство с повышением рабочих частот ведет к серьезным доработкам в ходе макетирования фильтра или даже к нереализуемости поставленной перед разработчиком задачи по фильтрации аналогового сигнала. Кроме этого, необходимость реализации фильтров с крутыми фронтами подавления обуславливает применение фильтров высоких порядков, а это увеличение массогабаритных параметров устройств, трудоемкости настройки.
Известна конструкция квазиполиномиального полосно-пропускающего LC-фильтра (КППФ), состоящего из объединенных индуктивными или емкостными связями резонансных контуров, выполненного на катушках индуктивности и конденсаторах [Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров / Ханзел, Г.Е. - США, 1969. Пер. с англ., под ред. А.Е.Знаменского. - М.: Сов. радио, 1974.-288 с. С.221-232], описанная также в [Привер Э.Л., Закамов В.Р. Симметрирование формы АЧХ квазиполиномиальных полосно-пропускающих фильтров // Радиотехника. 2003. 
6. С.38-40] (прототип).
Конструкция фильтра содержит n резонансных контуров, объединенных элементами связи. И резонансные контуры, и элементы связи состоят из катушек индуктивности и конденсаторов. Данная конструкция КППФ имеет более крутые фронты подавления при существенно меньшем количестве входящих в его состав элементов, меньших габаритах и трудоемкости при его изготовлении по сравнению с полосно-пропускающими фильтрами с характеристиками Баттерворда, Чебышева, Кауэра.
Недостатком данной конструкции является то, что:
1. Реализация фильтра основана на использовании рассчитанных, идеальных элементов без учета несовпадения значений от номинальных, производимых промышленно, а также их возможных отклонений, что ведет к невыполнению поставленной задачи без дополнительных технических решений.
2. Отсутствие элементов согласования [Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров / Ханзел, Г.Е. - США, 1969. Пер. с англ., под ред. А.Е.Знаменского. - М.: Сов. радио, 1974.-288 с. С.221-232] или использование при согласовании с трактом, в котором используется конструкция, только индуктивных элементов [Привер Э.Л., Закамов В.Р. Симметрирование формы АЧХ квазиполиномиальных полосно-пропускающих фильтров // Радиотехника. 2003. 6. С.38-40], применение которых ведет как к увеличению потерь в полосе пропускания фильтра, так и к уменьшению крутизны фронтов подавления вблизи полосы пропускания из-за значительно меньшей добротности индуктивного элемента по сравнению с емкостным.
3. Использование только одного типа связи, что ведет к асимметрии формы амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтра относительно центральной частоты.
Техническая задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, состоит в применении технических подходов, позволяющих:
1. Реализовать конструкцию квазиполиномиального полосно-пропускающего фильтра (КППФ) с учетом номинальных значений элементов, производимых промышленностью, а также их возможных отклонений в пределах допусков.
2. Согласовать КППФ с пятидесятиомным трактом при снижении потерь в полосе пропускания.
3. Устранить асимметрию АЧХ фильтра.
Поставленная техническая задача решается тем, что в полосно-пропускающий LC-фильтр, состоящий из четырех резонансных контуров на катушках индуктивности и конденсаторах, введены разные виды связей, при этом между первым и вторым, а также между третьим и четвертым резонансными контурами включены емкостные связи на конденсаторах, между вторым и третьим индуктивная связь на индуктивном элементе, подстроечные элементы, емкостные на конденсаторах, включенные в резонансные контуры, и индуктивный в индуктивную связь между вторым и третьим контурами, и согласованный по входу и выходу с пятидесятиомным трактом с помощью емкостей включения на конденсаторах.
На схеме (фиг.5.) представлена конструкция предлагаемой полезной модели, которая состоит из объединенных между собой с помощью разных видов связи четырех резонансных контуров на катушках индуктивности и конденсаторах (первый на L1, С1; второй на L2, С2; третий на L3, С3; четвертый на L4, С4). Между первым и вторым резонансными контурами введена емкостная связь на конденсаторе С6, между вторым и третьим индуктивная связь на индуктивном элементе L5, между третьим и четвертым емкостная связь на конденсаторе С7. В резонансные контуры введены подстроечные емкостные элементы на перестраиваемых конденсаторах С9, С10, С11 и С12, в индуктивную связь подстроечный индуктивный элемент. Согласование по входу предложенной полезной модели с пятидесятиомным трактом осуществляется конденсатором включения С5, а по выходу конденсатором включения С8.
Расчет предлагаемого фильтра проводится с использованием инверторов и основан на расчете, описанном в прототипе, схема которого представлена на чертеже (фиг.1.).
Элементы Lk1, Ск1; Lk2, Cк2; Lk3, Ск3; Lk4, Cк4 являются резонансными контурами, объединенными инверторами, образующими связи между контурами.
Между первым (Lk1, Ск1) и вторым (Lk2, Ск2) контурами, а также между третьим (Lk3, Cк3) и четвертым (Lk4, Ск4) контурами введены емкостные инверторы -С12, С12, -С12 и -С34, С34, -С34, соответственно. Между вторым и третьим контурами введен индуктивный инвертор -L23, L23, -L23.
Сочетание разных видов инверторов обеспечивает симметрию АЧХ полезной модели относительно центральной частоты в полосе заграждения на значительном удалении от полосы пропускания.
Емкость контура Ск1, пФ:
Индуктивность контура Lk1, нГн:
где 
1 - характеристическое сопротивление контура, Ом;
0 - частота настройки контура, МГц.
Характеристическое сопротивление контура рекомендуется брать в пределах от 30 до 80 Ом.
где н - нижняя частота настройки фильтра, МГц;
в - верхняя частота настройки фильтра, МГц.
Емкость инвертора С12, пФ:
где 
1, 2 - нормированные значения элементов прототипа.
Для фильтра-прототипа, изображенного на схеме (фиг.1.) выбран фильтр-прототип нижних частот Чебышева четвертого порядка с коэффициентом отражения 10%.
1=0,7994, 2=1,354, 3=1,354, 4=0,7994.
Индуктивность инвертора L23, нГн:
Характеристические сопротивления всех четырех контуров равны.
Ck1=Ck2=Ck3=Ck4, Lk1=Lk2=Lk3=Lk4.
1=4, 2=3.
Формулы 1; 2 преобразуются к виду:
С34=С12.
Емкости инверторов, стоящие последовательно с контурными емкостями имеют отрицательные значения. Индуктивности инверторов, стоящие последовательно с контурными индуктивностями также имеют отрицательные значения.
После расчета емкостей и индуктивностей инверторов схема фильтра-прототипа приводится к виду, изображенному на схеме (фиг.2.).
С11=С22=С33=С44.
L2=Lk2-L23;
L2=L3.
Для согласования фильтра с 50-тиомным трактом можно использовать как индуктивности, так и емкости включения. Так как конденсаторы имеют существенно более высокую собственную добротность, что ведет к уменьшению потерь в полосе пропускания фильтра, то использовались именно они. Емкость включения Свкл, пФ, определяется, как:
где Квкл - коэффициент включения.
где Rн=50 Ом - сопротивление нагрузки,
Rэкв - эквивалентное сопротивление контура.
где Qн - нагруженная добротность фильтра.
При объединении формул 3, 4, 5, 6 формула 3 преобразуется к виду:
Характеристическое сопротивление контура фильтра:
где L1 - индуктивность контура, сопряженного с 50-тиомным трактом, нГн.
Откуда:
Схема фильтра, сопряженного с 50-тиомным трактом показана на схеме (фиг.3.).
Свкл=С5=С8;
L5-L23.
Невозможностью построения фильтра на идеальных элементах предопределено наличие подстроечных элементов. Введение в каждый из контуров фильтра переменных конденсаторов позволяет использовать покупные высокодобротные неперестраиваемые индуктивности. Применение покупных неперестраиваемых индуктивностей существенно снижает затраты на изготовление фильтров. Кроме этого, разброс значений номиналов покупных индуктивностей нормирован и составляет 2%, 5%, что ведет к уменьшению трудоемкости при настройке.
Введение в контур подстроечной емкости влечет за собой изменение частоты настройки контура.
Эквивалентная схема для расчета влияния подстроечной емкости представлена на схеме (фиг.4.).
Рекомендуется брать номинал подстроечной емкости:
C9=(0,2..0,3)·C11.
С1=С2=С3=С4=С11-С9.
Характеристическое сопротивление контура, изображенного на схеме (фиг.4.):
Если представить:
то:
Характеристическое сопротивление контура, изображенного на схеме (фиг.4.):
Решение системы уравнений формул 7, 8 относительно С6 имеет вид:
Окончательно, схема предлагаемой полезной модели приведена на схеме (фиг.5.).
Таким образом, расчет полезной модели проводится при условии задания нижней, верхней граничных частот полосы пропускания фильтра, характеристического сопротивления контуров и номиналов перестраиваемых конденсаторов, входящих в состав фильтра. Рекомендуется брать относительную полосу пропускания фильтра от 3% до 12%, характеристическое сопротивление контура от 30 до 80 Ом, номинал перестраиваемых конденсаторов от 0,15 до 0,35 от номинала контурной емкости при расчете фильтра.
Предложенная полезная модель позволяет обеспечить симметрию амплитудно-частотной характеристики относительно центральной частоты в полосе заграждения на значительном удалении от полосы пропускания, провести согласование с пятидесятиомным трактом при уменьшении потерь в полосе пропускания, реализовать фильтр на реально существующих, выпускаемых промышленностью элементах и снизить материальные затраты на его изготовление за счет более высокой технологичности изготовления и меньшей трудоемкости в настройке при использовании только покупных составляющих.
Полосно-пропускающий LC-фильтр, состоящий из резонансных контуров на катушках индуктивности и конденсаторах, отличающийся тем, что фильтр состоит из четырех резонансных контуров на катушках индуктивности и конденсаторах, объединенных разными видами связей, при этом между первым и вторым, а также между третьим и четвертым резонансными контурами введены емкостные связи на конденсаторах, между вторым и третьим индуктивная связь на индуктивном элементе, подстроечных элементов, емкостных на конденсаторах, введенных в резонансные контуры, и индуктивного элемента в индуктивную связь между вторым и третьим контурами, и согласованный по входу и выходу с пятидесятиомным трактом с помощью емкостей включения на конденсаторах.
