Фильтр нижних частот коротковолнового передатчика
Полезная модель относится к фильтрам гармоник передающих устройств. Задачей полезной модели является обеспечение расчетных параметров ФНЧ в малогабаритной конструкции. Поставленная задача решается использованием конструкции ФНЧ, содержащей индуктивности с одинаковым направлением навивки и конденсаторы, входящие в состав ФНЧ Кауэра, а также дополнительный конденсатор, один вывод которого подключается к входу первой индуктивности фильтра, а другой его вывод к выходу последней.
Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в фильтрующей системе коротковолновых передатчиков.
Для передачи высокочастотных сигналов с подавленными до требуемого уровня гармоническими составляющими в диапазоне коротких волн используются фильтры нижних частот (ФНЧ) с характеристикой Чебышева или Кауэра, тип и структура которых выбираются из необходимости обеспечения требований по затуханию в полосах пропускания и заграждения.
Для выполнения требований, соответствующих фильтрам с нормированными значениями элементов [1], конструкция фильтра должна отражать электрическую схему, в которой все элементы имеют расчетные значения номиналов, а внесхемные электромагнитные связи отсутствуют. Реализация этих требований возможна в конструкции, содержащей электромагнитные экраны между индуктивностями, или при достаточно большом их пространственном разнесении [2, стр.554]. Оба этих варианта зачастую конструктивно неприемлемы из-за возрастающих габаритных размеров ФНЧ; положение усугубляется в тех случаях, когда в конструкции передатчика используются несколько переключаемых фильтров.
Использование сильной магнитной связи между двумя индуктивностями приводит к канонической схеме с уменьшенным количеством конденсаторов [3, стр.26, 58, 59]. Однако, этот вариант схемы не может быть использован в ФНЧ коротковолнового передатчика по следующим причинам:
1. Количество индуктивностей в схеме не уменьшается.
2. Обеспечение сильной связи между витками индуктивностей, намотанных проводниками большого диаметра без общего магнитопровода, не возможно.
3. Появляется электромагнитная связь в следующей смежной паре индуктивностей ФНЧ.
Для уменьшения габаритных размеров ФНЧ в его конструкции возможно использование индуктивностей с взаимно перпендикулярным расположением осей на одной плоскости [2, стр.554], что значительно уменьшает электромагнитную взаимосвязь между индуктивностями, но при этом некоторые индуктивности могут сохранить магнитную связь с коэффициентом связи К=0,05
0,2. Конструкция подобных фильтров описана в [2, стр.554].
Известно устройство [4], в котором компенсация магнитной связи (К=0,050,2) между смежными индуктивностями осуществляется введением дополнительных конденсаторов соединяющих вход одной из смежных индуктивностей и выход другой. Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Анализ амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) ФНЧ, показывает, что между крайними индуктивностями (первой и третьей), в том числе и при их взаимно-перпендикулярном расположении, имеется электромагнитная связь.
Устройство [4] не учитывает влияния данной электромагнитной связи.
Вследствие этого затухание в полосе заграждения меньше затухания соответствующего фильтра Кауэра [1]. Это объясняется наличием эквивалентной индуктивности L между входом первой индуктивности Lk и выходом третьей Lk+2
,
где М - коэффициент взаимоиндукции.
Знак "минус" в числителе выбран для индуктивностей с одинаковым направлением навивки.
При наличии магнитной связи и, следовательно, эквивалентной индуктивности L часть энергии в полосе заграждения передается через магнитную связь, минуя LC - контуры в продольной ветви, которые определяют полюсы затухания, в связи с чем затухание ФНЧ в полосе заграждения будет много меньше расчетного.
Задача полезной модели - обеспечение расчетных параметров ФНЧ в малогабаритной конструкции.
Указанная задача решается тем, что ФНЧ коротковолнового передатчика, содержащий три индуктивности с одинаковым направлением навивки и конденсаторы, входящие в состав фильтра нижних частот Кауэра, содержит дополнительный конденсатор, причем один его вывод подключается к входу первой индуктивности фильтра, а другой его вывод к выходу третьей.
Для уменьшения негативного воздействия взаимоиндукции между индуктивностями ФНЧ, целесообразно ввести параллельно индуктивности L конденсатор с емкостью
,
где f0 - частота сформированного полюса затухания в полосе заграждения;
,
где fK, fK+1 - частоты полюсов затухания, определяемые (Lk, Сk ) и (LK+1, CK+1) - контурами, имеющими между собой магнитную связь.
Поскольку L>>L K L>>LK+1 то резонансный контур (L, C) будет в достаточно широкой полосе частот заграждения вносить в передаточную характеристику фильтра затухание, позволяющее приблизить АЧХ анализируемого фильтра к АЧХ соответствующего фильтра Кауэра [1].
Сопоставительный анализ рассматриваемой схемы с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается по структуре и по соединениям, следовательно, оно соответствует критерию "новизна".
Использование индуктивностей с взаимно-перпендикулярным их расположением в конструкции фильтра и компенсация магнитной связи между смежными индуктивностями введением дополнительных конденсаторов соединяющих вход одной из смежных индуктивностей и выход другой известно, однако, применение дополнительного конденсатора, один вывод которого соединен с входом первой индуктивности фильтра, а другой его вывод с выходом третьей, позволяет устранить негативное воздействие конструктивной магнитной связи между упомянутыми индуктивностями, из чего следует вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".
На фиг.1 изображена схема анализируемого ФНЧ Кауэра, состоящего из индуктивностей 1, 2, 3, конденсаторов 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, входного 11 и выходного 12 зажимов, входящих в состав ФНЧ Кауэра, и магнитной связи 13 между индуктивностями 1 и 3, а также из дополнительного конденсатора 14. На фиг.2 изображена схема ФНЧ, эквивалентная анализируемой схеме фиг.1, в которой вместо магнитной связи 13 показана индуктивность 15.
На фиг.3 изображена конструкция ФНЧ, в которой индуктивности 1, 2, 3 установлены без разделительных экранов. Оси индуктивностей 1, 2 и 3 взаимно перпендикулярны. Между индуктивностями 1 и 3 имеется магнитная связь М показанная на фиг.1 как 13.
Устройство работает следующим образом. Входной сигнал через зажим 11 поступает на индуктивность 1, конденсаторы 4, 5 и передается как в схеме фильтра Кауэра через индуктивности 2, 3 и конденсаторы 6, 7, 8, 9, 10 к выходному зажиму 12. В конструкции ФНЧ, не содержащей экранов между индуктивностями, часть энергии передается от индуктивности 1 к индуктивности 3 через магнитное поле 13, вследствие чего затухание в полосе заграждения анализируемого фильтра будет меньше расчетного затухания на тех же частотах для фильтра Кауэра.
Вместо элемента магнитной связи 13 ФНЧ фиг.1 на фиг.2 используется индуктивность 15, входящие в состав П-образной схемы замещения трансформаторной связи. Дополнительная емкость 15 на фиг.1 и фиг.2 предназначена для компенсации токов через магнитную связь 13 на фиг.1 или через индуктивность 15 на фиг.2, вследствие чего влияние этой цепи на передаточные свойства ФНЧ в полосе заграждения уменьшается, и АЧХ анализируемого фильтра с магнитной связью в конструкции без экранов приближается к АЧХ фильтра Кауэра.
Приблизить АЧХ ФНЧ с магнитной связью между крайними индуктивностями к АЧХ ФНЧ Кауэра можно установкой дополнительного конденсатора по минимальному отклонению по частоте от расчетных значений полюсов затухания в полосе заграждения. Того же результата можно добиться расчетным путем по измеренному значению затухания в полосе заграждения, отличающемуся от расчетного, и последующим вычислениям коэффициента связи и номинала дополнительного конденсатора. Положительные экспериментальные данные подтверждаются расчетами.
В конструкции ФНЧ 7-го порядка с характеристикой Кауэра, не содержащей экранов между индуктивностями с одинаковым направлением навивки, составило 42dB, вместо расчетного значения 50dB. После использования в схеме этого ФНЧ дополнительного конденсатора затухание в полосе заграждения составило не менее 48dB, что достаточно близко к расчетному значению 50dB.
Источники информации:
1. Г.Ханзел. Справочник по расчету фильтров. М. "Советское радио". 1974.
2. Н.Д.Босый. Электрические фильтры. Киев. Гос. изд. Технической литературы УССР. 1959.
3. Р.Зааль Справочник по расчету фильтров. М. "Радио и связь". 1983.
4. Патент RU 2225672, Н03Н 7/01, дата публикаций сведений о заявке 10.07.2003.
Фильтр нижних частот коротковолнового передатчика, содержащий три индуктивности с одинаковым направлением навивки и конденсаторы, входящие в состав фильтра нижних частот Кауэра, отличающийся тем, что дополнительно введен конденсатор, причем один его вывод подключается к входу первой индуктивности фильтра, а другой его вывод - к выходу третьей.
