ПОЛОСОВОЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ LC-ФИЛЬТР
TUNABLE LC BAND-PASS FILTER

Предлагаемое изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в преселекторах профессиональных радиоприемных устройств.
Известен ряд полосовых LC-фильтров, которые могут применяться для построения дискретно-перестраиваемых полосовых цепей. При этом для перестройки используют, как правило, изменение емкости конденсаторов, входящих в схему фильтра.
Из множества рассматриваемых решений предпочтение отдают фильтрам, содержащим наименьшее число индуктивностей, а также тем схемам, у которых дискретно изменяемые конденсаторы имеют соединение с общей шиной. В данном случае наиболее близким по этим признакам является схема фильтра, состоящая из каскадного соединения лестничных полосовых фильтров, содержащих в поперечных ветвях параллельные контуры, а в продольных ветвях - катушки индуктивности [1]. Этот тип фильтра выбран нами в качестве прототипа. Два каскадно включенных звена такого фильтра имеют индуктивную связь между контурами, реализуют второй класс по затуханию и первый класс по характеристическому сопротивлению. Это позволяет при перестройке средней частоты фильтра путем изменения емкостей двух конденсаторов изменять частоту настройки в широких пределах, сохраняя постоянной относительную ширину полосы пропускания, и не изменять при этом эквивалентные нагрузки фильтра на входе и выходе.
Недостатком такого фильтра является то, что коэффициент передачи фильтра при выполнении узких полос пропускания будет недостаточно высоким.
Задача изобретения - увеличение коэффициента передачи перестраиваемой полосовой цепи на рабочих частотах.
Поставленная задача решается путем введения в известную схему полосового фильтра, который состоит из входного полосового фильтра, содержащего первую катушку индуктивности, первый вывод которой соединен с входной потенциальной клеммой фильтра, а второй ее вывод подключен к первому конденсатору и второй катушке индуктивности, вторые выводы первого конденсатора и второй катушки индуктивности соединены с общей шиной, и выходного полосового фильтра, содержащего третью катушку индуктивности, первый вывод которой соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра, а второй ее вывод подключен ко второму конденсатору и четвертой катушке индуктивности, вторые выводы второго конденсатора и четвертой катушки индуктивности соединены с общей шиной, дополнительной первой сигнальной шины, подключенной ко второму выводу первой катушки индуктивности, и второй сигнальной шины, подключенной ко второму выводу третьей катушки индуктивности, кроме того, в устройство дополнительно введены N идентичных по структуре секций, каждая из которых содержит третий, четвертый и пятый конденсаторы, а также входной и выходной электронные ключи, при этом третий конденсатор первым выводом подключен к первому выводу четвертого конденсатора и одновременно к первому выводу входного электронного ключа, второй вывод которого соединен с первой сигнальной шиной, второй вывод четвертого конденсатора подключен к первому выводу пятого конденсатора и одновременно к первому выводу выходного электронного ключа, второй вывод которого соединен со второй сигнальной шиной, при этом вторые выводы третьего и пятого конденсаторов соединены с общей шиной.
Сопоставительный анализ показывает, что заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что в устройство дополнительно введены первая сигнальная шина, подключенная ко второму выводу первой катушки индуктивности, и вторая сигнальная шина, подключенная ко второму выводу третьей катушки индуктивности, кроме того в устройство введены N идентичных по структуре секций, каждая из которых содержит третий, четвертый и пятый конденсаторы, а также входной и выходной электронные ключи, при этом третий конденсатор первым своим выводом подключен к четвертому конденсатору и одновременно к входному электронному ключу, второй вывод которого соединен с первой сигнальной шиной, второй вывод четвертого конденсатора соединен с пятым конденсатором и одновременно с выходным электронным ключом, второй вывод которого соединен со второй сигнальной шиной, вторые выводы третьего и пятого конденсаторов соединены с общей шиной.
При сравнении заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями в науке и технике не обнаружены решения, обладающие сходными признаками.
На фиг.1 приведена электрическая схема предлагаемого устройства. Устройство состоит из входного полосового фильтра 1, содержащего первую катушку индуктивности 2, подключенную к входной потенциальной клемме и вторым выводом подключенную ко второй катушке индуктивности 3 и первому конденсатору 4, вторые выводы которых соединены с общей шиной, и из выходного полосового фильтра 5, содержащего третью катушку индуктивности 6, первый вывод которой соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра, а второй ее вывод подключен ко второму конденсатору 7 и четвертой катушке индуктивности 8, вторые выводы которых соединены с общей шиной, устройство содержит также первую сигнальную шину 9, подключенную ко второму выводу первой катушки индуктивности, и вторую сигнальную шину 10, подключенную ко второму выводу третьей катушки индуктивности, кроме того, в фильтр входит N идентичных по структуре секций 11, каждая из которых содержит входной электронный ключ 12 и выходной ключ 13, а также конденсаторы: третий 14, четвертый 15, пятый 16, при этом входной ключ 12 подключен к первой сигнальной шине 9 и третьему конденсатору 14, первый вывод которого соединен также с четвертым конденсатором 15, второй вывод которого соединен с пятым конденсатором 16 и выходным ключом 13, второй вывод которого подключен ко второй сигнальной шине 10, вторые выводы конденсаторов 14 и 16 соединены с общей шиной.
Устройство работает следующим образом.
2
1
a
b
a
b
При подключении какой-либо одной секции (ключи 12 и 13 этой секции замкнуты, ключи 12 и 13 остальных секций разомкнуты) получим схему полосовою фильтра, приведенную на фиг.2. Данная схема отличается от прототипа тем, что между входным и выходным звеньями введена емкостная связь (прототип содержит индуктивную связь между параллельными контурами). При условии, что индуктивности первой и третьей катушек индуктивности одинаковые и равны величине L, индуктивности второй и четвертой катушек также одинаковы и равны L. Эта схема может быть приведена в соответствии с теоремой Бартлетта [2] к симметричному мостовому эквиваленту, содержащему в ветвях реактивные сопротивления Z и Z, схемы которых представлены на фиг.3. При соответствующем выборе значений элементов этой схемы можно получить частотные зависимости сопротивлений Z и Z, показанные на фиг.4.
1
2
1
2
Чтобы выполнить это условие, необходимо значения элементов схемы L, L, C и С определить по формулам:
0
где ω - средняя частота фильтра;
1
2
3
a
b
ω, ω, ω - резонансные частоты двухполюсников Z и Z, показанные на фиг.4;
m
0
Z - характеристическое сопротивление фильтра на частоте ω=ω.
Как видно из фиг.4, фильтр имеет второй класс по затуханию и первый класс по характеристическому сопротивлению, то есть реализует такие же параметры, как и фильтр-прототип. В отличие от прототипа исходный фильтр содержит меньшее число катушек индуктивности (четыре вместо пяти).
В то же время резонансные частоты двухполюсников, выраженные через значения элементов схемы, определяются соотношениями:
1
1
2
2
a
b
Эти соотношения справедливы при условии, что LC=LC, которое необходимо для совпадения частот параллельного резонанса двухполюсника Z и последовательного резонансного двухполюсника Z.
1
2
1
2
1
2
3
m
0
Как видно из соотношений (2), при одновременном и пропорциональном изменении емкостей C и С и неизменных значениях величин L и L пропорционально будут изменяться квадраты частот ω, ω, ω, При этом изменяется средняя частота фильтра  и остается неизменной относительная ширина полосы пропускания фильтра . Номинальное сопротивление фильтра Z, как видно из соотношений (1), будет изменяться пропорционально частоте ω.
1
2
Подключение параллельно к первой включенной секции дополнительно одной (или нескольких) секций приведет к одновременному и пропорциональному изменению емкостей конденсаторов C и С и, следовательно, к изменению средней частоты фильтра. Величины емкостей конденсаторов 14-16 выбраны так, что емкость конденсатора 14 второй секции в два раза больше емкости конденсатора 14 первой, в третьей секции емкость конденсатора 14 больше емкости конденсатора второй секции также в два раза и т.д. Такая же пропорциональность выбрана и для остальных конденсаторов, входящих в последующие N-1 секций.
0
Число ключей в фильтре равно 2 N и будет зависеть от требований к точности установки ω при ее перестройке в заданном диапазоне частот.
0
m
Для обеспечения максимально возможного коэффициента передачи фильтра при перестройке его рабочей частоты необходимо обеспечить согласование фильтра с сопротивлениями источника сигнала и нагрузки. При изменении ω пропорционально изменяется величина номинального характеристического сопротивления Z, что обычно приводит к рассогласованию фильтра на входе и выходе. Это рассогласование приводит к увеличению неравномерности частотной характеристики и уменьшению коэффициента передачи.
c
c
Можно показать, что входное сопротивление симметричного фильтра W, выраженное через его характеристические параметры - характеристическое сопротивление Z и постоянную передачи q, будет определяться соотношением [3]:
Здесь α - характеристическая фаза фильтра,
2
R - сопротивление нагрузки на выходе фильтра.
c
Выражение (3) справедливо для характеристической полосы пропускания симметричного фильтра, когда q=jα, а характеристическое затухание равно нулю.
Вычислив реальную и мнимую составляющие входного сопротивления, получим:
c
2
2
2
Из формулы (4) видно, что при α=π (это соответствует исходному фильтру, см. фиг.2 и фиг.4 на частоте ω=ω) ImW(ω)=0, ReW(ω)=R.
c
Отсюда следуют, что на средней частоте независимо от величины Z обеспечивается необходимое согласование фильтра на входе и выходе при неизменных нагрузках во время перестройки и сохраняется максимальный коэффициент передачи.
Таким образом, предложенное устройство позволяет при одинаковом количестве ключей и меньшем количестве катушек индуктивности в сравнении с прототипом реализовать дискретно-перестраиваемый полосовой фильтр с улучшенным коэффициентом передачи на рабочей частоте.
Источники информации
1. Босый Н.Д. Электрические фильтры. Гостехиздат УССР, Киев, 1959, стр.168.
2. Гиллемин Э.А. Синтез пассивных цепей. Изд. «Связь» М. 1970, стр.170.
3. Белецкий А.Ф. Теоретические основы электропроводной связи, ч. III. Изд. «Связь», М. 1959, стр.34, 35.