ВЫСОКОИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ ПОЛОСОВОЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ LC-ФИЛЬТР
HIGHLY SELECTIVE BAND-PASS TUNEABLE LC FILTER

Предлагаемое устройство относится к радиоэлектронике и может быть использовано в качестве селекторов приемно-передающих профессиональных устройств.
Для частотного разделения сигналов в приемно-передающей аппаратуре в ряде случаев используют полосовые дискретно перестраиваемые LC-фильтры.
Известен ряд полосовых LC-фильтров, в которых для перестройки их средней частоты используются дискретные конденсаторы переменной емкости (ДКПЕ), индуктивные элементы фильтра остаются при этом неизменными.
Существует достаточно большое количество схем полосовых фильтров, используемых для этой цели, при этом каждая из исходных схем обладает рядом отличий, которые наиболее полно удовлетворяют совокупности требований, предъявляемых к фильтру в каждом конкретном варианте исполнения приемно-передающей аппаратуры.
В нашем случае, когда требуется выполнить перестраиваемый фильтр с затуханием в полосе задерживания более 40 дБ с коэффициентом прямоугольности не более 3 и относительной полосой пропускания 2-5%, наиболее приемлемой оказывается схема, состоящая из первой катушки индуктивности, первый вывод которой является входом фильтра, второй ее вывод соединен с первым конденсатором, второй вывод которого соединен со вторым и третьим конденсаторами, второй вывод второго конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод третьего конденсатора соединен со второй катушкой индуктивности, второй вывод которой является выходом этой схемы [1]. Это фильтр выбран в качестве прототипа. Поскольку три конденсатора этой схемы могут быть использованы в качестве ДКПЕ с применением минимально возможного количества электронных ключей, а два каскадно включенных звена этой схемы образуют фильтр второго класса по затуханию, что позволяет перестраивать фильтр по частоте в более широких пределах (по сравнению с фильтрами нечетного класса по затуханию), сохраняя постоянным входное сопротивление при неизменной нагрузке, данный фильтр является удобным для реализации перестраиваемой цепи. Однако данный фильтр имеет недостаточно высокий коэффициент прямоугольности и при реализации относительных полос пропускания 4÷5% и более не выполняет требований по затуханию при десятипроцентной отстройке частоты.
Задача изобретения - увеличение коэффициента прямоугольности характеристики затухания фильтра, увеличение уровня затухания в полосе задерживания при сохранении малой неравномерности частотной характеристики в полосе пропускания, высокого коэффициента передачи и технологичности его изготовления.
Поставленная задача решается путем введения в известную схему фильтра, состоящего из двух идентичных по структуре полосовых цепей, каждая из которых содержит первую катушку индуктивности, первый вывод которой является входом полосовой цепи, второй ее вывод подключен к первому конденсатору, второй вывод которого соединен со вторым и третьим конденсаторами, второй вывод второго конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод третьего конденсатора подключен ко второй катушке индуктивности, второй вывод которой является выходом данной полосовой цепи, дополнительно третьей катушки индуктивности, подключенной к первому выводу первой катушки индуктивности и четвертой катушки индуктивности, подключенной ко второму выводу второй катушки индуктивности, вторые выводы третьей и четвертой катушек индуктивности соединены с общей шиной, в схему устройства дополнительно введен усилитель, при этом вход усилителя через пятую катушку индуктивности соединен с выходом первой полосовой цепи, выход усилителя через шестую катушку индуктивности соединен со входом второй полосовой цепи, вход первой полосовой цепи через седьмую катушку индуктивности соединен с входной потенциальной клеммой устройства, выход второй полосовой цепи через восьмую катушку индуктивности соединен с выходной потенциальной клеммой устройства, кроме того, в устройство дополнительно введены четыре сигнальные шины, первая из которых подключена ко второму выводу первой катушки индуктивности первой полосовой цепи, вторая шина подключена к первому выводу второй катушки индуктивности первой полосовой цепи, третья шина подключена ко второму выводу первой катушки индуктивности второй полосовой цепи, четвертая шина подключена к первому выводу второй катушки индуктивности второй полосовой цепи, устройство содержит N идентичных по структуре секций первой группы, каждая из которых содержит первый электронный ключ, первый вывод которого соединен с первой сигнальной шиной, ко второму выводу первого электронного ключа подключен четвертый конденсатор, второй вывод которого соединен с пятым и шестым конденсаторами, второй вывод пятого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод шестого конденсатора соединен со вторым электронным ключом, второй вывод которого соединен со второй сигнальной шиной, а также содержит М идентичных по структуре секций второй группы, каждая из которых содержит третий электронный ключ, первый вывод которого соединен с третьей сигнальной шиной, второй его вывод соединен с седьмым конденсатором, второй вывод которого соединен с восьмым и девятым конденсаторами, второй вывод восьмого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод девятого конденсатора соединен с четвертым электронным ключом, второй вывод которого подключен к четвертой сигнальной шине.
Сопоставительный анализ показывает, что заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что к первому выводу первой катушки индуктивности подключена третья катушка индуктивности, ко второму выводу второй катушки индуктивности подключена четвертая катушка индуктивности, вторые выводы третьей и четвертой катушек индуктивности соединены с общей шиной, в схему устройства дополнительно введен усилитель, при этом вход усилителя через пятую катушку индуктивности соединен с выходом первой полосовой цепи, выход усилителя через шестую катушку индуктивности соединен со входом второй полосовой цепи, вход первой полосовой цепи через седьмую катушку индуктивности соединен с входной потенциальной клеммой устройства, выход второй полосовой цепи через восьмую катушку индуктивности соединен с выходной потенциальной клеммой устройства, кроме того, в устройство дополнительно введены четыре сигнальные шины, первая из которых подключена ко второму выводу первой катушки индуктивности первой полосовой цепи, вторая шина подключена к первому выводу второй катушки индуктивности первой полосовой цепи, третья шина подключена ко второму выводу первой катушки индуктивности второй полосовой цепи, четвертая шина подключена к первому выводу второй катушки индуктивности второй полосовой цепи, устройство содержит N идентичных по структуре секций первой группы, каждая из которых содержит первый электронный ключ, первый вывод которого соединен с первой сигнальной шиной, ко второму выводу первого электронного ключа подключен четвертый конденсатор, второй вывод которого соединен с пятым и шестым конденсаторами, второй вывод пятого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод шестого конденсатора соединен со вторым электронным ключом, второй вывод которого соединен со второй сигнальной шиной, а также содержит М идентичных по структуре секций второй группы, каждая из которых содержит третий электронный ключ, первый вывод которого соединен с третьей сигнальной шиной, второй его вывод соединен с седьмым конденсатором, второй вывод которого соединен с восьмым и девятым конденсаторами, второй вывод восьмого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод девятого конденсатора соединен с четвертым электронным ключом, второй вывод которого подключен к четвертой сигнальной шине.
При сравнении заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими известными в науке и технике техническими решениями, не обнаружены решения, обладающие сходными признаками.
На фигуре приведена электрическая схема предлагаемого устройства. Устройство состоит из двух идентичных по структуре полосовых цепей 1 и 2, каждая из которых содержит первую индуктивность 3, первый вывод которой является входом полосовой цепи, ко второму выводу этой катушки индуктивности подключен первый конденсатор 4, ко второму выводу первого конденсатора подключен второй конденсатор 5, второй вывод которого соединен с общей шиной, и третий конденсатор 6, второй вывод которого соединен со второй катушкой индуктивности 7, второй вывод которой является выходом данной полосовой цепи. К первому выводу первой катушки индуктивности подключена третья катушка индуктивности 8, ко второму выводу второй катушки индуктивности подключена четвертая катушка индуктивности 9, вторые выводы третьей и четвертой катушек индуктивности соединены с общей шиной. Устройство содержит также усилитель 10, вход которого через пятую катушку индуктивности 11 соединен с выходом первой полосовой цепи, а его выход через шестую катушку индуктивности 12 соединен со входом второй полосовой цепи, вход первой полосовой цепи через седьмую катушку индуктивности 13 соединен с входной потенциальной клеммой устройства, выход второй полосовой цепи через восьмую катушку индуктивности 14 соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра. Кроме того, устройство содержит четыре сигнальные шины, при этом первая подключена ко второму выводу первой катушки индуктивности первой полосовой цепи, вторая подключена к первому выводу второй катушки индуктивности первой полосой цепи, третья подключена ко второму выводу первой катушки индуктивности второй полосовой цепи, четвертая подключена к первому выводу второй катушки индуктивности второй полосовой цепи. Помимо этого устройство содержит N идентичных по структуре секций первой группы 15, каждая из которых содержит первый электронный ключ 16, первый вывод которого соединен с первой сигнальной шиной, ко второму его выводу подключен четвертый конденсатор 17, ко второму выводу которого подключен пятый конденсатор 18, второй вывод которого соединен с общей шиной, и шестой конденсатор 19, второй вывод которого соединен со вторым электронным ключом 20, второй вывод которого соединен со второй сигнальной шиной. Устройство содержит также М идентичных по структуре секций второй группы 21, каждая из которых состоит из второго электронного ключа 22, первый вывод которого подключен к третьей сигнальной шине, второй его вывод соединен с седьмым конденсатором 23, ко второму выводу которого подключен восьмой конденсатор 24, второй вывод которого соединен с общей шиной, и девятый конденсатор 25, ко второму выводу которого подключен четвертый электронный ключ 26, второй вывод которого соединен с четвертой сигнальной шиной.
Устройство работает следующим образом.
Первая полосовая цепь 1 представляет собой известную схему полосового фильтра первого класса по затуханию и второго класса по характеристическому сопротивлению [1]. Подключение катушек индуктивности 8 и 13 на входе этого фильтра, а также катушек индуктивности 9 и 11 на выходе преобразуют эту схему в фильтр второго класса по затуханию и первого класса по характеристическому сопротивлению. В случае, когда величины индуктивностей 3 и 7, 8 и 9, 11 и 13 будут попарно равны, а емкости конденсаторов 4 и 6 одинаковьми, схема фильтра будет симметричной и ее входное сопротивление в соответствии с данными, приведенными в работе [2], будет определяться следующим соотношением
, где
W - входное сопротивление симметричного фильтра,
2
R - сопротивление нагрузки на выходе фильтра,
с
Z - характеристическое сопротивление фильтра,
α - характеристическая фаза фильтра.
Из этого соотношения следует, что
,
0
0
2
и, следовательно, на средней частоте ω, когда для фильтров четного класса по затуханию α=π, ReW(ω)=R.
0
c
2
2
c
0
То есть на частоте ω входное сопротивление фильтра не зависит от характеристического сопротивления Z, и равно сопротивлению нагрузки R, и при перестройке фильтра, осуществляемой соответствующим изменением емкостей конденсаторов, сохраняется постоянным (при R=const), независимо от того, что Z при перестройке изменяется пропорционально изменению ω.
0
Это свойство полосового фильтра позволяет перестраивать фильтр в достаточно широких пределах, сохраняя практически неизменной относительную ширину полосы пропускания, вносимое затухание и коэффициент прямоугольности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Для фильтров второго класса по затуханию при перестройке рабочей частоты «вверх» неравномерность АЧХ в полосе пропускания изменяется незначительно (0,2÷0,3 дБ при коэффициенте перекрытия 3÷4). При выборе более высокого класса по затуханию, равного, например, четвертому, характеристическая фаза фильтра α при отстройке от ω к краям полосы пропускания изменяется вдвое быстрее, что приводит к появлению неравномерности АЧХ, равному 2÷3 дБ. В связи с этим введение дополнительного усилителя между двумя перестраиваемыми фильтрами обеспечивает необходимую развязку между ними и позволяет получить лучшую суммарную неравномерность АЧХ. Затухание обоих фильтров в полосе задерживания суммируется.
0
Две группы секций, состоящих из конденсаторов 17, 18 и 19, а также 23, 24 и 25, служат для изменения средней частоты фильтра. Первоначально, когда все ключи разомкнуты, фильтр настроен на верхнюю рабочую частоту. Подключение одной (или нескольких) секций первой группы к конденсаторам 4, 5, 6 увеличивает их емкости и приводит к уменьшению ω первой полосовой цепи. Аналогичным образом работает вторая группа секции совместно с конденсаторами 4, 5, 6 второй полосовой цепи. Ключи первой и второй группы включаются по команде с общего устройства управления.
Следует отметить, что при предложенном варианте построения перестраиваемого полосового фильтра каждый из фильтров, включенных до и после усилителя, имеют достаточно высокую развязку между собой, которая практически исключает влияние их входных сопротивлений друг на друга. Это позволяет перестраивать каждый из этих фильтров в более широких пределах, снизить требования по коэффициенту прямоугольности для каждого из них. При этом усилитель оказывается защищенным по входу первым фильтром, вследствие чего уровень интермодуляционных составляющих третьего порядка в диапазоне частот, расположенных в полосе задерживания, уменьшается. Выходная цепь уменьшает уровень шумов на выходе усилителя на частотах, расположенных вне полосы пропускания.
Введение катушек индуктивности 8, 13 и 9, 11 на входе и выходе полосовых цепей кроме увеличения класса фильтра по затуханию позволяет совместно с индуктивностями 3 и 7 согласовать фильтр с нагрузками на входе и выходе и одновременно получить наиболее приемлемые для реализации значения емкостей конденсаторов 4, 5, 6 и конденсаторов, входящих в секции ДКПЕ.
Анализ данной схемы перестраиваемого фильтра с использованием современных методов моделирования показал, что влиянием потерь в катушках 8, 9, 11, 13 практически можно пренебречь (в KB диапазоне их добротность может составлять 20-30 ед., не ухудшая практически АЧХ фильтра), к катушкам индуктивности 3, 7 необходимо предъявлять более высокие требования. При добротностях этих катушек индуктивности 150-200 ед. возможно обеспечить вносимое затухание в полосе пропускания не более 3 дБ в диапазоне перестройки, с коэффициентом перекрытия 3.
Уменьшение влияния потерь, вносимых электронными ключами, достигается в каждом конкретном случае соответствующим выбором максимальных значений емкостей конденсаторов 17, 20 секции ДКПЕ, а суммарная паразитная емкость электронных ключей учитывается соответствующим пересчетом емкостей конденсаторов 4, 5, 6.
Источники информации
1. Черне Х.И. Индуктивные связи и трансформации в электрических фильтрах. Связьиздат, М., 1962, стр.206, табл.5.1.
2. Яковлев А.Н., Ясинский И.М. Анализ входных сопротивлений электрических фильтров. Техника радиосвязи. Вып.14, 2009.