Фильтр гармоник портативного радиопередатчика
PORTABLE RADIO TRANSMITTER HARMONICS FILTER

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в выходных устройствах усилителей мощности (УМ) широкодиапазонных радиопередатчиков.
Для передачи высокочастотных сигналов с подавленными до требуемого уровня гармоническими составляющими в коротковолновых радиопередающих устройствах (РПДУ) применяются фильтры гармоник (ФГ), содержащие обычно шесть [1] и более фильтров нижних частот (ФНЧ) Кауэра, переключаемых по входу и выходу при помощи реле. Каждый поддиапазонный ФНЧ должен обеспечивать требуемое затухание в полосе задерживания на частотах высших гармоник передаваемого сигнала, начиная со второй гармоники, то есть с удвоенной минимальной частоты поддиапазона [2]. Как правило, из-за большого количества катушек индуктивности такие ФГ имеют увеличенные габаритные размеры и на их долю приходится значительная часть объема РПДУ. Очевидно, что данная проблема обостряется при разработке портативных РПДУ и радиостанций, несмотря на невысокие требования к уровню гармоник на их выходе (порядка минус 40 дБ относительно уровня основного сигнала, например, [3]). При этом следует учитывать, что уровень второй гармоники на выходе УМ относительно уровня основного сигнала, как правило, не более минус 35 дБ, а уровень третьей гармоники - не более минус 13 дБ. Поэтому ФНЧ Чебышева можно считать более подходящими для применения в ФГ портативных РПДУ, так как их амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) в большей степени учитывают разницу в уровнях двух основных гармонических составляющих сигнала на выходе УМ, равную примерно 22 дБ. Таким образом, чтобы гарантированно обеспечить требуемый уровень гармоник на выходе портативных РПДУ и радиостанций, ФГ должен ослабить вторую гармонику не менее, чем на 8 дБ и третью гармонику не менее, чем на 30 дБ.
Этим требованиям соответствует ФГ коротковолнового передатчика, представленный в [4], в котором проблема увеличенных размеров и массы ФГ на основе переключаемых ФНЧ 5-го порядка решена следующим образом: каждый ФНЧ содержит две катушки индуктивности, соединенные последовательно, и конденсаторы, включенные между выводами катушек индуктивности и общей шиной, при этом катушки индуктивности выполнены индуктивно связанными между собой при помощи взаимоиндуктивности [4] М и размещены на одном сердечнике, преимущественно тороидальной формы, причем магнитные потоки индуктивно связанных катушек индуктивности направлены навстречу друг другу. В результате, по сравнению с исходными ФНЧ Чебышева без индуктивных связей, уровень гармонических составляющих сигнала на выходе фильтра гармоник снижается благодаря наличию полюса затухания, частота которого зависит от величины коэффициента связи между первой и второй катушками индуктивности в каждом ФНЧ. Снижаются также габаритные размеры и масса фильтра гармоник благодаря уменьшению в два раза количества тороидальных сердечников.
Фильтр гармоник коротковолнового передатчика, представленный в [4], можно выбрать в качестве прототипа, так как он является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству.
Анализ прототипа показал, что он не обеспечивает портативному радиопередатчику повышенных эксплуатационных возможностей в части расширения коротковолнового диапазона до 1,5-2,0 МГц, так как при этом увеличиваются значения индуктивностей и соответственно необходимое количество витков провода определенного диаметра, соответствующего уровню тока, протекающего через катушки индуктивности, который в портативных передатчиках и радиостанциях с максимальной выходной мощностью сигнала, равной 100 Вт, примерно равен 2А. Увеличение размеров тороидальных сердечников приводит к увеличению габаритных размеров ФГ, но не устраняет существенный недостаток прототипа - возможный перегрев самого сердечника, так как его нагревают два источника тепла - обе катушки индуктивности. Кроме того, при большом количестве витков провода, из-за близости обмоток катушек индуктивности друг к другу, коэффициент индуктивной связи между ними будет неприемлемо большим, а возможности его уменьшения до необходимого значения у прототипа нет.
Задача изобретения - расширение эксплуатационных возможностей ФГ портативного радиопередатчика при одновременном повышении его надежности и расширении возможностей регулирования параметров.
Указанная задача решается тем, что в ФГ портативного радиопередатчика, диапазон рабочих частот которого разделен на N поддиапазонов, содержащем входной и выходной разъемы и N ФНЧ, переключаемых по входу и выходу при помощи входных и выходных трехконтактных переключателей, при этом у каждого входного трехконтактного переключателя подвижный контакт соединен с входом соответствующего ФНЧ и одновременно с первым неподвижным контактом, соединенным с общей шиной, а второй неподвижный контакт соединен с входной соединительной шиной, а у каждого выходного трехконтактного переключателя подвижный контакт соединен с выходом соответствующего ФНЧ и одновременно с первым неподвижным контактом, соединенным с общей шиной, а второй неподвижный контакт соединен с выходной соединительной шиной, причем входная и выходная соединительные шины выполнены в виде длинных линий с волновым сопротивлением, равным номинальному волновому сопротивлению ФНЧ, при этом вход входной длинной линии соединен с входным разъемом и одновременно с вторым неподвижным контактом входного переключателя ФНЧ первого поддиапазона, а вход выходной длинной линии соединен с выходным разъемом и одновременно с вторым неподвижным контактом выходного переключателя ФНЧ первого поддиапазона, при этом каждый ФНЧ содержит первую и вторую катушки индуктивности, соединенные последовательно, а также первый, второй и третий конденсаторы, первые выводы первого и третьего конденсаторов подключены к противоположным выводам первой и второй катушек индуктивности, а вторые выводы всех конденсаторов соединены с общей шиной. В каждый ФНЧ введена третья катушка индуктивности, включенная между точкой соединения первой и второй катушек индуктивности и первым выводом второго конденсатора, при этом первая и вторая катушки индуктивности размещены соответственно на первом и втором сердечниках тороидальной формы, расположенных рядом и аксиально относительно друг друга, а третья катушка индуктивности размещена одновременно на первом и втором сердечниках тороидальной формы и связана индуктивной связью с первой и второй катушками индуктивности, причем все три катушки индуктивности имеют одинаковое направление намотки. Третья катушка индуктивности содержит К витков провода, равное количеству прохождений провода через отверстия первого и второго тороидальных сердечников при намотке, где К=1, 2, 3, … - целое число. При этом третья катушка индуктивности в каждом фильтре нижних частот выполнена с возможностью ее перемещения относительно первой и второй катушек индуктивности с последующим ее закреплением, а каждый входной трехконтактный переключатель механически связан и конструктивно объединен с соответствующим выходным трехконтактным переключателем в виде единого реле, переключающего соответствующий ФНЧ.
На чертеже приведена схема заявленного устройства в исходном состоянии. ФГ портативного радиопередатчика, частотный диапазон которого разделен на N поддиапазонов, содержит входной 1 и выходной 2 разъемы и N ФНЧ 3, переключаемых по входу и выходу при помощи входных 4 и выходных 5 трехконтактных переключателей, при этом у каждого входного трехконтактного переключателя 4 подвижный контакт соединен с входом соответствующего ФНЧ 3 и одновременно с первым неподвижным контактом, соединенным с общей шиной, а второй неподвижный контакт соединен с входной соединительной шиной 6, а у каждого выходного трехконтактного переключателя 5 подвижный контакт соединен с выходом соответствующего ФНЧ 3 и одновременно с первым неподвижным контактом, соединенным с общей шиной, а второй неподвижный контакт соединен с выходной соединительной шиной 7. Входная 6 и выходная 7 соединительные шины выполнены в виде длинных линий с волновым сопротивлением, равным номинальному волновому сопротивлению ФНЧ, при этом вход входной длинной линии соединен с входным разъемом и одновременно с вторым неподвижным контактом входного переключателя ФНЧ первого поддиапазона, а вход выходной длинной линии соединен с выходным разъемом и одновременно с вторым неподвижным контактом выходного переключателя ФНЧ первого поддиапазона. Каждый ФНЧ 3, содержит первую 8 и вторую 9 катушки индуктивности, соединенные последовательно друг с другом, а также первый 10, второй 11 и третий 12 конденсаторы, первые выводы первого 10 и третьего 12 конденсаторов подключены к противоположным выводам первой 8 и второй 9 катушек индуктивности, а вторые выводы всех конденсаторов соединены с общей шиной. В каждый ФНЧ 3 введена третья катушка индуктивности 13, включенная между точкой соединения первой 8 и второй 9 катушек индуктивности и первым выводом второго конденсатора 11, при этом первая 8 и вторая 9 катушки индуктивности размещены соответственно на первом и втором сердечниках тороидальной формы, расположенных рядом и аксиально относительно друг друга, а третья катушка индуктивности 13 размещена одновременно на первом и втором сердечниках тороидальной формы и связана индуктивной связью с первой и второй катушками индуктивности, причем все три катушки индуктивности имеют одинаковое направление намотки. Третья катушка индуктивности 13 содержит К витков провода, равное количеству прохождений провода через отверстия первого и второго тороидальных сердечников при намотке, где К=1, 2, 3, … - целое число. При этом, как показано на чертеже пунктирными линиями, каждый входной трехконтактный переключатель 4 механически связан и конструктивно объединен с соответствующим выходным трехконтактным переключателем 5 в виде единого реле, переключающего соответствующий ФНЧ.
Заявленный ФГ представляет собой набор из N ФНЧ, каждый из которых содержит три катушки индуктивности, намотанные на двух тороидальных сердечниках, причем третья катушка индуктивности 13, содержащая всего несколько витков провода, намотанных одновременно на двух тороидальных сердечниках, на которых уже намотаны первая 8 и вторая 9 катушки индуктивности, обеспечивает индуктивную связь между катушками индуктивности, необходимую для получения первого полюса затухания на АЧХ ФНЧ в полосе задерживания. Частота этого полюса затухания зависит от величины взаимоиндуктивности [5] М, то есть от величины коэффициента связи [5] между третьей 13 и первой 8 и между третьей 13 и второй 9 катушками индуктивности и определяется количеством витков К третьей катушки индуктивности, размерами и материалом тороидальных сердечников. Величина М зависит также от взаимного расположения катушек индуктивности на тороидальных сердечниках. Минимальные значения М имеет при расположении витков третьей катушки индуктивности вблизи участков первого и второго тороидальных сердечников, свободных от обмоток первой и второй катушек индуктивности, а максимальные значения М имеет при расположении витков третьей катушки индуктивности вблизи середины обмоток первой и второй катушек индуктивности. Частота первого полюса затухания зависит также от величины емкости второго конденсатора 11 и ее можно установить равной частоте третьей гармоники минимальной частоты соответствующего поддиапазона. От емкости второго конденсатора 11 зависит также уровень коэффициента стоячей волны (КСВ) на входе ФГ в полосе рабочих частот соответствующего поддиапазона. Частота второго полюса затухания в полосе задерживания ФНЧ определяется межконтактной емкостью единого реле включенного ФНЧ, а также емкостью между входной и выходной соединительными шинами, расстояние между которыми в случае малогабаритного ФГ портативного РПДУ невелико. При этом существует определенная зависимость между емкостной и индуктивной видами связи в ФНЧ. Например, при постепенном увеличении емкости между входом и выходом ФНЧ оба полюса затухания сближаются, а затем исчезают. Увеличение М восстанавливает полюсы затухания и повышает уровень затухания в полосе задерживания ФНЧ. На практике, емкостная связь между входом и выходом ФНЧ есть величина заданная, поэтому величину индуктивной связи, то есть частоту первого полюса затухания можно подстраивать при помощи третьей катушки индуктивности 13.
Фильтр гармоник портативного радиопередатчика работает следующим образом.
Выходной сигнал УМ радиопередатчика вместе с гармоническими составляющими сигнала поступают на входной разъем 1 ФГ и через входную соединительную шину 6, выполненную в виде согласованной длинной линии, на вход одного из предварительно включенного ФНЧ 3, в полосе рабочих частот которого находится частота основного сигнала, а частоты гармонических составляющих сигнала - за ее пределами. При этом включены соответствующие данному ФНЧ 3 входной 4 и выходной 5 трехконтактные переключатели, то есть их подвижные контакты соединяются с вторыми неподвижными контактами, соединенными с соответствующей соединительной шиной. В результате, с выхода включенного ФНЧ 3 на выходной разъем 2 ФГ через выходную соединительную шину 7, выполненную в виде согласованной длинной линии, поступает основной сигнал вместе с ослабленными до необходимого уровня гармоническими составляющими сигнала. При этом основной сигнал проходит на выходной разъем 2 ФГ с минимальными потерями, благодаря улучшенному согласованию в полосе рабочих частот включенного ФНЧ.
Заявленный ФГ портативного радиопередатчика обеспечивает выполнение требований для РПДУ мощностью не более 100 Вт (например, [3]) и имеет при этом простую конструкцию и небольшие габаритные размеры, благодаря тому, что каждый ФНЧ содержит три катушки индуктивности, выполненные на двух тороидальных сердечниках уменьшенных, по сравнению с прототипом, размеров. При этом заявленный ФГ обеспечивает расширенные эксплуатационные возможности и повышение надежности устройства благодаря распределению магнитных потоков катушек индуктивности ФНЧ на два тороидальных сердечника, что уменьшает их нагрев, не допуская перегрева. Уменьшение вдвое количества реле также повышает надежность предлагаемого ФГ, а увеличенная при этом емкость между входом и выходом ФГ компенсируется при помощи индуктивной связи между катушками индуктивности, причем с образованием дополнительного полюса затухания в полосе задерживания ФНЧ. В результате, заявленный ФГ, включенный на выходе УМ, в каждом из N частотных поддиапазонов имеет на выходе пониженный уровень гармонических составляющих сигнала по сравнению с исходными ФНЧ Чебышева без индуктивных и емкостных связей и по сравнению с прототипом благодаря наличию в каждом ФНЧ двух полюсов затухания.
Как показали расчеты АЧХ ФГ для диапазона рабочих частот от 1,5 до 30 МГц при N=8, получено затухание на частотах гармонических составляющих сигнала третьего и более высоких порядков более 40 дБ, что, с учетом уровня гармоник на выходе УМ, вполне достаточно [6] для РПДУ с мощностью выходного сигнала не более 100 Вт. Минимальное затухание на частоте второй гармоники сигнала, равное 7 дБ, полученное на выходе ФГ, с учетом уровня гармоник на выходе УМ, так же можно считать достаточным. При этом КСВ на входе ФГ, не превышающий величины 1,15, получен в полосе рабочих частот каждого поддиапазона, а не во всей полосе пропускания соответствующего ФНЧ. Можно отметить, что такие параметры получены от ФНЧ Чебышева всего лишь пятого порядка (С 05 10 Т - по классификации [7]), который в исходном состоянии обеспечивал минимальное затухание на частоте третьей гармоники, равное 28 дБ, а максимальный КСВ во всей полосе пропускания фильтра, равный 1,22.
Источники информации:
1. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: 1990. - С. 100.
2. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А. Ляховкин и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2003. - С. 206, 207.
3. ГОСТ 22579-86. Радиостанции с однополосной модуляцией сухопутной подвижной службы. Типы, основные параметры, технические требования и методы измерений.
4. Патент RU 2601200, МПК Н03Н 7/09. Фильтр гармоник коротковолнового передатчика / А.Г. Зиновьев, А.В. Богданов. - Заявлено 27.03.2015; опубликовано 27.10.2016, Бюл. №30.
5. Справочник по радиотехнике: Под ред. Б.А. Смиренина. - М., Л.: Госэнергоиздат, 1950. - С. 54, 55.
6. ГОСТ РВ 52226-2004. Устройства радиопередающие. Требования к основным параметрам внеполосных и побочных радиоизлучений.
7. Зааль Р. Справочник по расчету фильтров: Пер. с нем. - М.: Радио и связь, 1983. - c. 185.