ПОЛОСОВОЙ ВЫСОКОИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ LС-ФИЛЬТР
HIGHLY SELECTIVE TUNABLE LC BANDPASS FILTER

Предлагаемое устройство относится к радиоэлектронике и может быть использовано в профессиональных радиоприемных устройствах.
Для частотной селекции сигналов в радиоприемных устройствах находят применение различные типы полосовых LC-фильтров. Одним из них, наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству, является фильтр, содержащий первый конденсатор, соединенный с первой катушкой индуктивности, второй вывод которой соединен со второй и третьей катушками индуктивности, второй вывод второй катушки индуктивности соединен со вторым конденсатором, вторые выводы второго конденсатора и третьей катушки индуктивности соединены с общей шиной [1]. Данная схема реализует полосовую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), обеспечивая полюс затухания, расположенный выше полосы пропускания, и содержит минимальное число конденсаторов, что упрощает построение перестраиваемой по частоте полосовой цепи.
Это решение выбрано в качестве прототипа. Недостатком прототипа является то, что этот фильтр обеспечивает только один полюс затухания АЧХ и, следовательно, недостаточно высокие уровень затухания в полосе задерживания и коэффициент прямоугольности.
Задача изобретения - улучшение электрических параметров фильтра (увеличение коэффициента прямоугольности АЧХ и затухания в полосе задерживания), а также расширение функциональных возможностей (обеспечение возможности перестройки фильтра).
Поставленная задача решается тем, что в фильтр, содержащий в продольной ветви первый конденсатор с подключенной к нему первой катушкой индуктивности, второй вывод которой соединен со второй и третьей катушками индуктивности, второй вывод второй катушки индуктивности соединен со вторым конденсатором, вторые выводы второго конденсатора и третьей катушки индуктивности соединены с общей шиной, дополнительно введены четвертая, пятая, шестая, седьмая и восьмая катушки индуктивности, при этом четвертая, пятая и шестая катушки индуктивности подключены к первому конденсатору, второй вывод четвертой катушки индуктивности соединен с входной потенциальной клеммой устройства, второй вывод пятой катушки индуктивности соединен с общей шиной, второй вывод шестой катушки индуктивности подключен ко второму выводу первого конденсатора и одновременно к седьмой катушке индуктивности, второй вывод которой соединен с общей шиной, восьмая катушка индуктивности соединена с первыми выводами второй и третьей катушек индуктивности, второй вывод восьмой катушки индуктивности подключен к выходной потенциальной клемме устройства, кроме того, в устройство дополнительно введены первая, вторая и третья сигнальные шины, первая из них подключена к первому выводу первого конденсатора, вторая шина подключена ко второму выводу первого конденсатора, третья подключена к первому выводу второго конденсатора, к первой сигнальной шине подключена первая группа конденсаторов, вторые выводы каждого из этих конденсаторов через соответствующий электронный ключ соединены со второй сигнальной шиной, устройство содержит также вторую группу конденсаторов, первые выводы которых соединены с общей шиной, второй вывод каждого из этих конденсаторов через соответствующий электронный ключ соединен с третьей сигнальной шиной.
Сопоставительный анализ показывает, что заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что в устройство дополнительно введены четвертая, пятая, шестая, седьмая и восьмая катушки индуктивности, при этом четвертая, пятая и шестая катушки индуктивности подключены к первому конденсатору, второй вывод четвертой катушки индуктивности соединен с входной потенциальной клеммой устройства, второй вывод пятой катушки индуктивности соединен с общей шиной, второй вывод шестой катушки индуктивности подключен ко второму выводу первого конденсатора и одновременно к седьмой катушке индуктивности, второй вывод которой соединен с общей шиной, восьмая катушка индуктивности соединена с первыми выводами второй и третьей катушек индуктивности, второй вывод восьмой катушки индуктивности подключен к выходной потенциальной клемме устройства, кроме того в устройство дополнительно введены первая, вторая и третья сигнальные шины, первая из них подключена к первому выводу первого конденсатора, вторая шина подключена ко второму выводу первого конденсатора, третья подключена к первому выводу второго конденсатора, к первой сигнальной шине подключена первая группа конденсаторов, второй вывод каждого из этих конденсаторов через соответствующий электронный ключ соединен со второй сигнальной шиной, устройство содержит также вторую группу конденсаторов, первые выводы которых соединены с общей шиной, второй вывод каждого из этих конденсаторов через соответствующий электронный ключ соединен с третьей сигнальной шиной.
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 фиг.1 приведена электрическая схема предлагаемого устройства. Оно содержит первый конденсатор 1, к которому подключена первая катушка индуктивности 2, ко второму выводу которой подключены вторая 3 и третья 4 катушки индуктивности, ко второму выводу второй катушки индуктивности подключен второй конденсатор 5, вторые выводы третьей катушки и второго конденсатора соединены с общей шиной. Кроме того устройство содержит четвертую 6, пятую 7 и шестую 8 катушки индуктивности. При этом второй вывод четвертой катушки индуктивности соединен с входной потенциальной клеммой устройства, второй вывод пятой катушки 7 соединен с общей шиной, второй вывод шестой катушки 8 соединен со вторым выводом первого конденсатора 1. Седьмая катушка индуктивности 9 подключена ко второму выводу конденсатора 1. Восьмая катушка индуктивности 10 подключена к первым выводам катушек индуктивности 3 и 4, второй ее вывод соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра.
В устройство входят также первая сигнальная шина 11, подключенная к первому выводу первого конденсатора, вторая сигнальная шина 12, подключенная ко второму выводу первого конденсатора, третья сигнальная шина 13, подключенная к первому выводу второго конденсатора. Помимо этого устройство содержит первую группу конденсаторов 14, подключенных первыми выводами к первой сигнальной шине, вторые выводы этих конденсаторов через электронные ключи 15 подключены ко второй сигнальной шине. Вторая группа конденсаторов 16 подключена первыми выводами к общей шине, вторые выводы этих конденсаторов через электронные ключи 17 подключены к третьей сигнальной шине.
Устройство работает следующим образом.
Первое звено, состоящее из конденсатора 1 и катушек индуктивности 2, 6, 7, 8 и 9, представляет собой полосовой фильтр первого класса по затуханию, первого класса по сопротивлению и позволяет реализовать один полюс затухания на частотах ниже средней частоты фильтра. Это звено является эквивалентом симметричного мостового фильтра, схема которого показана на фиг.2.
На фиг.3 представлены частотные зависимости реактивных сопротивлений этой схемы.
С учетом обозначений, приведенных на фиг.2 и фиг.3, сопротивления ветвей этого мостового четырехполюсника можно записать в следующем виде:
1
1
Z=jωL,
c
Для характеристического сопротивления
и характеристической постоянной передачи g из (1) получим:
∝
c
На частоте полюса затухания ω=ω когда характеристическая постоянная передачи g→∝,
и, следовательно,
Здесь введен коэффициент
, характеризующий положение полюса затухания фильтра, который можно определить из формулы (3):
m
c
0
1
2
∝
1
2
4
4
Задаваясь величиной номинального характеристического сопротивления Z=Z при ω=ω, где
- средняя частота, а также частотами ω, ω, ω из уравнений (1) и (4), можно получить формулы для определения величин L, L, L, С мостового фильтра (фиг.2):
0
1
2
2
1
2
4
4
1
2
2
Для случая, когда m>1 (полюс затухания расположен ниже частоты ω) L>L, как следует из (5), и индуктивность L можно вынести за пределы мостовой схемы [2]. В оставшейся части схемы величина L-L>L при m>1+2γ, где
- относительная ширина полосы пропускания. Представим индуктивность L в виде параллельного соединения двух индуктивностей ΔL=L-L и
. Вынося параллельную индуктивность, равную ΔL, за пределы моста [3], получим схему, приведенную на фиг.4.
0
1
2
1
В случае, когда m<1 (полюс затухания расположен выше частоты ω) L>L, выносим за пределы моста индуктивность L и получим схему, приведенную на фиг.5. Заменив двухполюсник поперечной ветви этой схемы эквивалентным ему двухполюсником, состоящим параллельного соединения последовательного контура и индуктивности [5], получим схему второго звена полосового фильтра, соответствующую оставшейся части схемы фиг.1 после выделения из нее первого звена.
0
0
Таким образом, схема, приведенная на фиг.1, представляет собой двухзвенный полосовой фильтр второго класса по затуханию. При этом первое звено обеспечивает полюс затухания на частотах ниже ω, второе - на частотах выше частоты ω, оба звена имеют равные характеристические сопротивления и хорошо согласуются между собой.
0
m
Поскольку такой фильтр имеет второй класс по затуханию, его характеристическая фаза на частоте ω=ω равна π радиан и его входное сопротивление, как показано в [4], не зависит от величины Z, которое изменяется при перестройке средней частоты, вследствие чего эта схема допускает перестройку по частоте без изменения вносимого затухания на средней частоте при неизменном нагрузочном сопротивлении.
Для изменения частоты фильтра к каждому из двух конденсаторов подключается соответствующий дискретный конденсатор переменной емкости (ДКПЕ).
Поскольку фильтр содержит минимальное количество конденсаторов, он достаточно экономичен при изготовлении. Изменяя значения индуктивностей 6-7, 2-9 и 4-10, можно получать наиболее удобные для реализации ДКПЕ значения конденсаторов 1 и 5.
Источники информации
1. Босый Н.Д. Электрические фильтры. Гостехиздат УССР, Киев, 1959 (стр.165, рис.3.23).
2. Великий Я.И., Гельмонт З.Я., Зелях Э.В. Пьезоэлектрические фильтры.  М., «Связь», 1966.
3. Гиллемин Е.А. Синтез пассивных цепей. М., «Связь», 1970.
4. Яковлев А.Н., Ясинский И.М. Анализ входных сопротивлений электрических фильтров. Техника радиосвязи. Вып.14, 2009.
5. Черне Х.И. Индуктивные связи и трансформации в электрических фильтрах. М., Связьиздат, 1962.