Фильтр гармоник коротковолнового передатчика
SHORT-WAVE TRANSMITTER HARMONIC FILTER

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в фильтрах гармоник усилителей мощности широкодиапазонных радиопередатчиков.
Для передачи высокочастотных сигналов с подавленными до требуемого уровня гармоническими составляющими в фильтрах гармоник коротковолновых радиопередающих устройств (РПДУ) обычно применяются фильтры нижних частот (ФНЧ) [1]. Исходя из требований к фильтрации высших гармоник, начиная со второй, фильтры проектируются на заданное значение затухания в полосе задерживания. При этом коэффициент перекрытия поддиапазонов по частоте выбирают обычно в пределах 1,4…1,8, то есть для коротковолнового передатчика, перекрывающего диапазон частот 1,5…30 МГц, потребуется от девяти до пяти фильтров соответственно, причем чем меньше количество фильтров, тем сложнее их структура. Поддиапазонные фильтры переключаются, как правило, при помощи реле, включенных на входе и выходе каждого фильтра.
Главными недостатками фильтров гармоник на основе переключаемых ФНЧ являются сложность в настройке, а также необходимость высокой точности изготовления катушек индуктивности и применения конденсаторов с малыми отклонениями емкости от номинальных значений, то есть более дорогих. В противном случае не удается обеспечить необходимый уровень согласования фильтра гармоник, так как коэффициент стоячей волны (КСВ) на входе фильтра гармоник наиболее чувствителен к точности его настройки.
Для обеспечения более эффективной фильтрации высших гармоник повышают порядок фильтров, как это сделано в [2], что усложняет фильтр гармоник, увеличивает его габаритные размеры. Кроме того, ФНЧ Кауэра 7-го порядка, представленные в [2], обеспечивают одинаковое минимальное затухание всех гармонических составляющих сигнала (около 42 дБ). В то время как на выходе усилителя мощности (УМ), включенного на входе фильтра гармоник, уровень второй гармоники относительно уровня основного сигнала, как правило, не более минус 35 дБ, а уровень третьей гармоники - не более минус 13 дБ. Данное различие уровней основных гармонических составляющих сигнала на входе фильтра гармоник коротковолновых РПДУ не учитывается, поэтому в таких передатчиках уровень подавления второй гармоники сигнала избыточен, а уровень третьей гармоники сигнала приходится дополнительно снижать, иногда в ущерб другим параметрам ФНЧ, например, повышая КСВ, или увеличивать порядок фильтров. А учитывая, что из всего набора переключаемых фильтров в каждый момент времени работы передатчика включен только один из фильтров, а все остальные отключены, то такое построение фильтра гармоник не является рациональным. В результате, фильтры гармоник на основе переключаемых ФНЧ имеют, как правило, большие габаритные размеры и массу, особенно, в передатчиках с повышенной мощностью передаваемого сигнала.
В [3] проблему увеличенных размеров и массы фильтра гармоник решили следующим образом: уменьшили количество ФНЧ для диапазона частот 1,6-30 МГц до двух, но все L- и С-элементы выполнили переменными. Анализ этого устройства показал, что при перестройке в диапазоне частот он не обеспечивает достаточного согласования и снижения КСВ в каждой его достаточно широкой полосе пропускания. Кроме того, большое число перестраиваемых элементов значительно усложняют процесс настройки фильтра гармоник при изготовлении, повышая его трудоемкость.
Более рационально проблему согласования фильтра гармоник можно решить, взяв за основу не ФНЧ, а полосовые перестраиваемые фильтры, и обеспечивать согласование только на частоте передаваемого сигнала [4]. Фильтр гармоник представляет собой набор из N полосовых перестраиваемых Т-образных LC-фильтров с асимметричной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), приближающейся к АЧХ ФНЧ, то есть затухание в полосе задерживания справа от частоты настройки значительно больше (на десятки дБ) затухания в полосе задерживания слева от частоты настройки. Кроме того, в правой полосе задерживания каждого LC-фильтра имеется полюс затухания, частота которого зависит от величины коэффициента связи между первой и второй катушками индуктивности LC-фильтра. Каждый полосовой LC-фильтр перестраивается в соответствующем ему поддиапазоне частот при помощи общего для всех фильтров конденсатора переменной емкости, выполненного в виде набора конденсаторов, переключаемых при помощи устройства управления.
Это устройство выбрано в качестве прототипа как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому. Анализ прототипа показал, что он имеет сложную структуру и большое количество элементов, каждый из которых используется только в одном из N поддиапазонов. Лишь конденсатор переменной емкости является общим для всех поддиапазонов, но для его подключения к LC-фильтрам требуется N переключателей. Таким образом, общее количество переключателей, не считая переключатели в конденсаторе переменной емкости, равно 3N. Общее количество катушек индуктивности также равно 3N, причем многократное использование катушек индуктивности в разных поддиапазонах известного устройства не допускается. В результате, прототип имеет увеличенные габаритные размеры и массу. В части электрических параметров недостатком прототипа можно считать большую величину тока, протекающего через конденсатор переменной емкости и соответственно через переключатель, подключающий этот конденсатор к LC-фильтру включенного поддиапазона.
Задача изобретения - упрощение фильтра гармоник и уменьшение его габаритных размеров и массы при одновременном уменьшении тока, протекающего через элементы устройства.
Указанная задача решается тем, что в фильтр гармоник коротковолнового передатчика, содержащий коммутируемые при помощи входных и выходных трехконтактных переключателей N первых и N вторых катушек индуктивности, соединенных попарно последовательно и связанных друг с другом индуктивной связью, причем магнитные потоки индуктивно связанных катушек индуктивности направлены навстречу друг другу, при этом в каждой паре катушек индуктивности соединены их первые выводы, а к второму выводу первой катушки индуктивности подключен подвижный контакт соответствующего входного трехконтактного переключателя, один из неподвижных контактов которого соединен с входной соединительной шиной, подключенной к входному разъему, а к второму выводу второй катушки индуктивности подключен подвижный контакт соответствующего выходного трехконтактного переключателя, один из неподвижных контактов которого соединен с выходной соединительной шиной, подключенной к выходному разъему, и конденсатор переменной емкости выполненный в виде набора конденсаторов, переключаемых при помощи устройства управления, все точки попарного соединения первых и вторых катушек индуктивности соединены между собой при помощи средней соединительной шины и подключены к одному из выводов конденсатора переменной емкости, второй вывод которого соединен с общей шиной, при этом второй неподвижный контакт каждого входного и каждого выходного трехконтактного переключателя подключен к средней соединительной шине, причем параллельно конденсатору переменной емкости подключен конденсатор постоянной емкости.
В каждой паре катушек индуктивностей первая катушка индуктивности и связанная с ней индуктивной связью вторая катушка индуктивности выполнены в виде двух соосно расположенных на определенном расстоянии друг от друга цилиндрических обмоток, соединенных между собой, или в виде двух обмоток, размещенных на одном сердечнике или каркасе, преимущественно тороидальной формы, при этом направление намотки первой катушки индуктивности противоположно направлению намотки второй катушки индуктивности.
На фиг. 1 приведена схема заявленного устройства в исходном состоянии. Фильтр гармоник коротковолнового передатчика, содержащий коммутируемые при помощи входных 1 и выходных 2 трехконтактных переключателей N первых 3 и N вторых 4 катушек индуктивности, соединенных попарно последовательно и связанных друг с другом индуктивной связью, причем магнитные потоки индуктивно связанных катушек индуктивности направлены навстречу друг другу, при этом в каждой паре 5 катушек индуктивности соединены их первые выводы, а к второму выводу первой катушки 3 индуктивности подключен подвижный контакт соответствующего входного трехконтактного переключателя 1, один из неподвижных контактов которого соединен с входной соединительной шиной 6, подключенной к входному разъему 7, а к второму выводу второй катушки 4 индуктивности подключен подвижный контакт соответствующего выходного трехконтактного переключателя 2, один из неподвижных контактов которого соединен с выходной соединительной шиной 8, подключенной к выходному разъему 9, и конденсатор 10 переменной емкости, выполненный в виде набора конденсаторов, переключаемых при помощи устройства управления 11, все точки попарного соединения первых 3 и вторых 4 катушек индуктивности соединены между собой при помощи средней соединительной шины 12 и подключены к одному из выводов конденсатора 10 переменной емкости, второй вывод которого соединен с общей шиной, при этом второй неподвижный контакт каждого входного 1 и каждого выходного 2 трехконтактного переключателя подключен к средней соединительной шине 12, причем параллельно конденсатору переменной емкости подключен конденсатор постоянной емкости 13.
На фиг. 2 изображена пара 5 катушек индуктивностей, содержащая первую катушку 3 индуктивности и связанную с ней индуктивной связью вторую катушку 4 индуктивности, выполненные в виде двух соосно расположенных на определенном расстоянии друг от друга цилиндрических обмоток, первые выводы которых соединены между собой, при этом направление намотки первой катушки 3 индуктивности противоположно направлению намотки второй катушки 4 индуктивности.
На фиг. 3 изображена пара 5 катушек индуктивностей, содержащая первую катушку 3 индуктивности и связанную с ней индуктивной связью вторую катушку 4 индуктивности, размещенные на цилиндрическом каркасе с возможностью размещения в нем подстроечных сердечников и выполненные в виде двух соосно расположенных на определенном расстоянии друг от друга цилиндрических обмоток, первые выводы которых соединены между собой, при этом направление намотки первой катушки 3 индуктивности противоположно направлению намотки второй катушки 4 индуктивности.
На фиг. 4 изображена пара 5 катушек индуктивностей, содержащая первую катушку 3 индуктивности и связанную с ней индуктивной связью вторую катушку 4 индуктивности, размещенные на одном сердечнике или каркасе, преимущественно тороидальной формы, при этом направление намотки первой катушки 3 индуктивности противоположно направлению намотки второй катушки 4 индуктивности.
м
Фильтр гармоник представляет собой перестраиваемый в диапазоне рабочих частот передатчика ФНЧ в виде одного звена Т-образной формы, в продольных плечах которого размещены переключаемые при помощи входных и выходных трехконтактных переключателей N первых катушек индуктивности и связанные с ними попарно индуктивной связью N вторых катушек индуктивности. Частотный диапазон РПДУ и соответственно фильтра гармоник разбивается на поддиапазоны, каждому из которых соответствуют подключенные к входной и выходной соединительным шинам катушки индуктивности, а точнее, пары катушек индуктивности. При этом, для получения необходимой величины индуктивности, могут быть одновременно подключены две и более пар катушек индуктивности. Таким образом, количество поддиапазонов может быть существенно больше величины N. Например, в макете фильтра гармоник с четырьмя парами катушек индуктивности диапазон рабочих частот от 3 до 30 МГц был разделен на семь поддиапазонов. Следует отметить, что полоса пропускания ФНЧ используется не в привычном для всех виде. Перестраиваемый ФНЧ, в отличие от обычного ФНЧ, можно характеризовать включающим в себя частоту настройки частотным интервалом, в котором КСВ меньше заданной величины, например, КСВ≤1,1. При этом на частоте настройки фильтра гармоник КСВ минимален и, как правило, близок или равен единице. Емкость конденсатора в поперечном плече симметричного ФНЧ, обеспечивающего настройку фильтра гармоник на заданную частоту F, определяется по следующей формуле:
где L - индуктивность продольного плеча ФНЧ;
св
М - взаимоиндуктивность [5], равная К⋅L;
св
К - коэффициент индуктивной связи между первой и второй катушками индуктивности в паре;
н
R - сопротивление нагрузки фильтра гармоник.
м
На частоте F характеристическое сопротивление в полосе пропускания ФНЧ равно сопротивлению нагрузки. При этом в полосе задерживания ФНЧ имеем полюс затухания, частота которого зависит от величины коэффициента связи [5] между первой и второй катушками индуктивности и при некотором его значении, то есть при определенном расстоянии между катушками индуктивности, может совпадать с частотой третьей гармоники передаваемого сигнала. Полюс затухания возникает благодаря тому, что индуктивно связанные катушки индуктивности имеют взаимно противоположное направление намотки, что и обеспечивает встречное направление их магнитных потоков. Каждый ФНЧ перестраивается в соответствующем ему поддиапазоне частот при помощи конденсатора переменной емкости, общего для всех фильтров.
Приведем еще несколько формул, характеризующих данный ФНЧ.
Номинальная частота фильтра определяется по формуле
.
Частота полюса затухания фильтра определяется по формуле
.
При этом отношение частоты полюса затухания фильтра к его номинальной частоте есть величина постоянная и от настройки фильтра при помощи емкости не зависит:
.
Номинальное характеристическое сопротивление ФНЧ определяется следующим выражением:
0
0
R=2πF(L-M).
Фильтр гармоник коротковолнового передатчика работает следующим образом.
Выходной сигнал усилителя мощности передатчика вместе с гармоническими составляющими сигнала поступают на входной разъем 7 фильтра гармоник, предварительно включенного и настроенного на частоту сигнала. Частота основного сигнала находится в полосе частот одного из поддиапазонов, то есть в полосе частот, соответствующей включенной паре 5 состоящей из первой 3 и второй 4 катушек индуктивности, поэтому при помощи устройства управления 11 включены соответствующие данной паре 5 входной 1 и выходной 2 трехконтактные переключатели, а на конденсаторе 10 переменной емкости установлено необходимое значение емкости, обеспечивающее вместе с емкостью постоянно подключенного конденсатора 13 настройку фильтра гармоник на заданную частоту. Могут быть включены несколько пар 5, состоящих из первых 3 и вторых 4 катушек индуктивности, а также соответствующие этим парам 5 входные 1 и выходные 2 трехконтактные переключатели. При этом параллельно соединенные первые 3 и параллельно соединенные вторые 4 катушки индуктивности этих пар обеспечивают получение новых значений индуктивности для соответствующих более высокочастотных поддиапазонов. В результате, сигнал проходит на выходной разъем 9 фильтра гармоник с минимальными потерями и минимальным КСВ на частоте настройки. Для того, чтобы индуктивности отключенных первых 3 и вторых 4 катушек индуктивности вместе с межконтактными емкостями отключенных входных 1 и выходных 2 трехконтактных переключателей не образовывали в полосе задерживания паразитные полосы пропускания, данные катушки индуктивности замыкаются накоротко соответствующими контактами данных трехконтактных переключателей.
Заявленный фильтр гармоник коротковолнового передатчика по сравнению с прототипом при одинаковом количестве частотных поддиапазонов имеет в полтора раза меньшее количество катушек индуктивности и переключателей. В отличие от прототипа, где многократное использование катушек индуктивности в разных частотных поддиапазонах исключено, в заявленном фильтре гармоник это применяется, что существенно уменьшает габаритные размеры устройства, упрощает и удешевляет его. При этом конденсатор переменной емкости, общий для всех поддиапазонов, подключен постоянно и его переключение, как в прототипе, не требуется. Как показал расчет, ток через этот конденсатор уменьшился по сравнению с прототипом на 20-30%, в зависимости от частоты настройки фильтра гармоник в пределах частотного поддиапазона.
Заявленный фильтр гармоник коротковолнового передатчика обеспечивает практически идеальное согласование во всем диапазоне рабочих частот передатчика на любой из частот настройки и, как результат, уменьшение затухания сигнала. Одновременно фильтр гармоник обеспечивает достаточно низкий уровень гармонических составляющих сигнала на выходе фильтра гармоник. При этом подавление второй и в большей степени третьей гармоник сигнала увеличивается благодаря наличию полюса затухания, частота которого зависит от величины коэффициента связи между первой и второй катушками индуктивности в каждой паре индуктивно связанных катушек индуктивности и может совпадать с частотой третьей гармоники передаваемого сигнала. Можно отметить еще одно достоинство заявленного фильтра гармоник - уровень третьей гармоники сигнала на выходе значительно меньше уровня второй гармоники, что компенсирует обратное соотношение уровней гармоник на выходе усилителя мощности. Кроме того, заявленный фильтр гармоник, по сравнению с обычными фильтрами гармоник на основе переключаемых ФНЧ, так же как прототип, обеспечивает исключение трудоемкой операции настройки фильтра гармоник при его изготовлении. Настройка фильтра гармоник осуществляется по заданной программе до получения минимального значения КСВ на каждой задаваемой с определенным шагом частоте настройки. Результаты настройки сохраняются в устройстве управления и используются во время работы фильтра гармоник в составе передатчика. При таком способе настройки не требуется применение в фильтре гармоник конденсаторов с малыми отклонениями емкости от номинальных значений.
Источники информации:
1. 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. 205…208.
2. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: 1990. - с. 100.
3. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: 1990. - с. 119.
4. Патент RU 2560792, МПК Н03Н 7/12. Фильтр гармоник коротковолнового передатчика / А.Г. Зиновьев, А.В. Богданов. - Заявлено 21.05.2014; опубликовано 20.08.2015, Бюл. №23.
5. Справочник по радиотехнике: Под ред. Б.А. Смиренина. - М., Л.: Госэнергоиздат, 1950. - с. 54, 55.