УЗКОПОЛОСНЫЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ LC-ФИЛЬТР
NARROW-BAND TUNABLE LC-FILTER

Предлагаемое устройство относится к радиоэлектронике и может быть использовано в качестве преселектора в профессиональном радиоприемном устройстве.
В профессиональных радиоприемных устройствах (РПУ) для предварительной селекции сигналов в ряде случаев используются перестраиваемые полосовые LC-фильтры с относительной полосой пропускания 3÷5%, позволяющие существенно улучшить избирательность и динамический диапазон РПУ. Наиболее распространенным способом построения перестраиваемого фильтра является способ, когда в исходную схему какого-либо полосового LC-фильтра вводится дискретный конденсатор переменной емкости (ДКПЕ), с помощью которого изменяются емкости конденсаторов, входящие в схему исходного полосового фильтра, и тем самым изменяется средняя его частота при сохранении постоянной относительной ширины полосы пропускания.
В качестве исходного полосового фильтра могут быть использованы различные схемы, в том числе схема, которая содержит первую индуктивность, подключенный к ней первый конденсатор, ко второму выводу которого подключены второй и третий конденсаторы, при этом второй вывод второго конденсатора соединен с общей шиной, а второй вывод третьего конденсатора соединен со второй катушкой индуктивности [1]. Данная схема полосового фильтра является наиболее близкой к предлагаемому устройству и выбрана в качестве прототипа.
Схема фильтра-прототипа удобна тем, что все конденсаторы сгруппированы в виде Т-образной секции и параллельное подключение к ней одной или нескольких секций, состоящих из П-образных или Т-образных емкостных секций, позволяет дискретно изменять емкости исходной емкостной секции и осуществлять, таким образом, перестройку средней частоты фильтра при наименьшем числе электронных ключей (по два ключа на каждую дополнительную секцию).
Недостатком такого фильтра является то, что перестройка средней частоты может быть выполнена в небольших пределах (как правило, с перекрытием диапазона перестройки в 1,5÷2,0 раза), кроме того, фильтр имеет малую величину затухания при десятипроцентной отстройке частоты.
Задача изобретения - расширение диапазона перестройки фильтра и улучшение коэффициента прямоугольности его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) при неизменных нагрузочных эквивалентах и одном ДКПЕ.
Поставленная задача решается тем, что в схему фильтра, содержащего первую катушку индуктивности, к первому выводу которой подключен первый конденсатор, ко второму выводу которого подключены второй и третий конденсаторы, второй вывод второго конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод третьего конденсатора соединен с первым выводом второй катушки индуктивности, отличающегося тем, что к первому выводу первой катушки индуктивности подключен первый электронный ключ, второй вывод которого соединен с первым выводом третьей катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с входной потенциальной клеммой фильтра, второй вывод первой катушки индуктивности через второй электронный ключ соединен с общей шиной, первый вывод второй катушки индуктивности через третий электронный ключ соединен с четвертой катушкой индуктивности, второй вывод которой соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра, второй вывод второй катушки индуктивности через четвертый электронный ключ соединен с общей шиной, в устройство дополнительно введены четыре сигнальные шины, первая из них подключена к первому выводу третьей катушки индуктивности, вторая шина подключена к первому выводу первой катушки индуктивности, третья шина подключена к первому выводу второй катушки индуктивности, четвертая шина подключена к первому выводу четвертой катушки индуктивности, кроме того, в устройство введены две группы двухобмоточных трансформаторов, первичная обмотка трансформатора первой группы через пятый электронный ключ соединена с первой сигнальной шиной, вторичная обмотка через шестой электронный ключ соединена со второй сигнальной шиной, вторые выводы первичной и вторичной обмоток соединены с общей шиной, первичная обмотка трансформатора второй группы соединена через седьмой электронный ключ с третьей сигнальной шиной, вторичная обмотка этого трансформатора соединена через восьмой электронный ключ с четвертой сигнальной шиной, вторые выводы первичной и вторичной обмоток трансформатора соединены с общей шиной, устройство содержит также М идентичных по структуре емкостных секций, каждая из которых содержит четвертый конденсатор, первый вывод которого через девятый электронный ключ соединен со второй сигнальной шиной, второй вывод четвертого конденсатора соединен с пятым и шестым конденсаторами, второй вывод пятого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод шестого конденсатора через десятый электронный ключ соединен с третьей сигнальной шиной.
Сопоставительный анализ показывает, что заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что к первому выводу первой катушки индуктивности подключен первый электронный ключ, второй вывод которого соединен с первым выводом третьей катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с входной потенциальной клеммой фильтра, второй вывод первой катушки индуктивности через второй электронный ключ соединен с общей шиной, первый вывод второй катушки индуктивности через третий электронный ключ соединен с четвертой катушкой индуктивности, второй вывод которой соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра, второй вывод второй катушки индуктивности через четвертый электронный ключ соединен с общей шиной, в устройство дополнительно введены четыре сигнальные шины, первая из них подключена к первому выводу третьей катушки индуктивности, вторая шина подключена к первому выводу первой катушки индуктивности, третья шина подключена к первому выводу второй катушки индуктивности, четвертая шина подключена к первому выводу четвертой катушки индуктивности, кроме того, в устройство введены две группы двух обмоточных трансформаторов, первичная обмотка трансформатора первой группы через пятый электронный ключ соединена с первой сигнальной шиной, вторичная обмотка через шестой электронный ключ соединена со второй сигнальной шиной, вторые выводы первичной и вторичной обмоток соединены с общей шиной, первичная обмотка трансформатора второй группы соединена через седьмой электронный ключ с третьей сигнальной шиной, вторичная обмотка этого трансформатора соединена через восьмой электронный ключ с четвертой сигнальной шиной, вторые выводы первичной и вторичной обмоток трансформатора соединены с общей шиной, устройство содержит также М идентичных по структуре емкостных секций, каждая из которых содержит четвертый конденсатор, первый вывод которого через девятый электронный ключ соединен со второй сигнальной шиной, второй вывод четвертого конденсатора соединен с пятым и шестым конденсаторами, второй вывод пятого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод шестого конденсатора через десятый 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 предложенного устройства. Устройство состоит из первой катушки индуктивности 1, к первому выводу которой подключен первый конденсатор 2, второй вывод которого соединен со вторым конденсатором 3 и третьим конденсатором 4, второй вывод которого соединен со второй катушкой индуктивности 5. Первый вывод первой катушки индуктивности через первый электронный ключ 6 соединен с третьей катушкой индуктивности 7, второй вывод которой соединен с входной потенциальной клеммой устройства, второй вывод первой катушки индуктивности через второй электронный ключ 8 соединен с общей шиной. Первый вывод второй катушки индуктивности 5 через третий электронный ключ 9 соединен с четвертой катушкой индуктивности 10, второй вывод которой подключен к выходной потенциальной клемме фильтра. Второй вывод второй катушки индуктивности 5 через четвертый электронный ключ 11 соединен с общей шиной. Схема содержит первую сигнальную шину 12, подключенную к первому выводу катушки 7, вторую шину 13, подключенную к катушке 1, третью шину 14, подключенную к катушке 5, и четвертую сигнальную шину 15, подключенную к катушке 10. Устройство содержит две группы двух обмоточных трансформаторов 16 и 17, при этом первичная обмотка каждого из трансформаторов первой группы через пятый электронный ключ 18 соединена с первой шиной 12, вторичная обмотка трансформатора первой группы через соответствующий шестой электронный ключ 19 соединена со второй шиной 13. Первая обмотка трансформаторов второй группы через седьмой электронный ключ 20 соединена с третьей шиной 14, вторая обмотка трансформаторов второй группы через восьмой электронный ключ 21 соединена с четвертой шиной 16.
Кроме того, устройство содержит М емкостных секций 22, каждая из которых содержит четвертый конденсатор 23, первый вывод которого через девятый электронный ключ 24 соединен со второй шиной 13, ко второму выводу конденсатора 23 подключены пятый конденсатор 25 и шестой конденсатор 26, второй вывод которого через десятый электронный ключ 27 соединен с третьей шиной 14.
Кроме того, предлагаемое устройство может быть дополнено двумя вариантами построения, выполненными на основе схемы, показанной на фиг.1.
Первый вариант представлен схемой, показанной на фиг.2. Он содержит дополнительно пятую катушку индуктивности 28, подключенную ко второму выводу третьей катушки индуктивности 7, и шестую катушку индуктивности 29, подключенную ко второму выводу четвертой катушки индуктивности 10. Вторые выводы пятой и шестой катушек индуктивности соединены с общей шиной.
Второй вариант представлен схемой, приведенной на фиг.3. Он содержит дополнительную пару электронных ключей 30 и 31, при этом ключ 30 соединяет вторичную обмотку трансформатора первой группы с первой сигнальной шиной, ключ 31 соединяет первичную обмотку трансформатора первой группы со второй шиной. Схема содержит также дополнительную пару ключей 32 и 33. Электронный ключ 32 соединяет вторичную обмотку трансформатора второй группы с третьей шиной, ключ 33 соединяет первичную обмотку трансформатора второй группы с четвертой шиной.
Устройство работает следующим образом.
При замкнутых ключах 6, 8, 9, 11 получим схему полосового фильтра, состоящую из катушек индуктивности 7, 1, 5, 10 и конденсаторов 2, 3, 4, которая будет иметь второй класс по затуханию. При подключении одной или нескольких емкостных секций с помощью ключей 24 и 27 (эта пара ключей одновременно замкнута либо разомкнута) параллельно исходной секции, состоящей из конденсаторов 3, 4, 5, величины емкостей последних увеличатся и средняя частота исходного полосового фильтра уменьшается. Если отношение емкостей конденсаторов 23 и 25 будет таким же, как отношение емкостей конденсаторов 2 и 3 (емкости конденсаторов Т-образных секций в продольных ветвях считаем равными), то при изменении средней частоты относительная ширина полосы пропускания будет оставаться неизменной, поскольку индуктивности катушек 7, 1, 5, 10 остаются постоянными.
c
Так как эта схема имеет второй класс по затуханию, на средней частоте фильтра и частотах, близких к ней, характеристическая фаза фильтра будет близка к π-радиан и входное сопротивление фильтра W (как показано в работе [2]) не зависит от характеристического сопротивления фильтра Z, которое изменяется в процессе перестройки фильтра и примерно равно нагрузочному сопротивлению. Данная схема позволяет реализовать коэффициент перекрытия диапазона перестройки, равный 3÷3,5 ед., при технологически и конструктивно реализуемых значениях номиналов конденсаторов, входящих в состав ДКПЕ, при потерях электронных ключей в пределах 0,5÷2 Ом.
Если требуется обеспечить больший коэффициент перекрытия, ключи 6, 8, 11, 9 должны быть разомкнуты и включены две пары ключей 18, 19 и 20, 21. При этом между катушкой индуктивности 7 и ДКПЕ на входе схемы включается трансформатор, обеспечивающий коэффициент трансформации 1:n, а на выходе схемы между ДКПЕ и катушкой индуктивности 10 включается трансформатор с коэффициентом трансформации n:1. При n>1 это приводит к уменьшению частоты настройки фильтра при неизменном состоянии ДКПЕ. При n<1 частота настройки будет возрастать. Таким образом подключение соответствующей пары трансформаторов на входе и выходе ДКПЕ дает возможность выбрать новый диапазон перестройки фильтра при прежнем ДКПЕ и тем самым расширить рабочий диапазон работы фильтра. Введение катушек индуктивности 28 и 29 позволяет выбрать более удобные коэффициенты трансформации двухобмоточных трансформаторов и значения индуктивностей катушек 1, 7, 5, 10, поскольку тройка катушек индуктивности 28, 7, 1 (и 5, 10, 29) выполняет роль трансформатора сопротивлений.
Введение дополнительных ключей 30, 31 (32, 33) дает возможность уменьшить число трансформаторов. Например, если катушки индуктивности 1 и 7 выбраны так, что при заданном ДКПЕ реализуется перестройка в диапазоне частот 4÷11 МГц, включение трансформаторов при n=3 обеспечивает работу в диапазоне частот 1,5÷4 МГц, а при  в диапазоне частот 11÷30 МГц. Поэтому можно использовать один унифицированный трансформатор с коэффициентом n=3, включая сначала ключи 18, 19, 20, 21, а затем 30, 31, 32, 33. В этом случае обеспечивается работа в диапазоне частот 1,5÷30 МГц при использовании только одного трансформатора первой группы и одного такого же трансформатора во второй группе.
Таким образом, предложенное устройство дает возможность увеличить коэффициент прямоугольности АЧХ, поскольку класс фильтра по затуханию по сравнению с прототипом увеличен, одновременно увеличивается коэффициент перекрытия диапазона перестройки за счет более удачной по сравнению с прототипом частотной зависимости характеристической фазы фильтра. Введение двухобмоточных трансформаторов дополнительно расширяет диапазон перестройки фильтра.
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.