ПОЛОСОВОЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ LC-ФИЛЬТР
TUNABLE BAND-PASS LC-FILTER

Предлагаемое устройство относится к радиоэлектронике и может быть использовано для частотной селекции сигналов в корреспондентской аппаратуре связи.
В аппаратных средствах магистральной радиосвязи для предварительной селекции сигналов частот используют перестраиваемые по частоте полосовые LC-фильтры, которые реализуются на основе полосовых LC-фильтров путем изменения величин конденсаторов, входящих в состав исходной схемы.
В предлагаемом устройстве использована схема, которая при введении четырех дополнительных элементов позволяет реализовать полосовой перестраиваемый фильтр второго порядка с полюсами затухания.
Наиболее близкой по структуре к предлагаемому устройству является схема, состоящая из каскадного включения фильтра нижних частот (ФНЧ) и полосовой цепи, при этом ФНЧ содержит первую катушку индуктивности, первый вывод которой является входом фильтра нижних частот и подключен к входной потенциальной клемме устройства, второй вывод этой катушки индуктивности соединен со второй и третьей катушками индуктивности, второй вывод второй катушки индуктивности через первый конденсатор соединен с общей шиной, второй вывод третьей катушки индуктивности является выходом фильтра нижних частот и подключен ко входу полосовой цепи, состоящей из четвертой катушки индуктивности, первый вывод которой является входом полосовой цепи, второй вывод четвертой катушки индуктивности соединен с общей шиной, первый вывод четвертой катушки индуктивности соединен с первым выводом пятой катушки индуктивности, второй вывод которой через второй конденсатор подключен к выходу полосовой цепи, к потенциальной клемме устройства и к шестой катушке индуктивности, второй вывод которой соединен с общей шиной.
Фрагменты этой цепи (ФНЧ и полосовой фильтр) являются известными [1]. Данная схема, как отмечалось выше, является наиболее близкой к заявляемому решению по структуре и выбрана нами в качестве прототипа.
Данная схема содержит два конденсатора и может реализовать полосовую цепь с одним полюсом затухания.
Задача изобретения - получение более высокой избирательности и расширение функциональных возможностей (возможность перестройки по частоте).
Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее ФНЧ, состоящий из первой катушки индуктивности, первый вывод которой является входом фильтра нижних частот и подключен к входной потенциальной клемме устройства, второй вывод этой катушки индуктивности соединен со второй и третьей катушками индуктивности, второй вывод второй катушки индуктивности через первый конденсатор соединен с общей шиной, второй вывод третьей катушки индуктивности является выходом фильтра нижних частот и подключен ко входу полосовой цепи, состоящей из четвертой катушки индуктивности, первый вывод которой является входом полосовой цепи, второй вывод четвертой катушки индуктивности соединен с общей шиной, первый вывод четвертой катушки индуктивности соединен с первым выводом пятой катушки индуктивности, второй вывод которой через второй конденсатор подключен к выходу полосовой цепи, к потенциальной клемме устройства и к шестой катушке индуктивности, второй вывод которой соединен с общей шиной, дополнительно введены седьмая и восьмая катушки индуктивности, а также первый и второй варикапы, при этом седьмая катушка индуктивности одним выводом подключена к входной потенциальной клемме фильтра, а вторым подключена к общей шине, восьмая катушка индуктивности подключена к выходу фильтра нижних частот, второй ее вывод соединен с выходной потенциальной клеммой устройства, первый варикап подключен параллельно первому конденсатору, второй варикап подключен параллельно второму конденсатору.
Сопоставительный анализ показывает, что заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что в устройство дополнительно введены седьмая и восьмая катушки индуктивности, а также первый и второй варикапы, при этом седьмая катушка индуктивности одним выводом подключена к входной потенциальной клемме фильтра, а вторым подключена к общей шине, восьмая катушка индуктивности подключена к выходу фильтра нижних частот, второй ее вывод соединен с выходной потенциальной клеммой устройства, первый варикап подключен параллельно первому конденсатору, второй варикап подключен параллельно второму конденсатору.
При сравнении заявляемого устройства не только с прототипом, но и с другими техническими решениями, известными в науке и технике, не обнаружены решения, обладающие сходными признаками.
На фиг.1 приведена электрическая схема заявляемого устройства. Устройство состоит из ФНЧ, содержащего первую катушку индуктивности 1, подключенных к ней второй 2 и третьей 3 катушек индуктивности, второй вывод второй катушки индуктивности через первый конденсатор 4 соединяется с общей шиной, второй вывод третьей катушки индуктивности соединен с первым выводом четвертой 5 и пятой 6 катушками индуктивности полосовой цепи, второй вывод четвертой катушки индуктивности 5 соединен с общей шиной, второй вывод пятой катушки индуктивности 6 через второй конденсатор 7 соединен с шестой катушкой индуктивности 8 и выходной потенциальной клеммой устройства, второй вывод шестой катушки индуктивности соединен с общей шиной. Дополнительная седьмая катушка индуктивности 9 подключена ко входной потенциальной клемме фильтра, второй вывод этой катушки соединен с общей шиной, восьмая дополнительная катушка индуктивности 10 соединяет вход и выход полосовой цепи, первый варикап 11 подключен параллельно первому конденсатору 4, второй варикап 12 подключен параллельно второму конденсатору 7. Устройство работает следующим образом.
Полученную после введения дополнительных катушек индуктивности 9 и 10 схему можно представить в виде каскадного соединения двух звеньев полосовых фильтров, каждое из звеньев эквивалентно симметричной мостовой схеме, приведенной на фиг.2.
Схема на фиг.2 представляет собой полосовой фильтр первого класса по затуханию и обеспечивает один полюс затухания, который может быть расположен выше или ниже полосы пропускания, в зависимости от выбранных значений элементов.
Элементы схемы могут быть определены по следующим формулам:
<mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>m</mi></msub><mi>m</mi></mrow><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>m</mi></msub><mo>⋅</mo><mn>2</mn><mi>Δ</mi><mi>ω</mi></mrow><mrow><msubsup><mi>ω</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mi>m</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mi>m</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>C</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>m</mi><mrow><mn>2</mn><msub><mi>Z</mi><mi>m</mi></msub><mi>Δ</mi><mi>ω</mi></mrow></mfrac></mrow>
0
Здесь ω - средняя частота;
Δω - полоса пропускания;
m
Z- номинальное характеристическое сопротивление;
<mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>ω</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>ω</mi><mi>∞</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>ω</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>ω</mi><mi>∞</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
- коэффициент, характеризующий положение полюса затухания;
∞
ω - частота полюса затухания;
1
2
2
1
1
ω, ω - частоты краев полосы пропускания. Если выбрать частоту полюса затухания выше полосы пропускания, то m<1. В этом случае L>L, и, вынося за пределы мостовой схемы индуктивность L, получим схему, приведенную на фиг.3.
4
6
6
5
5
51
52
5
1
51
52
1
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
Преобразуя двухполюсник, состоящий из ΔL, 2С и
, получим эквивалентный двухполюсник, состоящий из последовательного контура, который содержит индуктивность L и емкость С и параллельно подключенную к контуру индуктивность L [2]. Разделив индуктивность L на две равные по величине и параллельно включенные индуктивности L=L-2L (см. фиг.4), и введя идеальные трансформаторы между последовательным контуром и индуктивностями L÷L на входе и индуктивностями L и L на выходе, используя известные преобразования Нортона [2], получим схему, приведенную на фиг.5.
1
2
1
2
Если частоту полюса затухания выбрать ниже полосы пропускания, получим m>1. В этом случае L>L. Вынося за пределы моста индуктивность L2, как последовательную ветвь, а затем ΔL=L-L как параллельную ветвь, получим схему, приведенную на фиг.6.
0
В этой схеме величина индуктивности L определяется формулой
<mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>L</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>L</mi><mo>−</mo><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
0
<mrow><mi>m</mi><mo>></mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>2</mn><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>ω</mi></mrow><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
Величина L будет положительной при условии, когда
Затем, как и в предыдущем случае, используя преобразование Нортона, получим схему, приведенную на фиг.7.
8
9
Четырехэлементный двухполюсник, содержащий индуктивность L, L и конденсатор С9, заменим эквивалентным трехэлементным, содержащим параллельную индуктивность, получим схему, показанную на фиг.8.
0
0
Таким образом, соединяя схемы, приведенные на фиг.4 и 8, получаем схему фиг.1, в которой первое звено реализует полюс затухания выше частоты ω, второе - ниже частоты ω.
Подключение варикапов позволяет изменять величины входящих в схему емкостей и тем самым перестраивать среднюю частоту фильтра.
Источники информации
1. Босый Н.Д. Электрические фильтры. Гостехиздат УССР, Киев, 1959 (стр.131, рис.3.1 и стр.169, рис.3.29).
2. Черне Х.И. Индуктивные связи и трансформации в электрических фильтрах. Связьиздат, М., 1962 (стр.245, 300).