Фильтр гармоник радиопередатчика повышенной мощности
HIGH-POWER RADIO TRANSMITTER HARMONICS 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 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. При этом, чем меньше количество частотных поддиапазонов, тем больше их коэффициент перекрытия по частоте, тем меньше на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) переходная область между полосами пропускания и задерживания, тем сложнее поддиапазонные фильтры [2]. Как правило, из-за большого количества катушек индуктивности такие ФГ имеют увеличенные габаритные размеры и на их долю приходится значительная часть объема РПДУ. Данная проблема обостряется с увеличением мощности передаваемого сигнала, так как размеры катушек индуктивности тоже увеличиваются. ФГ усложняются и увеличиваются в размерах также из-за наличия экранирующих перегородок, разделяющих звенья каждого фильтра в составе ФГ и устраняющих нежелательные электромагнитные связи между ними.
Главными недостатками известных ФГ коротковолновых РПДУ являются их сложная конструкция, а также большие габаритные размеры и масса.
В [3] проблема увеличенных размеров и массы фильтра гармоник 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 [3], можно выбрать в качестве прототипа, так как он является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству.
Анализ прототипа показал, что он не обеспечивает радиопередатчику с повышенной мощностью передаваемого сигнала требуемого уровня гармонических составляющих в спектре этого сигнала. В соответствии с [5] для РПДУ мощностью от 300 до 30000 Вт уровень второй и третьей гармоник не должен превышать значения минус 65 дБ относительно уровня сигнала, а для остальных гармоник эта норма еще жестче - минус 75 дБ. С учетом того, что на выходе усилителя мощности (УМ), к которому подключен ФГ, уровень второй гармоники относительно уровня основного сигнала, как правило, не более минус 37 дБ, а уровень третьей гармоники - не более минус 13 дБ, ФГ должен обеспечить затухание на частотах этих гармоник не менее 28 и 52 дБ соответственно, плюс необходимый запас в 1-2 дБ. Кроме того, ФГ должен обеспечить затухание на частотах высших гармоник (прежде всего пятой и седьмой) не менее 53 дБ. Даже, если снижение уровня гармонической составляющей второго порядка выходного сигнала фильтра гармоник в составе передатчика повышенной мощности до необходимых значений осуществлять при помощи метода частотной инжекции [6], уровни высших гармоник, начиная с третьей, остаются неприемлемо высокими. Поэтому прототип может быть применен только в портативных передатчиках и радиостанциях с небольшой выходной мощностью сигнала, например, не более 100 Вт [7]. В этом случае уровень гармонических составляющих сигнала должен быть не более минус 40 дБ относительно уровня самого сигнала.
Задача изобретения - уменьшение уровня гармонических составляющих третьего и более высоких порядков в спектре выходного сигнала радиопередатчика повышенной мощности.
Указанная задача решается тем, что в фильтре гармоник радиопередатчика повышенной мощности, частотный диапазон 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 фильтра нижних частот 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 фильтра нижних частот и одновременно с первым неподвижным контактом, соединенным с общей шиной, а второй неподвижный контакт соединен с выходной соединительной шиной. Входная и выходная соединительные шины выполнены в виде длинных линий с волновым сопротивлением, равным номинальному волновому сопротивлению фильтров, при этом вход входной длинной линии соединен с входным разъемом и одновременно с вторым неподвижным контактом входного переключателя фильтра нижних частот первого поддиапазона, а вход выходной длинной линии соединен с выходным разъемом и одновременно с вторым неподвижным контактом выходного переключателя фильтра нижних частот первого поддиапазона. Каждый ФНЧ содержит первую и вторую катушки индуктивности, соединенные последовательно, связанные между собой индуктивной связью и размещенные на одном сердечнике, преимущественно тороидальной формы, причем магнитные потоки индуктивно связанных катушек индуктивности направлены навстречу друг другу. Каждый ФНЧ содержит дополнительный конденсатор, подключенный между входом и выходом ФНЧ, а также первый, второй и третий конденсаторы, первые выводы которых подключены к соответствующим выводам первой и второй катушек индуктивности, а вторые выводы соединены с общей шиной через дополнительные первую, вторую и третью катушки индуктивности.
На фигуре приведена схема заявленного устройства в исходном состоянии. Фильтр гармоник радиопередатчика повышенной мощности, 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 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, индуктивно связанные между собой и размещенные на одном сердечнике, преимущественно тороидальной формы, причем магнитные потоки индуктивно связанных катушек индуктивности направлены навстречу друг другу, а также первый 10, второй 11 и третий 12 конденсаторы, первые выводы которых подключены к соответствующим выводам первой 8 и второй 9 катушек индуктивности, а между вторыми выводами и общей шиной включены первая 13, вторая 14 и третья 15 дополнительные катушки индуктивности. В каждом ФНЧ между входом и выходом фильтра включен дополнительный конденсатор 16, благодаря которому на АЧХ фильтра появляется дополнительный полюс затухания.
Дополнительные катушки индуктивности 13, 14 и 15 имеют малую величину индуктивности и могут быть выполнены в виде отрезков шины необходимой длины и формы, например, П-образной.
Фильтр гармоник представляет собой набор из N ФНЧ, каждый из которых содержит всего две катушки индуктивности, намотанные на одном сердечнике. При этом на АЧХ ФНЧ в полосе задерживания имеется несколько полюсов затухания, частота первого из которых зависит от величины взаимоиндуктивности М, то есть от величины коэффициента связи [4] между первой 8 и второй 9 катушками индуктивности и определяется расстоянием между катушками индуктивности и материалом сердечника. Первый полюс затухания на АЧХ ФНЧ возникает благодаря тому, что индуктивно связанные катушки индуктивности 8 и 9 имеют взаимно противоположное направление намотки, что и обеспечивает встречное направление их магнитных потоков. Частота первого полюса затухания зависит также от величины емкости второго конденсатора 11 и ее можно установить равной частоте третьей гармоники минимальной частоты соответствующего поддиапазона или немного больше. От емкости второго конденсатора 11 зависит также уровень коэффициента стоячей волны (КСВ) на входе фильтра гармоник в полосе рабочих частот соответствующего поддиапазона. Частота второго полюса затухания определяется емкостью дополнительного конденсатора 16, а частота третьего полюса затухания - собственной частотой последовательного контура, состоящего из первого конденсатора 10 и первой дополнительной катушки индуктивности 13, а также собственной частотой такого же последовательного контура, состоящего из третьего конденсатора 12 и третьей дополнительной катушки индуктивности 15. Вторая дополнительная катушка индуктивности 14 в образовании полюса затухания участия не принимает. При помощи этой катушки индуктивности 14 можно подстраивать величину индуктивной связи, то есть частоту первого полюса затухания.
Фильтр гармоник радиопередатчика повышенной мощности работает следующим образом.
Выходной сигнал усилителя мощности передатчика вместе с гармоническими составляющими сигнала поступают на входной разъем 1 фильтра гармоник 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 фильтра гармоник 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 фильтра гармоник с минимальными потерями, благодаря улучшенному согласованию и простой структуре ФНЧ.
Заявленный фильтр гармоник радиопередатчика повышенной мощности обеспечивает выполнение требований ГОСТ РВ 52226-2004 [5] для РПДУ мощностью более 300 Вт, но при этом имеет простую конструкцию и небольшие габаритные размеры, благодаря тому, что каждый ФНЧ содержит всего две катушки индуктивности, выполненные на одном сердечнике, а также благодаря отсутствию экранирующих перегородок между ФНЧ и внутри фильтров. Заявленный фильтр гармоник в каждом из N частотных поддиапазонов имеет на выходе очень низкий уровень гармонических составляющих сигнала третьего и более высоких порядков по сравнению с исходными ФНЧ Чебышева без индуктивных и емкостных связей, благодаря наличию в каждом ФНЧ трех полюсов затухания, частота которых зависит от величины коэффициента связи между первой и второй катушками индуктивности, от емкости дополнительного конденсатора и от величины индуктивности дополнительных катушек индуктивности в крайних поперечных ветвях каждого ФНЧ. В результате, как показали расчеты АЧХ фильтра гармоник 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 не менее 54 дБ, что, с учетом уровня гармоник на выходе усилителя мощности, вполне достаточно [5] для РПДУ с мощностью выходного сигнала более 300 Вт. Минимальное затухание на частоте второй гармоники сигнала, равное 7 дБ, полученное на выходе фильтра гармоник, можно считать небольшим вкладом в процесс снижения уровня гармонической составляющей второго порядка выходного сигнала фильтра гармоник в составе передатчика повышенной мощности до необходимых значений при помощи метода частотной инжекции [6]. Достаточно низкий уровень коэффициента стоячей волны (КСВ) на входе фильтра гармоник, не превышающий величины 1,08, 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 [8]), 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. 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.
4. Справочник по радиотехнике: Под ред. Б.А. Смиренина. - М., Л.: Госэнергоиздат, 1950. - С. 54, 55.
5. ГОСТ РВ 52226-2004. Устройства радиопередающие. Требования к основным параметрам внеполосных и побочных радиоизлучений.
6. Кащенко И.Е., Кириченко И.В., Дощанов Е.Х. Подавление гармонической составляющей второго порядка выходного сигнала широкополосного усилителя мощности с помощью частотной инжекции // Техника радиосвязи. 2016. Вып. 2 (29). С. 27-33.
7. ГОСТ 22579-86. Радиостанции с однополосной модуляцией сухопутной подвижной службы. Типы, основные параметры, технические требования и методы измерений.
8. Зааль Р. Справочник по расчету фильтров: Пер. с нем. - М.: Радио и связь, 1983. - с. 185.