Полосовой фильтр

Полезная модель относится к технике связи, а именно к полосовым фильтрам, и может найти применение в мощных цифровых телевизионных передатчиках дециметрового диапазона длин волн (стандарта DVB-T2).
Из уровня техники известен полосно-пропускающий фильтр на четвертьволновых резонаторах с последовательными и непоследовательными связями между ними по патенту ЕР №1258941 A3, разработанный для аналогового телевизионного вещания в диапазоне дециметровых волн (УВЧ). Фильтр состоит из 4-х цилиндрических центральных проводников, помещенных в квадратные экраны. Каждый центральный проводник имеет неподвижную часть с контактами и подвижную часть, приводимую в движение стальным стержнем. Центральный проводник в экране образует объемный настраиваемый резонатор. Все четыре резонатора расположены П-образно так, что первый, входной резонатор находится рядом с последним, выходным резонатором. Электрические связи между резонаторами выполнены в виде регулируемых петель индуктивной связи и регулируемых емкостных зондов. Для повышения стабильности частотной характеристики фильтра при изменении окружающей температуры и мощности сигнала (термостабильности) использованы следующие приемы:
- стержни выполнены из сплава ИНВАР;
- в резонаторе выбрано оптимальное соотношение размеров экрана и диаметра центрального проводника, при этом габаритные размеры резонаторов и фильтра значительные;
- посеребрены внутренние поверхности резонатора.
В данной конструкции, несмотря на принятые меры, не обеспечивается термостабильность частотной характеристики фильтра.
Ближайшим аналогом предлагаемой модели является полосовой фильтр по патенту США №8143973, состоящий из четного числа 2n резонаторов коаксиального типа, где n=2, 3 или 4. Фильтр был специально разработан для аналогового и цифрового телевизионного вещания в УВЧ диапазоне. Количество резонаторов 4, 6 или 8 определяется требованиями к избирательности фильтров, выдвигаемых стандартами на вещательное телевидение аналоговых и цифровых передатчиков. Для цифровых передатчиков DVB-T2 с критической маской [1] требуется, к примеру, фильтр из 8 резонаторов. Для аналогового передатчика достаточно фильтра из 4 резонаторов. Фильтры выпускаются отдельными типоразмерами на каждый уровень мощности, например 2,5 кВт, 5 кВт, 10 кВт, и имеют КПД около 90%.
Ближайший аналог может быть построен, например, из шести резонаторов. В каждом резонаторе имеется наружный проводник (экран) и цилиндрический центральный проводник. Эти два проводника соединены на одном конце короткозамыкателем (крышкой), а другой конец центрального проводника свободен. Центральный проводник состоит из неподвижной и подвижной части, которую для настройки можно перемещать в контактах по ее окружности. Длины центральных проводников резонаторов фиксируются после настройки стальными стержнями. Для температурной стабилизации частотной характеристики стержни выполнены из сплава ИНВАР. В резонаторах приняты меры для уменьшения потерь пропускаемого сигнала: оптимизация отношения размеров экрана и центрального проводника, серебрение и полировка внутренних поверхностей. Частотная характеристика с высокой избирательностью достигается П-образным расположением резонаторов и электрическими связями не только между последовательными, но и между непоследовательными резонаторами. Последовательные связи выполнены в виде регулируемых индуктивных петель. Непоследовательные (поперечные) связи выполнены между соседними резонаторами и могут быть как индуктивными, к примеру, первого с шестым, так и емкостными (второго с пятым).
В данной конструкции элементы резонатора (экран и центральный проводник) нагреваются неравномерно. Центральный проводник нагревается значительно выше, чем экран, что не позволяет обеспечить температурную стабильность частотной характеристики фильтра (термостабильность). Общие габариты и массы фильтра также значительны.
Стандартом [1] оговорены основные требования к частотным характеристикам фильтров передатчиков цифрового телевизионного вещания: полоса пропускания около 1% от средней рабочей частоты, крутизна склонов характеристики до 150 дБ/мГц, изменение частоты точек с уровнем -3 дБ на склонах характеристики не более 110 кГц при изменении температуры фильтра.
Измерения показали, что, при мощности проходящего сигнала передатчика в несколько киловатт подвижные центральные проводники и контакты в фильтре подобной конструкции нагреваются на 60-80°С выше, чем экран. Более всего нагревается область кольцевого контакта. От этого перегрева на 20% снижается напряжение начала электротеплового пробоя воздуха в резонаторах [2] и, следовательно, пропускаемая фильтром мощность. Температурная нестабильность частотной характеристики превышает допустимую величину в 2 кГц/град. Задача состоит в том, чтобы устранить этот перегрев.
Сегодня для уменьшения перегрева, поддержания стабильности и пропускаемой фильтром мощности фирмы увеличивают размеры центральных проводников и фильтров в целом. Габариты и стоимость фильтров составляют заметную часть от передатчика. Например, фильтр CTV/U/DVB6-5 [3] для передатчика мощностью 5 кВт весит 58 кг при габаритах 725×500×440 мм.
Таким образом, технической задачей предлагаемой модели является уменьшение температурной нестабильности частотной характеристики и увеличение пропускаемой фильтром мощности за счет снижения температуры центральных проводников резонаторов при сохранении их подвижности.
Поставленная задачи решается благодаря тому, что в полосовом фильтре, содержащем связанные между собой электрически последовательно и расположенные П-образно 2n коаксиальных резонаторов, по меньшей мере два смежных резонатора соединены посредством поперечной связи, а все резонаторы выполнены конструктивно идентично и состоят из наружного экрана, короткозамыкателя с кольцевым контактом и выполненного в виде полой трубы центрального проводника, установленного с возможностью продольного перемещения в контакте. При этом полая труба закрыта у разомкнутого конца резонатора, а петли связи первого и последнего резонаторов являются соответственно входом и выходом устройства. Каждый центральный проводник снабжен втулкой из теплопроводного материала, размещенной напротив контакта короткозамыкателя, причем наружный диаметр втулки выполнен по скользящей посадке с внутренним диаметром проводника. Втулки снабжены двумя отверстиями, сквозь которые пропущены испарительные концы тепловых труб с обеспечением теплового контакта с втулкой, а на конденсационных концах тепловых труб снаружи резонатора установлен радиатор охлаждения. Такое конструктивное решение фильтра надежно при многолетней работе.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен полосовой фильтр (вид сверху), на фиг. 2 - вид сбоку с разрезом по А-А экранов резонаторов, на фиг. 3 показан центральный проводник резонатора в разрезе. На фиг. 4 представлено фото теплопроводной втулки с отверстиями и впаянными в них тепловыми трубами, на фиг. 5 - фото центрального проводника в кольцевом контакте короткозамыкателя. На фиг. 6 приведена фактическая частотная характеристика полосового фильтра, а на фиг. 7 - фото реального фильтра для передатчиков мощностью 5 кВт, шесть резонаторов, n=3.
Полосовой фильтр содержит расположенные П-образно 2n коаксиальных резонаторов 1, где n=2, 3 или 4. Рассмотрим конструкцию фильтра на примере фильтра, состоящего из шести резонаторов, размещенных вплотную друг к другу. Резонаторы связаны между собой электрически последовательно посредством индуктивных петель 2, пропущенных сквозь общие щели в экранах. При этом смежные резонаторы (первый и шестой) соединены также посредством поперечной петли 3 индуктивной связи, а смежные резонаторы (второй и пятый) соединены поперечной петлей 3 комбинированной индуктивно-емкостной. Все резонаторы выполнены конструктивно идентично. Каждый состоит из наружного экрана 4, короткозамыкателя 5 с кольцевым контактом 6 и выполненного в виде полой трубы центрального проводника 7. Центральный проводник установлен с возможностью продольного перемещения в контакте, при этом полая труба закрыта у разомкнутого конца резонатора. К этому концу закреплен в центре по оси стальной стержень 16, выполненный из сплава инвар с малым коэффициентом температурного расширения. Усилием, прилагаемым к противоположному концу этого стержня, может перемещаться проводник. Стержень крепится фиксатором 17 к короткозамыкателю (крышке) 5. Петли индуктивной связи первого и последнего резонаторов предназначены для соединения с центральными проводниками коаксиальных фидерных трактов, к которым подключается фильтр. Они являются соответственно входом 8 и выходом 9 устройства.
Каждый полый центральный проводник 7 снабжен толстостенной втулкой 10 из теплопроводного материала, например меди, размещенной напротив контакта 6 короткозамыкателя 5. Наружный диаметр втулки 10 выполнен по скользящей посадке с внутренним диаметром трубы проводника, втулка снабжена двумя параллельными ее оси отверстиями 11, сквозь которые пропущены испарительные концы первой 12 и второй 13 тепловых труб с обеспечением неразъемного теплового контакта с втулкой, например пайкой. Тепловые трубы 12, 13 закреплены к короткозамыкателю (крышке) 5 фиксатором 18. На противоположных, конденсационных концах тепловых труб снаружи резонатора установлен радиатор охлаждения 14. Радиатор выполнен с двумя отверстиями для теплопроводного соединения с тепловыми трубами 12, 13 и центральным отверстием для стержня 16. Он съемный, и для этого разрезан вдоль осей отверстий на две половины. Половины соединены (свинчены), тепловые трубы охватываются половинками плотно через смазку теплопроводной пастой, стержень в свое отверстие проходит с зазором. Полосовой фильтр дополнительно снабжен вентилятором 15. Вентилятор устанавливается над короткозамыкателями (крышками) 5 резонаторов так, чтобы одновременно с ними он охлаждал (обдувал) и все радиаторы охлаждения 14 тепловых труб 12, 13.
Перед работой выполняется настройка полосового фильтра. Во всех резонаторах теплопроводные втулки 10 с впаянными тепловыми трубами 12, 13 по скользящей посадке опускаются в центральные проводники 7 до положения напротив кольцевых контактов 6 и закрепляются к короткозамыкателям (крышкам) 5 фиксаторами 18. Коаксиальными соединителями вход 8 и выход 9 фильтр включается в цепь с распространяющимся УВЧ сигналом от прибора - измерителя коэффициентов передачи S11 и S21. Петлевыми проводниками последовательных 2 связей и поперечных 3 связей обеспечивается ввод - вывод энергии в системе фильтр - измерительная линия. Подбирая стержнями 16 длины центральных проводников 7 и погружая петли 2, 3 в резонаторы, по известным методикам настройки добиваются требуемой частотной характеристики (см. фиг. 6). При настройке каждый проводник 7 скользит между кольцевым контактом 6 и втулкой 10. В настроенном положении проводника 7 двигавший его стержень 16 закрепляется фиксатором 17. Радиаторы 14 закрепляются через теплопроводную пасту на тепловые трубы 12, 13 вне резонатора после настройки.
Число резонаторов связано с видом необходимой частотной характеристики. Фильтр из шести резонаторов, n=3, реализует крутизну склонов около 100 дБ/ мГц (см. фиг. 6), для крутизны 150 дБ/мГц необходимо n=4.
Количество тепловых труб 12, 13 в проводнике 7 может быть больше двух. Важно, чтобы конструкция механически прочно удерживала теплопроводную втулку 10 и радиатор 14, а общее тепловое сопротивление цепи из последовательного соединения кольцевого контакта 6, стенки полой трубы 7, зазора между полой трубой и теплопроводной втулкой 10, втулки 10, тепловых труб 12, 13 и радиатора 14 не превышало 2°С/Вт. Для этого по необходимости включается вентилятор 15 принудительного охлаждения.
Настроенный по фиг. 6 фильтр для работы включается в коаксиальный тракт передатчика и выполняет свою функцию подавления внеполосных излучений без каких либо подстроек весь многолетний срок эксплуатации передатчика.
При работе фильтра в составе передатчика тепловая мощность 30-40 Вт, выделяющаяся в контакте 6 и центральном проводнике 7 каждого резонатора, передается и рассеивается радиаторами 14, внутренние узлы резонаторов не перегреваются относительно короткозамыкателей (крышек) 5. Благодаря этому предлагаемая полезная модель полосового фильтра имеет в два раза лучшую температурную стабильность частотной характеристики. Ее габаритные размеры составляют 570 мм×380 мм×375 мм, и вес равен 36кГ, что на 25%÷40% меньше, чем у упомянутого фильтра [3] и аналогов других фирм. Разработанный фильтр (см. фиг. 7) реализован в цифровом DVB-T2 телевизионном передатчике НЕВА Ц5 средней мощностью 5 кВт.
Литература
1. Телевидение вещательное цифровое. Передающее оборудование для цифрового наземного вещания DVB-T/T2. Технические требования. Основные параметры. Методы измерений. ГОСТ Р55696, М., Стандартинформ, 2014 г.
2. Афанасьев В.В. Воздушные выключатели. Расчеты и конструирование. М., Энергия, 1964 г., рис. 2-59.
Sira
.
mi
.
it
3. W.W.W.  Sira catalogo_vhf_vhf 150218_bassa.pdf Sistemiradio, стр. 37.