ПОЛОСОВОЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР
BAND-PASS PIEZOELECTRIC FILTER

Предлагаемое устройство относится к радиоэлектронике и может быть использовано в преселекторах профессиональных радиоприемников.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является полосовой пьезоэлектрический фильтр [1], состоящий из нескольких включенных каскадно лестничных П-образных звеньев, каждое из которых содержит в продольной ветви пьезорезонатор, а в поперечных ветвях конденсаторы.
Этот тип фильтра достаточно технологичен, широко используется на практике при реализации относительных полос пропускания в пределах (0,1-0,2)/r, где r - емкостной коэффициент пьезорезонатора, обеспечивает малые потери мощности в рабочей полосе частот, и выбран нами в качестве прототипа.
Недостатком данного фильтра является то, что полюса затухания всегда расположены выше полосы пропускания, и их отстройка от средней частоты ограничена величиной резонансного промежутка используемых в схеме пьезорезонаторов. Вследствие этого требуемое затухание в полосе задерживания при больших значениях отстройки частоты обеспечивается применением большого количества звеньев. Применение большого количества звеньев не только увеличивает стоимость фильтра, но одновременно ухудшаются вносимое затухание и неравномерность частотной характеристики в полосе пропускания.
Задачей изобретения является улучшение избирательности фильтра и улучшение условий сопряжения с внешними устройствами без применения дополнительных согласующих цепей.
Поставленная задача решается тем, что в известную схему фильтра, содержащего три последовательно соединенных пьезорезонатора, к выводам которых подключены первый, второй, третий и четвертый конденсаторы, при этом первый конденсатор подключен между первым выводом первого пьезорезонатора и общей шиной, второй и третий конденсаторы подключены к первому и второму выводам второго пьезорезонатора, а вторые их выводы соединены между собой, четвертый конденсатор включен между вторым выводом третьего пьезорезонатора и общей шиной, дополнительно введены пятый конденсатор, соединяющий первый вывод первого пьезорезонатора с входной потенциальной клеммой фильтра, шестой конденсатор, соединяющий второй вывод третьего пьезорезонатора с выходной потенциальной клеммой фильтра, кроме этого, в схему введены первая катушка индуктивности, первый вывод которой подключен к первому выводу первого пьезорезонатора, а второй ее вывод соединен с седьмым и восьмым конденсаторами, второй вывод седьмого конденсатора соединен со вторым выводом первого пьезорезонатора, второй вывод восьмого конденсатора соединен с общей шиной, и вторая катушка индуктивности, подключенная ко второму выводу третьего пьезорезонатора, второй ее вывод соединен с девятым конденсатором, второй вывод которого подключен к первому выводу третьего пьезорезонатора, и десятым конденсатором, второй вывод которого соединен с общей шиной, схема содержит также третью катушку индуктивности, первый вывод которой соединен со вторыми выводами второго и третьего конденсаторов, второй ее вывод подключен к общей шине.
Сопоставительный анализ показывает, что заявляемое техническое решение решение отличается от прототипа тем, что устройство содержит дополнительно пятый конденсатор, включенный между первым выводом первого пьезорезонатора и входной потенциальной клеммой фильтра, шестой конденсатор, включенный между вторым выводом третьего пьезорезонатора и выходной потенциальной клеммой фильтра, первую катушку индуктивности, первый вывод которой соединен с первым выводом первого пьезорезонатора, а второй соединен с седьмым конденсатором, второй вывод которого соединен со вторым выводом первого пьезорезонатора, и восьмым конденсатором, второй вывод которого соединен с общей шиной, вторую катушку индуктивности, первый вывод которой соединен со вторым выводом третьего пьезорезонатора, ко второму выводу катушки индуктивности подключены девятый конденсатор, вторым выводом соединенный с первым выводом третьего пьезорезонатора, и десятый конденсатор, вторым выводом соединенный с общей шиной, третью катушку индуктивности, подключенную ко вторым выводам второго и третьего конденсаторов, второй вывод катушки индуктивности соединен с общей шиной.
При сравнении заявляемого устройства не только с прототипом, но и с другими известными науке и технике техническими решениями, не обнаружены решения, обладающие сходными признаками.
На фиг.1 приведена электрическая схема фильтра, состоящая из трех последовательно включенных пьезорезонаторов 1, 2, 3, первого конденсатора 4, подключенного к первому выводу первого пьезорезонатора 1, второго конденсатора 5 и третьего конденсатора 6, подключенных к первому и второму выводам второго пьезорезонатора 2 соответственно, четвертого конденсатора 7, подключенного ко второму выводу третьего пьезорезонатора 3, при этом вторые выводы первого и четвертого конденсаторов соединены с общей шиной, пятого конденсатора 8, соединяющего первый пьезорезонатор с входной потенциальной клеммой фильтра, шестого конденсатора 9, соединяющего третий пьезорезонатор с выходной потенциальной клеммой фильтра, первой катушки индуктивности 10, подключенной к первому выводу первого пьезорезонатора, второй вывод катушки индуктивности подключен к седьмому конденсатору 11, вторым выводом подключенного ко второму выводу первого пьезорезонатора, и восьмому конденсатору 12, второй вывод которого соединен с общей шиной, второй катушки индуктивности 13, подключенной ко второму выводу третьего пьезорезонатора, второй ее вывод подключен к девятому конденсатору 14, второй вывод которого соединен с первым выводом третьего пьезорезонатора, и к десятому конденсатору 15, второй вывод которого соединен с общей шиной, а также третьей катушки индуктивности 16, подключенной ко вторым выводам второго 5 и третьего 6 конденсаторов, второй вывод катушки индуктивности 16 соединен с общей шиной.
Устройство работает следующим образом.
Фильтр, представленный на фиг.1, состоит из трех каскадно включенных звеньев. Первое звено этого фильтра, состоящее из пьезорезонатора 1, катушки индуктивности 10 и конденсаторов 4, 8, 11, 12, показано на фиг.2. Контур, состоящий из катушки индуктивности 10 и конденсаторов 4 и 12, возбуждается сигналом, поступающим на этот контур через емкость связи (конденсатор 8), при этом напряжение, образующееся на катушке индуктивности 10, поступает на конденсатор 11 и пьезорезонатор 1 в противофазе. Токи, протекающие через конденсатор 11 и сопротивление нагрузки R и через пьезорезонатор 1 и резистор R, вычитаются на этом резисторе. Если величины конденсаторов 4 и 12 выбрать примерно равными, тогда величины напряжений на входе конденсатора 11 и пьезорезонатора 1 будут также равными и противоположными по фазе, вследствие чего передаточная функция, оцениваемая как отношение напряжений на резисторе R и конденсаторе 4, будет определяться соотношением:
, где
c
X - сопротивление конденсатора 11,
p
X - сопротивление пьезорезонатора 1.
c
p
Таким образом, передаточная функция соответствует передаточной функции симметричного мостового четырехполюсника, нагруженного на сопротивление R, в одной ветви которого включен конденсатор с сопротивлением X, во второй - X [2]. Роль нагрузочного сопротивления выполняет входное сопротивление второго звена фильтра. Как известно [1], такая схема образует полосовую цепь, ширина полосы пропускания которой определяется частотным промежутком пьезорезонатора, а положение полюса затухания - величиной сопротивления конденсатора 11.
Второе звено, содержащее пьезорезонатор 2, конденсаторы 5, 6 и катушку индуктивности 16, в силу симметрии схемы также является эквивалентом симметричного мостового четырехполюсника и также образует полосовой фильтр с полосой пропускания, равной частотному промежутку пьезорезонатора. Полюс затухания второго звена может быть выбран также произвольно, как и в первом звене, однако по сравнению с первым звеном на частотах выше полосы пропускания образуется «паразитная» полоса пропускания. Кроме того, это звено для согласования с нагрузками требует применения дополнительных согласующих окончаний, которые выполняют в виде полузвеньев полосовых LC фильтров, либо антиметричных LC фильтров нижних или верхних частот [1, 3].
Третье звено фильтра выполнено по схеме, идентичной первому. В целом фильтр содержит три полосовых звена, которые согласуются между собой по характеристическому сопротивлению. Согласование с входной и выходной нагрузками осуществляется выбором нужных номиналов конденсаторов 8 и 9. Включение второго звена, содержащего меньшее количество конденсаторов, несколько упрощает схему, а уменьшение затухания на частотах, где образуется «паразитная» полоса пропускания, компенсируется первым и третьим звеньями, не имеющими побочных полос пропускания.
Таким образом, предлагаемая схема реализует полосовой фильтр третьего класса по затуханию, теоретическая ширина полосы пропускания равна частотному промежутку пьезорезонаторов, полюса затухания могут быть выбраны на любых заранее заданных частотах полосы задерживания.
По сравнению с прототипом данный фильтр обеспечивает более широкую полосу пропускания, большую величину затухания в полосе задерживания и не требует применения дополнительных цепей согласования с внешними нагрузками.
Источники информации
1. Великин Я.И., Гельмонт З.Я., Зелях Э.В. Пьезоэлектрические фильтры. Изд. «Связь» М., 1966, стр.108, 177.
2. А.Ф.Белецкий. Основы теории линейных электрических цепей. Изд. «Связь» М., 1967, стр.440.
3. Вопросы согласования пьезоэлектрических фильтров на заданные нагрузки. Ясинский И.М., Яковлев А.Н., Техника радиосвязи, вып.13, г.Омск, 2008.