Перестраиваемый фильтр гармоник радиопередатчика
RADIO TRANSMITTER ADJUSTABLE HARMONIC 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 фильтрах гармоник коротковолновых передатчиков обычно применяются фильтры нижних частот (ФНЧ) [1]. Исходя из требований к фильтрации высших гармоник, начиная со второй, фильтры проектируются на заданное значение затухания в полосе задерживания. При этом коэффициент перекрытия поддиапазонов по частоте выбирают обычно в пределах 1,4…1,8, то есть для коротковолнового передатчика, перекрывающего диапазон частот 1,5…30 МГц, потребуется от девяти до пяти фильтров соответственно, причем чем меньше количество фильтров, тем сложнее их структура. Поддиапазонные фильтры переключаются, как правило, при помощи реле, включенных на входе и выходе каждого фильтра.
Главными недостатками фильтров гармоник на основе переключаемых ФНЧ являются сложность в настройке, а также необходимость высокой точности изготовления катушек индуктивности и применения конденсаторов с малыми отклонениями емкости от номинальных значений, то есть более дорогих. В противном случае не удается обеспечить необходимый уровень согласования фильтра гармоник, так как коэффициент бегущей волны (КБВ) на входе фильтра гармоник наиболее чувствителен к точности его настройки. Кроме того фильтры гармоник на основе переключаемых ФНЧ имеют, как правило, большие габаритные размеры и массу. Данная проблема обостряется с ростом мощности передаваемого сигнала, так как размеры катушек индуктивности при этом увеличиваются пропорционально увеличению проходящего через них тока.
Более рационально проблему согласования фильтра гармоник и уменьшения его габаритных размеров и массы можно решить, взяв за основу не ФНЧ, а полосовые перестраиваемые фильтры, обеспечивающие согласование не во всей широкой полосе пропускания ФНЧ, а только на частоте передаваемого сигнала и на близлежащих частотах. Такое устройство, представленое в [2], выбрано в качестве прототипа как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому.
Анализ прототипа показал, что он имеет ограничения по мощности передаваемого сигнала в тех случаях, когда требуется обеспечить мощность сигнала на выходе передатчика, равную 20 кВт и более. Данные ограничения возникают прежде всего из-за чрезмерно большой величины тока, протекающего через контакты переключателей, и прежде всего тех, которые используются в конденсаторах переменной емкости. Кроме того, применяемые для переключения поддиапазонов вакуумные реле, рассчитанные на такую мощность, не имеют третьего контакта, замыкающего вход и выход фильтра в каждом нерабочем поддиапазоне на общую шину, что приводит к повышению уровня гармонических составляющих передаваемого сигнала из-за их прохождения на выход фильтра гармоник через емкости разомкнутых контактов реле нерабочих поддиапазонов.
Задача изобретения - расширение эксплуатационных возможностей перестраиваемого фильтра гармоник радиопередатчика при одновременном снижении уровня гармонических составляющих передаваемого сигнала.
Указанная задача решается тем, что в перестраиваемый фильтр гармоник радиопередатчика, содержащий в средней своей части N средних катушек индуктивности, где N - число частотных поддиапазонов, первый конденсатор переменной емкости, подключаемый к первому выводу каждой средней катушки индуктивности при помощи одного из N первых переключателей, второй конденсатор переменной емкости, подключаемый к второму выводу каждой средней катушки индуктивности при помощи одного из N вторых переключателей, N входных Г-образных звеньев, каждое из которых состоит из двух катушек индуктивности, точка соединения которых соединена с первым выводом соответствующей средней катушки индуктивности, и N выходных Г-образных звеньев, каждое из которых состоит из двух катушек индуктивности, точка соединения которых соединена с вторым выводом соответствующей средней катушки индуктивности, при этом вход каждого входного Г-образного звена подключен к входному разъему фильтра гармоник через соответствующий входной переключатель, а выход каждого выходного Г-образного звена подключен к выходному разъему фильтра гармоник через соответствующий выходной переключатель, при этом первый и второй конденсаторы переменной емкости выполнены каждый в виде набора конденсаторов, переключаемых при помощи устройства управления, введены N первых дополнительных конденсаторов, каждый из которых включен между первым выводом соответствующей средней катушки индуктивности и общей шиной, и N вторых дополнительных конденсаторов, каждый из которых включен между вторым выводом соответствующей средней катушки индуктивности и общей шиной, при этом параллельно каждому из первых и вторых дополнительных конденсаторов подключен один из 2N дополнительных переключателей.
На фигуре приведена схема заявленного устройства в исходном состоянии. Перестраиваемый фильтр гармоник радиопередатчика, содержащий в средней своей части N средних катушек индуктивности 1, где N - число частотных поддиапазонов, первый конденсатор 2 переменной емкости, подключаемый к первому выводу каждой средней катушки индуктивности при помощи одного из N первых переключателей 3, второй конденсатор 4 переменной емкости, подключаемый к второму выводу каждой средней катушки индуктивности при помощи одного из N вторых переключателей 5, N входных Г-образных звеньев 6, каждое из которых состоит из двух катушек индуктивности, точка соединения которых соединена с первым выводом соответствующей средней катушки индуктивности, и N выходных Г-образных звеньев 7, каждое из которых состоит из двух катушек индуктивности, точка соединения которых соединена с вторым выводом соответствующей средней катушки индуктивности, при этом вход каждого входного Г-образного звена 6 подключен к входному разъему 8 фильтра гармоник через соответствующий входной переключатель 9, а выход каждого выходного Г-образного звена 7 подключен к выходному разъему 10 фильтра гармоник через соответствующий выходной переключатель 11, при этом первый 2 и второй 4 конденсаторы переменной емкости выполнены каждый в виде набора конденсаторов, переключаемых при помощи устройства управления 12. В фильтр гармоник введены N первых дополнительных конденсаторов 13, каждый из которых включен между первым выводом соответствующей средней катушки индуктивности и общей шиной, и N вторых дополнительных конденсаторов 14, каждый из которых включен между вторым выводом соответствующей средней катушки индуктивности и общей шиной, при этом параллельно каждому из первых и вторых дополнительных конденсаторов подключен один из 2N дополнительных переключателей 15 с замкнутыми в исходном состоянии контактами.
Перестраиваемый фильтр гармоник радиопередатчика работает следующим образом.
Выходной сигнал усилителя мощности передатчика вместе с гармоническими составляющими сигнала поступают на вход 8 фильтра гармоник, предварительно включенного и настроенного на частоту сигнала. Частота основного сигнала находится в полосе частот одного из поддиапазонов, поэтому при помощи устройства управления 12 включены соответствующие включенному поддиапазону входной 9 и выходной 11 переключатели, а также соответствующие дополнительные переключатели 15, нормально замкнутые контакты которых в этом случае размыкаются. При этом первый 2 и второй 4 конденсаторы переменной емкости подключены к соответствующей средней катушке индуктивности 1 через соответствующие первый 3 и второй 5 переключатели. На конденсаторах 2 и 4 переменной емкости при помощи устройства управления 12 предварительно установлены значения емкостей, обеспечивающие настройку фильтра гармоник на заданную частоту. В результате, сигнал проходит на выход 10 фильтра гармоник через соответствующие входное Г-образное звено 6, среднюю катушку индуктивности 1 и выходное Г-образное звено 7 с минимальными потерями и максимальным КБВ на частоте настройки. При этом благодаря дополнительным переключателям 15, замыкающих первый и второй выводы средней катушки индуктивности в каждом отключенном поддиапазоне, фильтр гармоник обеспечивает повышенное затухание на частотах гармоник передаваемого сигнала.
По сравнению с прототипом заявленный фильтр гармоник при одинаковой мощности передаваемого сигнала обеспечивает меньший ток, протекающий через контакты переключателей, используемых в конденсаторах переменной емкости, а также уменьшение тока, протекающего через контакты переключателей 3 и 5. Этот результат обусловлен наличием постоянно подключенных первых 13 и вторых 14 дополнительных конденсаторов, отводящих определенную часть тока, протекающего через эти контакты и через переключаемые конденсаторы, на себя. Конденсаторы 13 и 14 вместе с начальными емкостями конденсаторов 2 и 3 переменной емкости соответственно в их исходном состоянии обеспечивают начальную настройку поддиапазонного фильтра на максимальную частоту включенного поддиапазона. При этом контакты переключателей 3 и 5, соответствующих данному поддиапазону, замкнуты, а контакты переключателей в конденсаторах 2 и 4 переменной емкости разомкнуты. Можно отметить, что положительную роль в формировании характеристик фильтра гармоник на верхних частотах каждого поддиапазона играет размещение дополнительных конденсаторов 13 и 14 непосредственно в поддиапазонном фильтре, что снижает влияние паразитных конструктивных факторов на параметры фильтра гармоник на этих частотах. При перестройке фильтра гармоник в пределах включенного частотного поддиапазона суммарная емкость каждого конденсатора переменной емкости определяется следующим выражением:
,
B
где F - максимальная частота включенного частотного поддиапазона;
0
F- частота настройки фильтра гармоник;
0
0
B
С - минимальная суммарная емкость постоянно включенного дополнительного конденсатора и соответствующего конденсатора переменной емкости, у которого при F=F все конденсаторы отключены.
Заявленный перестраиваемый фильтр гармоник радиопередатчика представляет собой набор из N полосовых перестраиваемых фильтров (ППФ) с асимметричной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), приближающейся по форме к АЧХ ФНЧ, то есть затухание в полосе задерживания справа от частоты настройки значительно больше (на десятки дБ) затухания в полосе задерживания слева от частоты настройки. Каждый ППФ перестраивается в соответствующем ему поддиапазоне частот. Заявленный фильтр гармоник обеспечивает согласование во всем рабочем диапазоне частот на любой из частот настройки и, как результат, уменьшение затухания сигнала. Одновременно фильтр гармоник обеспечивает повышенную избирательность, причем благодаря асимметричной АЧХ, включенного ППФ, приближающейся по форме к АЧХ ФНЧ, уровень гармонических составляющих сигнала на выходе фильтра гармоник достаточно низкий. При этом амплитуда третьей гармоники сигнала на АЧХ ППФ примерно на 20 дБ меньше, чем амплитуда второй гармоники, что компенсирует обратное соотношение уровней этих гармоник на выходе усилителя мощности (УМ) и при подключении фильтра гармоник к УМ уровни второй и третьей гармонических составляющих сигнала на выходе фильтра гармоник становятся примерно равными. Кроме того, заявленный фильтр гармоник, по сравнению с обычными фильтрами гармоник на основе переключаемых ФНЧ, обеспечивает исключение трудоемкой операции настройки фильтра гармоник при его изготовлении. Настройка осуществляется программным способом в автоматическом режиме до получения максимального значения КБВ на каждой задаваемой с определенным шагом частоте настройки. Результаты настройки сохраняются в устройстве управления и используются во время работы фильтра гармоник в составе передатчика.
Источники информации:
1. 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.205…208.
2. Патент RU 2538299, МПК Н03Н 9/00. Фильтр гармоник коротковолнового передатчика / А.Г. Зиновьев, А.В. Богданов. - Заявлено 01.04.2013; опубликовано 10.01.2015, Бюл. №1.