РАДИОЧАСТОТНЫЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в области фильтрации радиочастотных сигналов, сигналов промежуточной частоты в радиоприемных устройствах, сигналов возбуждения в возбудителях передающих устройств, функционирующих в диапазоне радиочастот до 100 МГц.
При разработке помехоустойчивого, с высоким динамическим диапазоном по входному сигналу радиоэлектронного оборудования, применяемого в диапазоне радиочастот до 100 МГц или имеющего тракт промежуточной частоты в случае супергетеродинного преобразования радиочастоты в данном диапазоне, существует проблема создания малогабаритных, неперестраиваемых, с низкими диссипативными потерями, не подверженных интермодуляционным искажениям и поэтому пассивных фильтров низкой частоты (ФНЧ), высокой частоты (ФВЧ), полосовых фильтров (ПФ) с полосой пропускания более 5%.
Известна конструкция фильтра на поверхностных акустических волнах (ПАВ-фильтр) [Речицкий В.И. Радиокомпоненты на поверхностных акустических волнах / Речицкий, В.И. - М.: Радио и связь, 1984. - 112 с.] (аналог), состоящая из пьезоэлектрических элементов, принцип действия которой основан на прямом и обратном пьезоэффекте, возбуждении и прохождении поверхностной акустической волны, предназначенная для селектирования радиочастотных сигналов. Однако ПАВ-фильтры применяются в диапазоне частот выше 50 МГц, реализуемы только полосовые фильтры с узкой полосой пропускания не более 10%.
Также известна конструкция кварцевого фильтра [Плонский А.Ф. Кварцевые резонаторы / Плонский, А.Ф. - М.: Госэнергоиздат, 1954. - 96 с.] (аналог), состоящая из пьезоэлектрических элементов, принцип действия которой основан также на прямом и обратном пьезоэффекте, возбуждении и прохождении механических колебаний внутри пьезоэлемента. Как и в предыдущем варианте, реализуемы только полосовые фильтры с узкой полосой пропускания не более 6%, с диссипативными потерями в полосе пропускания более 3 дБ.
Вместе с тем известны конструкции LC-фильтров с характеристиками Баттерворда, Чебышева, Кауэра [Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров / Ханзел, Г.Е. - США, 1969. Пер. с англ., под ред. А.Е. Знаменского. - М.: Сов. радио, 1974. - 288 с.], позволяющие реализовывать ФНЧ, ФВЧ и ПФ с полосой пропускания более 5% (прототип). Конструкции фильтров содержат n резонансных контуров, содержащих катушки индуктивности и конденсаторы, сопряженных по входу и выходу с сопротивлением R.
Недостатком данной конструкции являются большие номиналы катушек индуктивности при использовании фильтров в диапазоне частот до 100 МГц. Так как, в основном, расчет LC-фильтров проводится при условии согласования их по входу и выходу с сопротивлениями 50 Ом или 75 Ом, то на частотах ниже 100 МГц номиналы входящих в состав данных фильтров катушек индуктивности превышают сотни нГн. Известно, что характеристики фильтров, а именно диссипативные потери и неравномерность в полосе пропускания, зависят от собственной добротности конденсаторов и катушек индуктивности, входящих в их состав. Однако добротность конденсатора на несколько порядков превышает добротность катушки индуктивности, и поэтому, в первую очередь, на параметры фильтра влияет изменение добротности катушек индуктивности. Для того чтобы фильтр в диапазоне частот до 100 МГц имел низкие диссипативные потери и неравномерность в полосе пропускания, необходимо применять высокодобротные катушки индуктивности. При номиналах порядка сотен нГн такие катушки имеют большие размеры и поэтому, значительно возрастают габариты фильтра. Использование малогабаритных катушек индуктивности на каркасах с применением сердечников, с более тонким сечением провода, из которого изготавливается катушка индуктивности приводит к значительному снижению добротности катушки, а, следовательно, и к ухудшению параметров фильтра.
Техническая задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, состоит в применении технических подходов, позволяющих реализовать LC-фильтры с характеристиками Баттерворда, Чебышева, Кауэра с низкими диссипативными потерями и неравномерностью в полосе пропускания за счет применения более высокодобротных катушек индуктивности с меньшими номиналами, чем при расчете фильтров, согласованных по входу и выходу с сопротивлением R тракта и, как следствие, улучшить характеристики фильтров без значительного увеличения их геометрических размеров.
Поставленная техническая задача решается тем, что в радиочастотный фильтр, включающий LC-фильтр, состоящий из n резонансных контуров, содержащих катушки индуктивности и конденсаторы, дополнительно по входу и выходу LC-фильтра с характеристиками Баттерворда, Чебышева или Кауэра, согласованного с более низкоомным сопротивлением по отношению к сопротивлению R, введены трансформирующие (согласующие) широкополосные звенья: по входу трансформирующее звено из сопротивления R в более низкоомное сопротивление, по выходу LC-фильтра из более низкоомного в сопротивление R, обеспечивающие согласование низкоомного LC-фильтра и тракта с сопротивлением R.
На схеме (фиг.1) представлена конструкция предлагаемой полезной модели, где обозначены: 1 - трансформирующее звено из тракта с сопротивлением R в более низкоомный тракт, 2 - LC-фильтр, 3 - трансформирующее звено из более низкоомного тракта в тракт с сопротивлением R.
Принцип работы полезной модели заключается в том, что радиочастотный сигнал из тракта с сопротивлением R через трансформирующее звено 1, предназначенное для сопряжения тракта с сопротивлением R с более низкоомным трактом, поступает на согласованный с более низкоомным трактом LC-фильтр 2, где селектируется и далее уже отфильтрованный радиочастотный сигнал через трансформирующее звено 3, предназначенное для сопряжения более низкоомного тракта с трактом с сопротивлением R, поступает обратно в тракт с сопротивлением R.
Известно, что при расчете LC-фильтра номиналы катушек индуктивности и конденсаторов зависят от номинала сопротивления по входу и выходу фильтра. Как видно из формул (1), (2), номинал индуктивности L зависит прямо пропорционально от номинала сопротивления R, номинал емкости С обратно пропорционально от номинала сопротивления R.
c
где f - частота среза, Гц.
Также известно, что собственная добротность катушки индуктивности напрямую зависит от ее номинала при неизменных геометрических размерах катушки, так как увеличить номинал возможно только при применении каркасов с сердечниками, более тонкого сечения провода, из которого изготавливается катушка индуктивности. Однако это приводит к значительному снижению добротности катушки.
Поэтому переход из сопротивления R в более низкоомное сопротивление позволил использовать в составе LC-фильтра катушки индуктивности с меньшими номиналами, чем при расчете фильтра для сопротивления R. Благодаря этому появилась возможность применить более высокодобротные катушки индуктивности без значительного увеличения их размеров, и как следствие, улучшить характеристики фильтра также без значительного увеличения его габаритов.
Согласование фильтра с трактом осуществляется широкополосными трансформирующими звеньями. В качестве трансформирующих звеньев могут быть использованы L, С - цепи, трансформаторы на ферритах. L, С - цепи могут применяться при согласовании полосовых фильтров с полосой пропускания до 10%. Трансформаторы на ферритах в отличие от L, С - цепей не обладают частотной зависимостью и могут быть использованы в качестве согласующих звеньев в очень широком диапазоне частот, достигающем 5-10 октав. Несмотря на то, что сами трансформаторы на ферритах имеют собственные диссипативные потери, наблюдается выигрыш в характеристиках фильтра: меньшие затухание и неравномерность в полосе пропускания фильтра по сравнению с фильтрами, рассчитанными при условии согласования их с сопротивлением R за счет применения в несколько раз более высокодобротных катушек индуктивности.
Наглядным примером служит реализация нерегулируемого ФНЧ для тракта с сопротивлением 50 Ом с частотой среза 25 МГц с минимальной неравномерностью и затуханием в полосе пропускания от 18,9 до 23,9 МГц. На частоте 37,8 МГц должно быть обеспечено подавление более 30 дБ.
Классическим решением является построение фильтра Чебышева седьмого порядка с коэффициентом отражения 10% с входным и выходным сопротивлением 50 Ом [Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров / Ханзел, Г.Е. - США, 1969. Пер. с англ., под ред. А.Е.Знаменского. - М.: Сов. радио, 1974. - 288 с.].
Среди малоразмерных неперестраиваемых индуктивностей, выпускаемых серийно, были выбраны индуктивности фирмы Epcos серии В82498, как индуктивности с наиболее высокой собственной добротностью. Однако собственная добротность таких индуктивностей на частоте 25 МГц не превышает 23. В ходе моделирования был построен фильтр (фиг.2) с характеристикой, приведенной на фиг.4 пунктиром, с максимальным затуханием в полосе пропускания от 18,9 до 23,9 МГц 1,94 дБ и неравномерностью 0,6 дБ.
При пересчете схемы к входному и выходному сопротивлениям, равным 12,5 Ом, был построен фильтр, номиналы катушек индуктивности которого были уменьшены в 4 раза, что позволило использовать неперестраиваемые катушки индуктивности фирмы CoilCraft серии 1812SMS с собственной добротностью 75 на частоте 25 МГц. Данный фильтр (фиг.3) с характеристикой, приведенной на фиг.4 сплошной линией, имеет максимальное затухание в полосе пропускания от 18,9 до 23,9 МГц 0,78 дБ и неравномерность 0,35 дБ.
Переход из 50 в 12,5 Ом и обратно осуществляется высокочастотными (ВЧ) трансформаторами, реализованными на сердечниках типа М200 ВНП-7 Тр3,5×2,0×2,4 ПЯ0.707.450ТУ с трифилярной намоткой из провода ПЭВТЛ-2 0,1 ТУ16-505.446-77 с количеством витков 4,75. Трансформатор имеет диссипативные потери не более 0,2 дБ в диапазоне частот до 30 МГц. Вместо примененного могут быть использованы покупные ВЧ трансформаторы, обеспечивающие трансформацию из 50 в 12,5 Ом и обратно и имеющие низкие потери в заданном диапазоне частот.
При макетировании были получены сходящиеся с моделью результаты. Фильтр (фиг.5), согласованный с сопротивлением 50 Ом, с АЧХ, представленной на фиг.6, имеет максимальное затухание в полосе пропускания от 18,9 до 23,9 МГц 1,22 дБ, неравномерность 0,36 дБ, ослабление на частоте 37,8 МГц 33,4 дБ.
При программно-аппаратном моделировании очевиден выигрыш как по максимальному затуханию (уменьшено на 0,72 дБ), так и по неравномерности (уменьшена на 0,24 дБ) в полосе пропускания фильтра.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет реализовать LC-фильтры с характеристиками Баттерворда, Чебышева, Кауэра с низкими диссипативными потерями и неравномерностью в полосе пропускания за счет применения более высокодобротных катушек индуктивности с меньшими номиналами, чем при расчете фильтров, согласованных по входу и выходу с сопротивлением R в диапазоне частот до 100 МГц и, как следствие, улучшить характеристики фильтров без значительного увеличения их геометрических размеров.