ФИЛЬТР ГАРМОНИК КОРОТКОВОЛНОВОГО ПЕРЕДАТЧИКА
HARMONIC FILTER FOR SHORT-WAVE TRANSMITTER

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, или с помощью шаговых переключателей [2].
Главными недостатками фильтров гармоник на основе переключаемых ФНЧ являются сложная конструкция, а также большие габаритные размеры и масса.
В [3] проблему увеличенных размеров и массы фильтра гармоник решили следующим образом: уменьшили количество ФНЧ для диапазона частот 1,6…30 МГц до двух, но почти все L- и С-элементы выполнили переменными. Но этот вариант дорог из-за механической настройки, а большое число перестраиваемых элементов значительно усложняют процесс настройки фильтра гармоник при изготовлении и не обеспечивают необходимый уровень согласования фильтра гармоник, так как коэффициент бегущей волны (КБВ) на входе фильтра гармоник наиболее чувствителен к точности его настройки.
Практически все фильтры гармоник требуют тщательного экранирования входящих в их состав фильтров и звеньев в составе фильтров, как это сделано, например, в [4].
В качестве прототипа можно выбрать фильтр гармоник, представленный в [2], как наиболее близкий по технической сущности к заявляемому.
Анализ прототипа показал, что он имеет большие габаритные размеры, сложен в настройке и не обеспечивает необходимого повышения КБВ в каждой его достаточно широкой полосе пропускания.
Задача изобретения - упрощение конструкции и уменьшение габаритных размеров фильтра гармоник при одновременном повышении избирательности и улучшении согласования во всем рабочем диапазоне частот передатчика.
Указанная задача решается тем, что в фильтре гармоник коротковолнового передатчика, частотный диапазон которого разделен на N поддиапазонов, содержащем входной и выходной разъемы и N ФНЧ, размещенных в одной плоскости и переключаемых по входу и выходу при помощи входных и выходных коммутационных элементов, между любыми двумя ФНЧ соседних по частоте поддиапазонов расположен ФНЧ другого поддиапазона, удаленного по частоте от обоих ФНЧ данной пары, при этом входные коммутационные элементы выполнены в виде трехконтактных переключателей, у каждого из которых подвижный контакт соединен с входом соответствующего ФНЧ и одновременно с первым неподвижным контактом, соединенным с общей шиной, а второй неподвижный контакт соединен с входной соединительной шиной, подключенной к входному разъему, причем выходные коммутационные элементы также выполнены в виде трехконтактных переключателей, у каждого из которых подвижный контакт соединен с выходом соответствующего ФНЧ и одновременно с первым неподвижным контактом, соединенным с общей шиной, а второй неподвижный контакт соединен с выходной соединительной шиной, подключенной к выходному разъему. 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 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 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 М [5] и размещены на одном сердечнике, преимущественно тороидальной формы, причем магнитные потоки индуктивно связанных катушек индуктивности направлены навстречу друг другу.
На чертеже приведена схема заявленного устройства в исходном состоянии.
Фильтр гармоник коротковолнового передатчика, частотный диапазон которого разделен на N поддиапазонов, где N=6, содержит входной 1 и выходной 2 разъемы и N ФНЧ 3, размещенных в одной плоскости и переключаемых по входу и выходу при помощи входных 4 и выходных 5 коммутационных элементов. Между любыми двумя ФНЧ 3 соседних по частоте поддиапазонов расположен ФНЧ 3 другого поддиапазона, удаленного по частоте от обоих ФНЧ данной пары, при этом входные коммутационные элементы 4 выполнены в виде трехконтактных переключателей, у каждого из которых подвижный контакт соединен с входом соответствующего ФНЧ и одновременно с первым неподвижным контактом, соединенным с общей шиной, а второй неподвижный контакт соединен с входной соединительной шиной 6, подключенной к входному разъему 1, причем выходные коммутационные элементы 5 также выполнены в виде трехконтактных переключателей, у каждого из которых подвижный контакт соединен с выходом соответствующего ФНЧ и одновременно с первым неподвижным контактом, соединенным с общей шиной, а второй неподвижный контакт соединен с выходной соединительной шиной 7, подключенной к выходному разъему 2. 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 6 соединен с входным разъемом 1 и одновременно с вторым неподвижным контактом входного переключателя 4 ФНЧ 3 первого поддиапазона, а вход выходной длинной линии 7 соединен с выходным разъемом 2 и одновременно с вторым неподвижным контактом выходного переключателя 5 ФНЧ 3 первого поддиапазона. ФНЧ 3, представленные на фиг. 1, обозначены в соответствии с их размещением на печатной плате фильтра гармоник, то есть ФНЧ соседних по частоте поддиапазонов конструктивно разнесены.
Для нечетного N=7 размещение ФНЧ будет следующим:
1пд
5пд
2пд
6пд
3пд
7пд
4пд
ФНЧ-ФНЧ-ФНЧ-ФНЧ-ФНЧ-ФНЧ-ФНЧ.
Таким образом, последний в ряду ФНЧ имеет порядковый номер, то есть номер частотного поддиапазона, равный N/2+0,5. При этом ФНЧ последующих поддиапазонов последовательно занимают свои места в промежутках между ФНЧ более низкочастотных поддиапазонов. Как видно из схемы, представленной на чертеже, аналогично распределяются ФНЧ и при их четном количестве, только, в этом случае, последний в ряду ФНЧ имеет порядковый номер, равный N. Такое размещение ФНЧ на печатной плате фильтра гармоник обеспечивает минимальное влияние их друг на друга. Это значит, что можно максимально приблизить соседние ФНЧ друг к другу и исключить из конструкции экраны.
Каждый ФНЧ 3 содержит две катушки индуктивности 8 и 9, соединенные последовательно, и конденсаторы 10, 11 и 12, включенные между выводами катушек индуктивности и общей шиной, при этом катушки индуктивности выполнены индуктивно связанными между собой при помощи взаимоиндуктивности М и размещены на одном сердечнике, преимущественно тороидальной формы, причем магнитные потоки индуктивно связанных катушек индуктивности направлены навстречу друг другу.
Фильтр гармоник представляет собой набор из N ФНЧ, каждый из которых содержит всего две катушки индуктивности, намотанные на одном сердечнике. При этом в полосе задерживания ФНЧ имеется полюс затухания, частота которого зависит от величины взаимоиндуктивности М, то есть от величины коэффициента связи [5] между первой 8 и второй 9 катушками индуктивности и определяется расстоянием между катушками индуктивности и материалом сердечника. Полюс затухания 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 полюса затухания зависит также от величины емкости конденсатора 11 и располагается, как правило, между частотами второй и третьей гармоник минимальной частоты соответствующего поддиапазона.
Фильтр гармоник коротковолнового передатчика 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, 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 переключатели. Благодаря избирательным свойствам ФНЧ, зависящим от катушек индуктивности 8 и 9 и от конденсаторов 10, 11 и 12, а также от взаимоиндуктивности М, на выходной разъем 2 фильтра гармоник через выходную соединительную шину, выполненную в виде согласованной длинной линии, поступает основной сигнал вместе с ослабленными гармоническими составляющими. При этом основной сигнал проходит на выходной разъем 2 фильтра гармоник с минимальными потерями, благодаря улучшенному согласованию и простой структуре ФНЧ.
Заявленный фильтр гармоник коротковолнового передатчика 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. Согласование фильтра гармоник улучшилось вследствие того, что входная и выходная 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 через входной переключатель с входом ФНЧ первого поддиапазона, а вход выходной длинной линии соединен с выходным разъемом и одновременно через выходной переключатель с выходом ФНЧ первого поддиапазона. Одновременно фильтр гармоник обеспечивает повышенную избирательность, то есть уровень гармонических составляющих сигнала на выходе фильтра гармоник достаточно низкий. При этом подавление второй и в большей степени третьей гармоник сигнала увеличивается, по сравнению с исходными ФНЧ Чебышева без индуктивных связей, благодаря наличию полюса затухания, частота которого зависит от величины коэффициента связи между первой и второй катушками индуктивности в каждом ФНЧ. Можно отметить еще одно достоинство заявленного фильтра гармоник - уровень третьей гармоники сигнала на выходе значительно меньше уровня второй гармоники, что компенсирует обратное соотношение уровней гармоник на выходе усилителя мощности. В результате, может быть получено гарантированное ослабление гармонических составляющих сигнала около 50 дБ, что вполне достаточно для малогабаритного коротковолнового передатчика или радиостанции. Можно еще раз отметить, что такие параметры получены всего лишь от ФНЧ Чебышева пятого порядка, причем обе катушки индуктивности в каждом фильтре размещены на одном сердечнике.
Экспериментальная проверка макета заявленного фильтра гармоник для диапазона частот 3…30 МГц совместно с усилителем мощности показала хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных. Уровень гармонических составляющих сигнала на выходе макета фильтра гармоник не превышал минус 50 дБ при КБВ на его входе не менее 0,85. При необходимости можно, несколько снизив величину ослабления гармоник, увеличить КБВ.
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. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: 1990. - с. 100.
3. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: 1990. - с. 119.
4. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: 1990. - с. 116.
5. Справочник по радиотехнике: Под ред. Б.А. Смиренина. - М., Л.: Госэнергоиздат, 1950. - с. 54, 55.