ФИЛЬТР ГАРМОНИК КОРОТКОВОЛНОВОГО ПЕРЕДАТЧИКА
SHORT WAVE TRANSMITTER HARMONIC FILTER

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в фильтрах гармоник (ФГ) усилителей мощности (УМ) широкодиапазонных радиопередатчиков.
Для передачи высокочастотных сигналов с подавленными до требуемого уровня гармоническими составляющими в ФГ коротковолновых радиопередатчиков обычно применяются фильтры нижних частот (ФНЧ) [1]. Поддиапазонные фильтры переключаются, как правило, при помощи реле, включенных на входе и выходе каждого фильтра. 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 от 1,4 до 1,8. Известно, что из ФНЧ наилучшими по наименьшему количеству реактивных элементов при заданных параметрах являются так называемые ФНЧ Кауэра [2]. ФНЧ Чебышева обеспечивают нарастающее затухание в полосе задерживания [2], но проигрывают фильтрам Кауэра по затуханию в ближней зоне полосы задерживания из-за отсутствия полюсов затухания. В результате, в коротковолновых средствах связи чаще применяют ФНЧ Кауэра, например, [1]. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) таких фильтров 7-го порядка (n=7) имеет вид, показанный в [3], при этом ФНЧ Кауэра, представленные в [1], как и другие аналогичные фильтры, используемые в ФГ, обеспечивают одинаковое минимальное затухание всех гармонических составляющих сигнала. В то время как на выходе (УМ), включенного на входе ФГ, уровень второй гармоники относительно уровня основного сигнала, как правило, около минус 40 дБ, в отличие от уровня третьей гармоники, примерно равного минус 13…14 дБ. Данное различие уровней основных гармонических составляющих сигнала на входе ФГ коротковолновых РПДУ обычно не учитывается, поэтому в таких передатчиках уровень подавления второй гармоники сигнала избыточен, а уровень третьей гармоники сигнала приходится дополнительно снижать, иногда в ущерб другим параметрам ФНЧ, например, повышая коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) или усложнять фильтры.
Кроме того, любые из этих фильтров [1, 2] имеют один существенный недостаток - их входное сопротивление за пределами полосы пропускания значительно отличается от выходного сопротивления УМ. Несогласованный режим работы выходных каскадов УМ на частотах, гармонических составляющих сигнала приводит к отражению гармоник от фильтра к УМ, что значительно ухудшает режим работы усилителя, снижая его спектральные и энергетические характеристики. Отделить рабочую полосу частот от частот гармонических составляющих полезных сигналов можно известным способом - при помощи параллельно соединенных по входу ФНЧ и фильтра верхних частот (ФВЧ) [4, 5], представляющих собой LC-схему с разделением полосы частот [5] или частотно-разделительное устройство (ЧРУ).
Проблему согласования в любом заданном диапазоне частот, включающем в себя рабочую полосу частот и частоты гармонических составляющих полезных сигналов, можно решить, применяя ФГ коротковолнового передатчика, предложенный в [6]. Данное устройство выбрано в качестве прототипа, как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому, так как содержит большое количество ЧРУ, причем, в отличие от [5], ЧРУ не содержат на входе компенсирующие цепи.
Существенный недостаток прототипа заключается в том, что он имеет очень сложную структуру и увеличенные габаритные размеры из-за большого количества катушек индуктивности и конденсаторов. Такая избыточность в количестве элементов в сочетании с невостребованностью ряда высоких параметров прототипа практически исключает его применение в радиопередающих устройствах, когда определяющими факторами являются не только параметры, но и габариты и цена.
Задача изобретения - снижение уровня гармонических составляющих передаваемого сигнала, начиная с третьей гармоники, при одновременном упрощении устройства.
Указанная задача решается тем, что в фильтре гармоник коротковолнового передатчика, содержащем N частотно-разделительных устройств, где N - число частотных поддиапазонов, каждое из которых состоит из фильтра нижних частот и фильтра верхних частот, соединенных на входе параллельно и образующих вход частотно-разделительного устройства, и балластного сопротивления, подключенного к выходу фильтра верхних частот, при этом вход каждого частотно-разделительного устройства подключен к входу фильтра гармоник через входной трехконтактный переключатель, один из неподвижных контактов которого соединен с входом фильтра гармоник, а второй неподвижный контакт соединен с общей шиной и нормально замкнут с подвижным контактом, соединенным с входом частотно-разделительного устройства, в каждом частотно-разделительном устройстве в фильтре нижних частот низкопотенциальные выводы конденсаторов двух соседних поперечных плеч соединены друг с другом и подключены к общей шине через дополнительную катушку индуктивности, при этом выход фильтра нижних частот подключен к выходу фильтра гармоник через выходной трехконтактный переключатель, один из неподвижных контактов которого соединен с выходом фильтра гармоник, а второй неподвижный контакт соединен с общей шиной и нормально замкнут с подвижным контактом, соединенным с выходом фильтра нижних частот, причем дополнительная катушка индуктивности может быть выполнена в виде отрезка шины произвольной формы.
На фиг. 1 приведена схема заявленного устройства в исходном состоянии. Фильтр гармоник коротковолнового передатчика содержит N частотно-разделительных устройств 1, где N - число частотных поддиапазонов, перекрывающих в сумме весь требуемый диапазон рабочих частот устройства. Каждое частотно-разделительное устройство 1 содержит фильтр нижних частот 2 и фильтр верхних частот 3, соединенные на входе параллельно и образующие вход частотно-разделительного устройства 1, и балластное сопротивление 4, подключенное к выходу фильтра верхних частот 3. Вход каждого частотно-разделительного устройства подключен к входу 5 фильтра гармоник через соответствующий входной трехконтактный переключатель 6, один из неподвижных контактов которого соединен с входом 5 фильтра гармоник, а второй неподвижный контакт соединен с общей шиной и нормально замкнут с подвижным контактом, соединенным с входом частотно-разделительного устройства 1. В каждом частотно-разделительном устройстве 1 в фильтре нижних частот 2, низкопотенциальные выводы конденсаторов 7 и 8 двух соседних поперечных плеч соединены друг с другом и подключены к общей шине через дополнительную катушку индуктивности 9, при этом выход фильтра нижних частот 2 подключен к выходу 10 фильтра гармоник через выходной трехконтактный переключатель 11, один из неподвижных контактов которого соединен с выходом 10 фильтра гармоник, а второй неподвижный контакт соединен с общей шиной и нормально замкнут с подвижным контактом, соединенным с выходом фильтра нижних частот. Переключение частотно-разделительных устройств 1, то есть частотных поддиапазонов, осуществляется при помощи переключателей 6, 11.
Фильтр гармоник коротковолнового передатчика работает следующим образом.
Выходной сигнал усилителя мощности вместе с гармоническими составляющими сигнала поступают на вход 5 фильтра гармоник. Частота основного сигнала находится в полосе пропускания предварительно включенного при помощи входного 6 и выходного 11 трехконтактных переключателей соответствующего частотно-разделительного устройства 1. В результате, сигнал проходит на выход 10 фильтра гармоник через фильтр нижних частот 2. Частоты гармонических составляющих сигнала находятся в полосе задерживания включенного частотно-разделительного устройства 1, поэтому уровень гармонических составляющих сигнала на выходе фильтра гармоник достаточно низкий. При этом гармонические составляющие сигнала, частоты которых находятся в полосе пропускания фильтра верхних частот 3 включенного частотно-разделительного устройства 1, проходят через фильтр верхних частот 3 и поглощаются балластным сопротивлением 4. Можно отметить, что уровень затухания в полосе задерживания фильтра нижних частот 2 повышенный, благодаря наличию дополнительного полюса затухания, частота которого зависит от величины индуктивности дополнительной катушки индуктивности 9, включенной между точкой соединения конденсаторов 7, 8 и общей шиной. Частоту дополнительного полюса затухания можно изменять, добиваясь требуемых значений уровня подавления гармоник и контролируя при этом величину КСВН в соответствующей рабочей полосе частот фильтра гармоник.
2
3
5
7
мин
мин
На фиг. 2 представлены АЧХ одного из ЧРУ, изображенных на фиг. 1, перекрывающего в данном случае первый частотный поддиапазон ФГ от 1,5 до 2,18 МГц. Линия 1 соответствует АЧХ на выходе ЧРУ, то есть на выходе ФНЧ. Линия 2 отображает АЧХ на выходе ФВЧ, в точке соединения с балластным сопротивлением. Пунктирными линиями изображены аналогичные АЧХ при отсутствии дополнительной катушки индуктивности. В этом случае низкопотенциальные выводы соответствующих конденсаторов двух соседних поперечных плеч непосредственно соединены с общей шиной. На фиг. 2 показаны также частотные интервалы, заключенные между нижней и верхней граничными частотами поддиапазона (ΔF) и соответствующие им частотные интервалы, включающие в себя гармонические составляющие основного сигнала - вторую гармонику (ΔF) и нечетные гармоники: третью, пятую и седьмую (ΔF, ΔF и ΔF). Сравнивая приведенные на фиг. 2 АЧХ в каждом частотном интервале, видим, что заявленное устройство по сравнению с прототипом обеспечивает превышение минимального затухания (A) на частотах третьей, четвертой и пятой гармоник более чем на 8 дБ. Однако на частотах седьмой и восьмой гармоник имеем проигрыш в значениях А: минус 2,5 дБ и минус 6,4 дБ соответственно. Но, учитывая уровень подавления этих гармоник в УМ, превышающий 30 дБ, можно этот проигрыш не учитывать. В результате, заявленный ФГ обеспечит суммарное с УМ подавление всех гармонических составляющих передаваемого сигнала более чем на 70 дБ. Отметим также, что подключение дополнительной индуктивности практически не изменило значения КСВН ни в рабочей полосе частот, где его максимальное значение равно 1,064, ни на частотах гармоник передаваемого сигнала, где КСВН не превышает 1,25.
n3
n2
п1
Особенностью предлагаемого ФГ является то, что при введении в схему каждого ЧРУ дополнительной индуктивности, включенной между точкой соединения конденсаторов двух соседних поперечных плеч ФНЧ и общей шиной, возникает дополнительный полюс затухания на частоте F, которая попадает в частотный интервал для пятой гармоники. При этом дополнительный полюс затухания как бы "подтягивает" к себе "штатный" полюс затухания, частота (F) которого определяется параллельным колебательным LC-контуром соответствующего продольного плеча, включенного между указанными соседними поперечными плечами. Чтобы обеспечить еще больший запас по затуханию ФГ на частотах третьей гармоники, можно "разменять" его на уменьшение затухания на частотах высших гармоник. Для этого необходимо еще больше увеличить индуктивность дополнительной катушки индуктивности, что приведет к еще большему сближению данных полюсов затухания и к соответствующему повышению затухания на частотах третьей гармоники, расположенных между частотами этих полюсов. Некоторое снижение затухания ФГ в этом случае на частотах второй гармоники и на частотах высших гармоник компенсируется высоким уровнем подавления этих гармоник в УМ. При этом частота F первого полюса затухания ФНЧ не изменяется.
2
3
5
7
мин
мин
Рассмотрим в качестве примера ЧРУ, содержащий ФНЧ четвертого порядка. На фиг. 3 представлена схема этого ЧРУ. Так же, как в предыдущем случае с ФНЧ шестого порядка, низкопотенциальные выводы конденсаторов двух соседних (а в данном случае еще и единственных) поперечных плеч соединены друг с другом и подключены к общей шине через дополнительную катушку индуктивности. На фиг. 4 представлены АЧХ этого ЧРУ, также рассчитанного для работы в частотном поддиапазоне от 1,5 до 2,18 МГц. Линия 1 соответствует АЧХ на выходе ЧРУ, то есть на выходе ФНЧ. Линия 2 отображает АЧХ на выходе ФВЧ, в точке соединения с балластным сопротивлением. Пунктирными линиями изображены аналогичные АЧХ при отсутствии дополнительной катушки индуктивности. В этом случае низкопотенциальные выводы конденсаторов поперечных плеч непосредственно соединены с общей шиной. На фиг. 4 так же, как на фиг. 2, показаны частотные интервалы ΔF, ΔF, ΔF, ΔF и ΔF. Сравнивая приведенные на фиг.4 АЧХ в каждом частотном интервале, видим, что заявленное устройство по сравнению с аналогичным устройством, выполненным по известной схеме, обеспечивает превышение А на частотах третьей, четвертой и пятой гармоник на 7,4, 10,6 и 5,0 дБ соответственно. Однако на частотах седьмой и восьмой гармоник также имеем проигрыш в значениях А: минус 3,3 дБ и минус 6,1 дБ соответственно. Но, учитывая уровень подавления этих гармоник в УМ, превышающий 30 дБ, можно этот проигрыш не учитывать. В результате, самый простой вариант заявленного ФГ, содержащий в ЧРУ для каждого поддиапазона частот ФНЧ и ФВЧ четвертого порядка, обеспечит суммарное с УМ подавление всех гармонических составляющих передаваемого сигнала более чем на 50 дБ. При этом максимальное расчетное значение КСВН в рабочей полосе частот равно 1,042, а на частотах гармоник передаваемого сигнала равно 1,232.
Заявленный фильтр гармоник коротковолнового передатчика обеспечивает существенное снижение уровня гармонических составляющих передаваемого сигнала, начиная с третьей гармоники, благодаря наличию дополнительного полюса затухания в полосе задерживания каждого ФНЧ. Это достигается простым путем при помощи включения в каждый ФНЧ дополнительной катушки индуктивности с малой величиной индуктивности, которая может быть выполнена в виде отрезка шины произвольной формы с максимальной длиной в несколько сантиметров (для самого низкочастотного поддиапазона). Кроме того, предлагаемый фильтр гармоник коротковолнового передатчика обеспечивает согласование по входу во всем рабочем диапазоне частот и на частотах гармонических составляющих передаваемого сигнала. Согласованный режим работы усилителя мощности на частотах гармонических составляющих сигнала существенно снижает уровень нелинейных комбинационных искажений.
Источники информации
1. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: 1990, - с. 117.
2. 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. 207.
3. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: 1990, - с. 34.
4. Босый Н.Д. Электрические фильтры. - 3-е изд. - Киев. - Государственное изд-во технической литературы, 1959, - с. 522…535.
5. Зааль Р. Справочник по расчету фильтров: Пер. с нем. - М.: Радио и связь, 1983, - с. 77.
6. Патент RU 2444120, кл. Н03Н 7/32. Фильтр гармоник коротковолнового передатчика / А.Г. Зиновьев, А.В. Богданов, Л.Э. Колбина. - Заявлено 18.02.2010; опубл. 27.02.2012, Бюл. №6.