ФИЛЬТР ГАРМОНИК КОРОТКОВОЛНОВОГО ПЕРЕДАТЧИКА
HARMONIC FILTER OF SHORTWAVE 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 радиопередатчиков 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, особенно при повышенной мощности передаваемого сигнала.
В [2] проблему увеличенных размеров и массы фильтра гармоник решили следующим образом: уменьшили количество ФНЧ для диапазона частот 1,6…30 МГц до двух, но все L- и С-элементы выполнили переменными. Анализ этого фильтра гармоник показал, что при перестройке в диапазоне частот он не обеспечивает требуемого согласования и необходимого уровня КБВ в каждой его достаточно широкой полосе пропускания, а характеристики избирательности устройства, приведенные в [2], далеки от расчетных. Кроме того, большое число перестраиваемых элементов значительно усложняют процесс настройки фильтра гармоник при изготовлении, повышая его трудоемкость.
0
0
Более рационально проблему согласования фильтра гармоник можно решить, взяв за основу не ФНЧ, а полосовые перестраиваемые фильтры, и обеспечивать согласование только на частоте передаваемого сигнала. Такое устройство было предложено в [3] и представлено в [4] в качестве фильтра гармоник радиопередатчика мощностью 20 кВт. Основным недостатком этого устройства можно считать его чрезвычайно высокую стоимость, обусловленную большим количеством вакуумных реле и вакуумных конденсаторов, так как каждый из двух дискретных конденсаторов переменной емкости (ДКПЕ) содержит двенадцать переключаемых емкостных элементов. Кроме того, вариант фильтра гармоник [3] с разделением коротковолнового диапазона на два поддиапазона [4], несмотря на высокую эффективность данного технического решения, имеет один существенный недостаток - это заужение полосы частот наилучшего согласования при настройке фильтра гармоник на крайние частоты поддиапазона. Имеется в виду частотный интервал (ΔF) на частотной характеристике КБВ на входе фильтра гармоник по уровню, например, 0,9. При ΔF=±1% от F, где F - частота настройки фильтра гармоник, возникает проблема обеспечения стабильности настройки устройства. Следует отметить, что к очень широкой полосе пропускания фильтра гармоник, например, по уровню 1 дБ на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) величина ΔF отношения не имеет.
Более рациональным можно считать фильтр гармоник коротковолнового передатчика, предложенный в [5] и представляющий собой набор из N переключаемых по входу и выходу полосовых перестраиваемых LC-фильтров, каждый из которых содержит в продольных плечах первую и вторую катушки индуктивности, соединенные между собой и связанные друг с другом индуктивной связью, а в поперечной ветви содержит параллельный колебательный LC-контур, к которому подключен через соответствующий переключатель конденсатор переменной емкости, общий для всех LC-фильтров. Это устройство выбрано в качестве прототипа как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому. Однако данное устройство, несмотря на свои положительные качества, все-таки не обеспечивает требуемого затухания гармоник.
Задача изобретения - снижение уровня гармонических составляющих передаваемого сигнала при одновременном обеспечении согласования фильтра гармоник во всем рабочем диапазоне частот радиопередатчика.
Указанная задача решается тем, что в фильтр гармоник коротковолнового передатчика, содержащий N переключаемых по входу и выходу при помощи входных и выходных переключателей LC-фильтров, каждый из которых содержит в продольных плечах первую и вторую катушки индуктивности, соединенные между собой и связанные друг с другом индуктивной связью, а в поперечной ветви содержит параллельный колебательный LC-контур, низкопотенциальный вывод которого соединен с общей шиной, а к его высокопотенциальному выводу подключен через соответствующий переключатель конденсатор переменной емкости, общий для всех LC-фильтров, при этом каждый входной переключатель включен между входным разъемом и входом соответствующего LC-фильтра, а каждый выходной переключатель включен между выходом соответствующего LC-фильтра и выходным разъемом, в каждый LC-фильтр введен дополнительно входной фильтр нижних частот, вход которого образует вход LC-фильтра, а выходной высокопотенциальный вывод соединен с первой катушкой индуктивности, и выходной фильтр нижних частот, выход которого образует выход LC-фильтра, а входной высокопотенциальный вывод соединен с второй катушкой индуктивности, при этом индуктивная связь между первой и второй катушками индуктивности выполнена в виде дополнительной индуктивности связи, включенной между точкой соединения первой и второй катушек индуктивности и высокопотенциальным выводом параллельного LC-контура, причем параллельно первой катушке индуктивности подключен первый дополнительный двухполюсник, состоящий из последовательно соединенных конденсатора и выключателя, а параллельно второй катушке индуктивности подключен второй дополнительный двухполюсник, состоящий из последовательно соединенных конденсатора и выключателя.
На чертеже приведена схема заявленного устройства в исходном состоянии.
Фильтр гармоник коротковолнового передатчика содержит N переключаемых по входу и выходу при помощи входных 1 и выходных 2 переключателей LC-фильтров 3, каждый из которых содержит в продольных плечах первую 4 и вторую 5 катушки индуктивности, соединенные между собой и связанные друг с другом индуктивной связью, а в поперечной ветви содержит параллельный колебательный LC-контур 6, низкопотенциальный вывод которого соединен с общей шиной, а к его высокопотенциальному выводу подключен через соответствующий переключатель 7 конденсатор 8 переменной емкости, общий для всех LC-фильтров, при этом каждый входной переключатель 1 включен между входным разъемом 9 и входом соответствующего LC-фильтра 3, а каждый выходной переключатель 2 включен между выходом соответствующего LC-фильтра 3 и выходным разъемом 10, в каждый LC-фильтр 3 введен дополнительно входной фильтр нижних частот 11, вход которого образует вход LC-фильтра 3, а выходной высокопотенциальный вывод соединен с первой катушкой индуктивности 4, и выходной фильтр нижних частот 12, выход которого образует выход LC-фильтра 3, а входной высокопотенциальный вывод соединен с второй катушкой индуктивности 5, при этом индуктивная связь между первой и второй катушками индуктивности выполнена в виде дополнительной индуктивности 13 связи, включенной между точкой соединения первой 4 и второй 5 катушек индуктивности и высокопотенциальным выводом параллельного LC-контура 6, причем параллельно первой катушке индуктивности 4 подключен первый дополнительный двухполюсник 14, состоящий из последовательно соединенных конденсатора и выключателя, а параллельно второй катушке индуктивности 5 подключен второй дополнительный двухполюсник 15, также состоящий из последовательно соединенных конденсатора и выключателя. Конденсатор 8 переменной емкости выполнен в виде набора конденсаторов, переключаемых при помощи устройства управления 16.
В каждом LC-фильтре 3 первая катушка индуктивности 4 индуктивно связана с второй катушкой индуктивности 5 при помощи дополнительной индуктивности связи 13, что эквивалентно индуктивной связи между катушками индуктивности через взаимоиндуктивность М [6] для случая, когда магнитные потоки индуктивно связанных катушек индуктивности направлены навстречу друг другу [7].
Фильтр гармоник представляет собой набор из N переключаемых по входу и выходу при помощи входных и выходных переключателей и перестраиваемых в диапазоне частот полосовых LC-фильтров. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) полосовых LC-фильтров приближается 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. Кроме того, в полосе задерживания каждого LC-фильтра справа от частоты настройки имеется полюс затухания, частота которого зависит от величины индуктивности связи 13 и при некотором ее значении может совпадать с частотой третьей гармоники передаваемого сигнала. Индуктивность связи 13 равна взаимоиндуктивности М [6] между первой и второй катушками индуктивности прототипа [5]. В прототипе полюс затухания возникает благодаря тому, что индуктивно связанные катушки индуктивности имеют взаимно противоположное направление намотки, что и обеспечивает встречное направление их магнитных потоков. В заявленном устройстве механизм образования полюса затухания аналогичный благодаря эквивалентности [7] соответствующих схем в известном и заявленном устройствах.
Фильтр гармоник коротковолнового передатчика работает следующим образом.
Выходной сигнал усилителя мощности передатчика вместе с гармоническими составляющими сигнала поступают на входной разъем 9 фильтра гармоник, предварительно включенного и настроенного на частоту сигнала. Частота основного сигнала находится в полосе частот одного из поддиапазонов, то есть в полосе частот соответствующего LC-фильтра 3, поэтому при помощи устройства управления 16 включены соответствующие данному LC-фильтру 3 входной 1 и выходной 2 переключатели, а конденсатор 8 переменной емкости подключен к высокопотенциальному выводу параллельного LC-контура 6 через соответствующий переключатель 7. На конденсаторе 8 переменной емкости при помощи устройства управления 16 предварительно установлено значение емкости, обеспечивающее настройку фильтра гармоник на заданную частоту. В результате сигнал проходит на выходной разъем 10 фильтра гармоник через соответствующий LC-фильтр 3 с минимальными потерями и максимальным КБВ на частоте настройки. Если частота передаваемого сигнала находится в пределах от нижней граничной частоты поддиапазона до его средней частоты, то включаются выключатели в двухполюсниках 14, 15 соответствующего LC-фильтра 3 и подключают конденсаторы параллельно первой 4 и второй 5 катушкам индуктивности. При этом на АЧХ фильтра появляется полюс затухания с частотой, примерно равной пятикратной нижней граничной частоте поддиапазона, что существенно добавит затухания и третьей и пятой гармоникам в этой части поддиапазона. В более высокочастотной части поддиапазона (от средней частоты до верхней граничной), где нормы по подавлению гармоник выполняются и без дополнительного полюса затухания, конденсаторы в двухполюсниках 14, 15 отключаются при помощи выключателей, что, в свою очередь, способствует существенному расширению частотных интервалов наилучшего согласования при настройке фильтра гармоник на верхние частоты поддиапазона. Имеются в виду частотные интервалы (ΔF) на частотной характеристике КБВ на входе фильтра гармоник по уровню, например, 0,9.
Заявленный фильтр гармоник коротковолнового передатчика 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 перестраиваемого полосового фильтра, приближающейся к АЧХ ФНЧ, уровень гармонических составляющих сигнала на выходе фильтра гармоник достаточно низкий. Кроме того, подавление наиболее мощной третьей гармоники сигнала увеличивается благодаря наличию полюса затухания, частота которого зависит от величины индуктивной связи между первой и второй катушками индуктивности в каждом LC-фильтре и совпадает с частотой третьей гармоники передаваемого сигнала на нижних частотах каждого поддиапазона частот. Низкий уровень остальных гармоник, прежде всего пятой, также обеспечивается дополнительным полюсом затухания. Можно отметить еще одно достоинство заявленного фильтра гармоник - уровень третьей гармоники сигнала на его АЧХ значительно меньше уровня второй гармоники, что компенсирует обратное соотношение уровней гармоник на выходе усилителя мощности. 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. При таком способе настройки не требуется применение в фильтре гармоник конденсаторов с малыми отклонениями емкости от номинальных значений.
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. 119.
3. Патент RU 2538299, кл. Н03Н 9/00. Фильтр гармоник коротковолнового передатчика / А.Г. Зиновьев, А.В. Богданов. - Заявлено 01.04.2013; опубл. 10.01.2015, Бюл. №1.
4. Богданов А.В., Бут О.С., Жумбакова Э.А. Моделирование системы охлаждения с жидкостным контуром для блока фильтра гармоник РПДУ // Техника радиосвязи. - 2014. - Вып. 2. - С. 3-10.
5. Патент RU 2560792, кл. Н03Н 9/00. Фильтр гармоник коротковолнового передатчика / А.Г. Зиновьев, А.В. Богданов. - Заявлено 21.05.2014; опубл. 20.08.2015, Бюл. №23.
6. Справочник по радиотехнике: Под ред. Б.А. Смиренина. - М., Л.: Госэнергоиздат, 1950. - с. 54, 55.
7. Босый Н.Д. Электрические фильтры. - 3-е изд. - Киев. - Государственное изд-во технической литературы, 1959. - с. 41, рис. 1.25а.