Пассивный аналоговый фильтр нижних частот седьмого порядка

Полезная модель относится к технике защиты от утечки акустической (речевой) информации. Целью данного устройства является получения необходимого коэффициента затухания дифференциального сигнала на диапазоне от 90 Гц до 400 МГц. Данное устройство может использоваться, например, в качестве средства защиты речевой информации от утечки по каналу акустоэлектрического преобразования в шлейфах пожарной сигнализации. Устройство обеспечивает предотвращение утечки речевой информации в соединительных линиях вспомогательных технических средств и систем с постоянным напряжением до 25В.
Пассивные LC-фильтры нижних частот (ФНЧ) широко используются в современной электронике [5-8]. При этом для линий связи с дифференциальным входом необходимы ФНЧ с дифференциальным выходом.
Известен фильтр нижних частот первого порядка [1], содержащий операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый резистор подключен к входной шине и через параллельно соединенные второй резистор и первый конденсатор к выходу операционного усилителя, вход операционного усилителя подключен к общей шине.
Недостатками известного инвертирующего фильтра нижних частот первого порядка являются:
- отсутствие функции фильтрации дифференциального (симметричного) сигнала и синфазной помехи, т.к. фильтр работает с несимметричным сигналом;
- амплитудно-частотная характеристика фильтра меняет наклон с 6 до 0 дБ/окт при превышении заданной частоты, определяемой низкочастотным микро мощным операционным усилителем и задающим конденсатором на инвертирующем входе;
- небольшое значение входного тока (до 2-х mA);
- ограниченный частотный диапазон.
Известен активный фильтр нижних частот четвертого порядка [3], которое за счет распределения усиления в схеме и требуемой организации обратных связей обеспечивается снижение чувствительностей передаточной функции активного RC-фильтра четвертого порядка к отклонениям параметра активных элементов. Что позволяет реализовать фильтры, имеющие большой динамический и частотный диапазоны при высокой крутизне ската частотной характеристики.
Основным недостатком данного устройства является:
- имеет ограничение по уровню входного напряжения и тока;
- не обеспечивается необходимый коэффициент затухания сигнала на заданном диапазоне частот (до 400 МГц).
Данные замечания являются недостатками всех активных фильтров.
Известен однофазный помехоподавляющий фильтр «Форпост» СПФ-40/1Ф [4] со следующими характеристиками:
- предотвращение потенциальной утечки информации по электросетям;
- полоса подавления: 0,1 – 1000 МГц;
- величина затухания не менее 80 дБ;
-  рабочее напряжение 220В 50Гц.
Основным недостатком данного устройства является то, что данный фильтр не обеспечивает необходимый коэффициент затухания сигнала на заданном диапазоне частот (от 90 Гц до 100 кГц).
Ближайшим аналогом заявляемого устройства, выбранным в качестве прототипа, является абонентское устройство защиты информации ГРАНИТ - 8 [2], предназначенное для обеспечения защиты речевой информации от утечки через двухпроводные линии открытых телефонных связей, цепи систем директорской и диспетчерской связи за счет акустоэлектрических преобразований. Изделие представляет собой четырехполюсник, состоящий из двух П-образных индуктивно-емкостных звеньев и диодного моста. Диодный мост схемы является входом изделия и предназначен для уменьшения коэффициента передачи фильтра при малых уровнях сигнала. Сигналы, которые могут возникать на выходе технического средства передачи информации при акустоэлектрических преобразованиях, подавляются. Фильтр является выходным звеном четырехполюсника и представляет собой фильтр нижних частот с частотой среза не более 28 кГц. Он содержит (фиг. 1) первый 20 и второй 21 дифференциальные входы устройства, первый 22 и второй 23 дифференциальные выходы устройства, в случае с заземлением линии используются вход 24 и выход 25 шины заземления, диоды 3 и 26, включенные встречно-параллельно по первому дифференциальному входу 20, диоды 4 и 27, включенные встречно-параллельно по второму дифференциальному входу 21, симметричный П-образный фильтр, состоящий из четырех конденсаторов 12, 14, 28, 29 и катушек индуктивности 13 и 30, причем конденсаторы 12, 14, 28, 29 соединены параллельно с нагрузкой, а катушки индуктивности 13 и 30 соединены с нагрузкой последовательно.
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, чтобы пропускать сигналы в речевом диапазоне частот при нормальном режиме работы телефонной линии. Кроме этого, ГРАНИТ - 8 не обеспечивает необходимое затухание сигнала (60 дБ) в диапазонах частот от 100 Гц до 300 Гц и от 100 кГц до 400 МГц.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в получении гарантированного затухания амплитудно-частотной характеристики в диапазоне частот от 90 Гц до 400 МГц, а именно пассивное ослабление дифференциального электрического сигнала звуковых частот и высокочастотного навязывания за счет фильтрации данных сигналов по каскадам фильтра.
Технический результат достигается тем, что в фильтре нижних частот седьмого порядка (фиг. 2), содержащем первый 20 и второй 21 дифференциальные входы устройства, причем первый дифференциальный вход 20 с учетом полярности нагрузки для подключения «плюса», а второй дифференциальный вход 21 с учетом полярности нагрузки для подключения «минуса», первый 22 и второй 23 дифференциальные выходы устройства, причем первый дифференциальный выход 22 с учетом полярности линии для подключения «плюса», а второй дифференциальный выход 21 с учетом полярности линии для подключения «минуса», первый П-образный фильтр, состоящий из конденсаторов 12 и 14 и катушек индуктивности 13 и 30, причем конденсаторы 12, 14 соединены параллельно с нагрузкой, а катушки индуктивности 13 и 30 соединены с нагрузкой последовательно, диоды 3 и 4, причем первый диод 3 подключен анодом по первому дифференциальному входу 20, второй диод 4 подключен катодом по второму дифференциальному входу 21, отличающийся тем, что исключена заземляющая магистраль, катушки индуктивности 13 и 30 объединены общим сердечником и имеют встречное включение, перед катушками индуктивности 13 и 30 вместо двух конденсаторов 12 и 28 включен первый конденсатор 12 первого П-образного фильтра, после катушек индуктивности 13 и 30 вместо двух конденсаторов 14 и 29 включен второй конденсатор 14 первого П-образного фильтра, между узлом первого 20 дифференциального входа и конденсатором 12 последовательно включена первая катушка индуктивности 1, далее по первому дифференциальному входу 20 взамен встречно-параллельных диодов 3 и 26 последовательно включен первый диод 3, соединенный анодом с первой катушкой индуктивности 1, далее по первому дифференциальному входу 20 последовательно включена третья катушка индуктивности 5, далее по первому дифференциальному входу 20 включен второй П-образный фильтр, состоящий из конденсаторов 7 и 9 и катушки индуктивности 8, по второму дифференциальному входу 21 последовательно включена вторая катушка индуктивности 2, далее по второму дифференциальному входу 21 взамен встречно-параллельных диодов 4 и 27 последовательно включен второй диод 4, соединенный катодом со второй катушкой индуктивности 2, далее по второму дифференциальному входу 21 последовательно включена четвертая катушка индуктивности 6, после второго П-образного фильтра включен в схему третий диод 10, соединенный параллельно входу фильтра катодом к «плюсу» электрической ветки, после третьего диода 10 последовательно включены катушки индуктивности 11 и 31 с обмотками, на общем сердечнике и имеющими встречное включение, далее после второго конденсатора 14 первого П-образного фильтра по «плюсу» электрической ветки последовательно включена пятая катушка индуктивности 15, после второго конденсатора 14 первого П-образного фильтра по «минусу» электрической ветки последовательно включена шестая катушка индуктивности 16, далее между катушками индуктивности 15, 16 и узлами первого 22 и второго 23 дифференциальных выходов фильтра включен третий П-образный фильтр, состоящий из конденсаторов 17 и 19 и катушки индуктивности 18.
Устройство поясняется фиг. 2 и представляет собой электронный модуль, состоящий из трех диодов 3, 4 и 10, двенадцати катушек индуктивности 1, 2, 5, 6, 8, 11, 13, 15, 16, 18, 30, 31 и шести конденсаторов 7, 9, 12, 14, 17 и 19. Радиоэлементы соединены по электрической каскадной схеме, обеспечивающей ослабление информационных (речевых) электрических сигналов уровня менее 100 мВ в соединительных линиях вспомогательных технических средств и систем, возникших вследствие акустоэлектрических преобразований речевой информации.
В фильтре нижних частот, первоначальное ослабление сигналов со стороны первого 20 и второго 21 дифференциальных входов происходит за счет нелинейных свойств катушек индуктивности 1 и 2 и диодов 3, 4 в диапазоне 100-400 МГц. Далее подавление сигналов на частоте 10-100 МГц за счет катушек индуктивности 5, 6 и второго П-образного фильтра, состоящего из катушки индуктивности 8 и конденсаторов 7 и 9. Далее катушки индуктивности 11, 31 с обмотками на общем сердечнике и имеющими встречное включение и первый П-образный фильтр (катушки индуктивности 13, 30 и конденсаторы 12 и 14) понижают уровень сигналов в диапазоне 0,09-50 МГц. Диод 10 подключен для защиты от ЭДС самоиндукции. Для защиты от дифференциальных сигналов со стороны первого 22 и второго 23 дифференциальных выходов, стоят две катушки индуктивности 15, 16 и третий П-образный фильтр (катушка индуктивности 18 и конденсаторы 17, 19), понижающие уровень сигналов в диапазоне 10-400 МГц. Все катушки защищены металлическими экранами от влияния электромагнитных полей соседних элементов, обозначенные на фигурах 1 и 2 пунктирными линиями. Все каскады между собой согласованы, благодаря чему получено падение дифференциального сигнала на всем заявленном диапазоне.
На чертеже фиг. 3 представлены результаты моделирования амплитудно-частотных характеристик заявляемого ФНЧ. Характеристика фиг. 3 показывает, что заявляемый ФНЧ седьмого порядка обеспечивает амплитудно-частотную характеристику на всем заявленном диапазоне частот.
Преимущество данного устройства заключается в конструкции фильтра, позволяющей за счет минимального количества радиоэлементов и металлических экранов получить необходимый коэффициент затухания (60 дБ) входного сигнала уровнем менее 100 мВ. При соблюдении полярности, как показано на фиг. 2, устройство может использоваться в линиях связи с постоянным напряжением до 25В.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с ФНЧ-прототипом и близкими решениями.
Источники информации:
1. Дж. Пейтон, В. Волш «Аналоговая электроника на операционных усилителях». - М.: БИНОМ, 1994, с.105.
2. Каталог. Защита телефонных линий [Электронный ресурс] // URL: http://www.pps.ru/?part=catalog&product=94 (дата обращения: 18.03.2020).
3. Патент РФ № 2277756, МПК H03H11/12 (2006.01). Активный фильтр нижних частот четвертого порядка / Дружинин А. Н. (RU), Змий Б. Ф. (RU), опубл. 10.06.2006.  Бюл.  № 16.
4. Сюртель. Линия защиты [Электронный ресурс] // URL:  https://suritel.ru/catalog/all/tekhnicheskie-sredstva-zashchity-informatsii/zashchita-setey-elektropitaniya/odnofaznyy-pomekhopodavlyayushchiy-filtr-forpost-spf-40-1f/ (дата обращения: 19.03.2020).
5. Патент RU 2168837, 2001 г.
6. Патент RU 2214036, 2003 г.
7. Патент RU 2349026, 2007 г.
8. Патент RU 2520422, 2014 г.