ФИЛЬТР ГАРМОНИК КОРОТКОВОЛНОВОГО ПЕРЕДАТЧИКА
SHORT WAVE TRANSMITTER HARMONIC FILTER

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в фильтрах гармоник усилителей мощности (УМ) 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]. 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.
Однако 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) [3, 4], представляющих собой LC-схему с разделением полосы частот [4] 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 фильтр гармоник коротковолнового передатчика, предложенный в [5]. Данное устройство выбрано в качестве прототипа как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому, так как содержит большое количество ЧРУ, причем в отличие от [4] 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, выполненных на сердечниках, и конденсаторов. При этом и в ФНЧ, и в ФВЧ используется схема Кауэра, требующая для получения каждого полюса затухания катушку индуктивности и конденсатор. Такая избыточность в количестве элементов в сочетании с невостребованностью ряда высоких параметров прототипа практически исключает его применение в малогабаритных радиопередающих устройствах.
Задача изобретения - упрощение фильтра гармоник коротковолнового передатчика при одновременном уменьшении его габаритных размеров и обеспечении согласования фильтра гармоник по входу во всем рабочем диапазоне частот радиопередатчика и на частотах гармонических составляющих передаваемого сигнала.
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 подключается 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 фильтр нижних частот содержит две катушки индуктивности, соединенные последовательно, и два конденсатора, включенные между вторыми выводами катушек индуктивности и общей шиной, при этом катушки индуктивности выполнены индуктивно связанными между собой и размещены на одном сердечнике, преимущественно тороидальной формы, причем магнитные потоки индуктивно связанных катушек индуктивности направлены навстречу друг другу, а фильтр верхних частот содержит два конденсатора, соединенные последовательно, и две катушки индуктивности, включенные между вторыми выводами конденсаторов и общей шиной, при этом катушки индуктивности фильтра верхних частот также выполнены индуктивно связанными между собой и размещены на одном сердечнике, преимущественно тороидальной формы, причем магнитные потоки индуктивно связанных катушек индуктивности направлены навстречу друг другу, при этом выход фильтра нижних частот подключается 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.
На чертеже 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 подключается к входу 5 фильтра гармоник через 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 фильтр нижних частот 2 содержит две катушки индуктивности 7 и 8, соединенные последовательно, и два конденсатора 9 и 10, включенные между вторыми выводами катушек индуктивности 7, 8 и общей шиной, при этом катушки индуктивности 7, 8 выполнены индуктивно связанными между собой при помощи взаимоиндуктивности [6] M1 и размещены на одном сердечнике, преимущественно тороидальной формы, причем магнитные потоки индуктивно связанных катушек индуктивности 7, 8 направлены навстречу друг другу, а фильтр верхних частот содержит два конденсатора 11 и 12, соединенные последовательно, и две катушки индуктивности 13 и 14, включенные между вторыми выводами конденсаторов 11, 12 и общей шиной, при этом катушки индуктивности 13, 14 фильтра верхних частот 3 также выполнены индуктивно связанными между собой при помощи взаимоиндуктивности [6] М2 и размещены на одном сердечнике, преимущественно тороидальной формы, причем магнитные потоки индуктивно связанных катушек индуктивности 13, 14 направлены навстречу друг другу, при этом выход фильтра нижних частот 2 подключается к выходу 15 фильтра гармоник через выходной трехконтактный переключатель 16, один из неподвижных контактов которого соединен с выходом 15 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, 16 и устройства управления 17.
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 16 трехконтактных переключателей соответствующего частотно-разделительного устройства 1. В результате сигнал проходит на выход 15 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 выделяются на балластном сопротивлении 4. Можно отметить, что избирательность фильтра нижних частот 2 повышенная благодаря наличию в полосе задерживания фильтра полюса затухания, который появился вследствие индуктивной связи между катушками индуктивности 7, 8 при встречном направлении их магнитных потоков. Частота полюса затухания зависит от величины взаимоиндуктивности M1, а также от величины емкости конденсатора 9. От их соотношения зависит также такой важный параметр фильтра гармоник, как коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) в каждой рабочей полосе частот устройства, который может быть значительно уменьшен благодаря индуктивной связи между катушками индуктивности. В свою очередь, величина взаимоиндуктивности M1 зависит от расстояния между обмотками катушек индуктивности 7 и 8. Очевидно, что это расстояние можно изменять, выбирая оптимальное соотношение между требуемыми значениями подавления гармоник и величиной КСВН в соответствующей рабочей полосе частот фильтра гармоник. Избирательность фильтра верхних частот 3 в каждом частотно-разделительном устройстве 1 также повышенная благодаря наличию в полосе задерживания фильтра полюса затухания, который появился вследствие индуктивной связи между катушками индуктивности 13, 14 при встречном направлении их магнитных потоков. Частота полюса затухания зависит от величины взаимоиндуктивности М2, а также от величины емкости конденсатора 12. В свою очередь, величина взаимоиндуктивности М2 зависит от расстояния между обмотками катушек индуктивности 13 и 14. Очевидно, что это расстояние можно изменять, контролируя при этом частоту полюса затухания и величину затухания в полосе задерживания фильтра верхних частот 3, прежде всего на верхней частоте рабочей полосы частот фильтра нижних частот 2 данного частотно-разделительного устройства, а также величину КСВН в пределах рабочей полосы частот и на частотах их гармонических составляющих.
Заявленный фильтр гармоник коротковолнового передатчика имеет минимальное количество элементов, простую конструкцию и малые габаритные размеры. Благодаря тому, что и в ФНЧ, и в ФВЧ обе катушки индуктивности выполнены на одном сердечнике, устройство не требует экранирования звеньев фильтра. Одновременно заявленный фильтр гармоник обеспечивает повышенную избирательность благодаря наличию полюсов затухания в полосах задерживания ФНЧ и ФВЧ, что достигается простыми средствами без применения дополнительных элементов, а путем использования индуктивных связей между катушками индуктивности фильтров. 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 его коэффициент комбинационных нелинейных 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. Босый Н.Д. Электрические фильтры. - 3-е изд. - Киев. - Государственное изд-во технической литературы, 1959. - С. 522…535.
4. Зааль Р. Справочник по расчету фильтров: Пер. с нем. - М.: Радио и связь, 1983. - С. 77.
5. Патент RU 2444120, кл. Н03Н 7/32. Фильтр гармоник коротковолнового передатчика / А.Г. Зиновьев, А.В. Богданов, Л.Э. Колбина. - Заявлено 18.02.2010; опубликовано 27.02.2012. Бюл. № 6.
6. Справочник по радиотехнике: Под ред. Б.А. Смиренина. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1950. - С. 54, 55.