ПОЛОСОВОЙ LC-ФИЛЬТР С ПОСТОЯННЫМ ВХОДНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ В ПОЛОСАХ ЗАДЕРЖИВАНИЯ
BAND-PASS LC FILTER WITH CONSTANT INPUT RESISTANCE IN STOP-BANDS

Предлагаемое устройство относится к радиоэлектронике и может быть использовано в качестве селекторов профессиональных приемопередающих устройств.
В радиоприемных устройствах для предварительной селекции принимаемых сигналов, в передающих устройствах для формирования спектра излучаемого сигнала используются различные типы полосовых LC-фильтров, которые должны обеспечить необходимое согласование с антенной и максимальный коэффициент передачи в полосе рабочих частот, а также необходимое подавление сигналов вне этой полосы частот.
Одним из вариантов применяемых для этой цели полосовых фильтров является фильтр, содержащий первую катушку индуктивности, подключенную к входной клемме фильтра, второй вывод которой соединен с первым конденсатором, ко второму выводу которого подключены второй и третий конденсаторы, второй вывод третьего конденсатора соединен со второй катушкой индуктивности, второй вывод которой подключен к четвертому и пятому конденсаторам, второй вывод пятого конденсатора соединен с третьей катушкой индуктивности, второй вывод которой является выходом фильтра, а вторые выводы второго и четвертого конденсаторов соединены с общей шиной.
Данный полосовой фильтр имеет второй класс по затуханию, содержит небольшое количество индуктивных элементов, что позволит реализовать наибольший коэффициент передачи в полосе пропускания и достаточно малые отражения сигнала в рабочей полосе частот (коэффициент стоячей волны в большинстве случаев не превышает 1,2) [1].
Этот фильтр является наиболее близким аналогом предлагаемого устройства и выбран в качестве прототипа.
Недостатком выбранного прототипа является то, что в полосах задерживания его входное сопротивление имеет реактивный характер и не обеспечивает необходимого в ряде случаев небольшого значения коэффициента стоячей волны.
Задачей изобретения является улучшение коэффициента стоячей волны на входе фильтра в полосах задерживания.
Поставленная задача решается тем, что в фильтр, содержащий первую катушку индуктивности, первый вывод которой соединен с входной потенциальной клеммой фильтра, второй вывод катушки индуктивности соединен с первым конденсатором, ко второму выводу которого подключены второй и третий конденсаторы, второй вывод третьего конденсатора соединен со второй катушкой индуктивности, ко второму выводу которой подключены четвертый и пятый конденсаторы, второй вывод пятого конденсатора подключен к третей катушке индуктивности, второй вывод которой является потенциальным выходом фильтра, вторые выводы второго и четвертого конденсаторов соединены с общей шиной, дополнительно вводиться цепь, которая состоит из четвертой катушки индуктивности, первый вывод которой соединен с входной потенциальной клеммой фильтра, параллельно четвертой катушке индуктивности подключен шестой конденсатор, второй вывод четвертой катушки индуктивности соединен с резистором и пятой катушкой индуктивности, ко второму выводу которой подключен седьмой конденсатор, вторые выводы седьмого конденсатора и резистора соединены с общей шиной.
Сопоставительный анализ показывает, что заявленное решение отличается от прототипа тем, что в устройство дополнительно вводиться цепь, которая состоит из четвертой катушки индуктивности, первый вывод которой соединен с входной потенциальной клеммой фильтра, параллельно четвертой катушке индуктивности подключен шестой конденсатор, второй вывод четвертой катушки индуктивности соединен с резистором и пятой катушкой индуктивности, ко второму выводу которой подключен седьмой конденсатор, вторые выводы седьмого конденсатора и резистора соединены с общей шиной.
При сравнении заявленного устройства не только с прототипом, но и с другими известными в науке и технике техническими решениями не обнаружены решения, обладающие сходными параметрами.
На фиг.1 приведена электрическая схема предлагаемого устройства. Устройство состоит из полосового фильтра 1, в который входит первая катушка индуктивности 2, подключенная к входной потенциальной клемме фильтра, второй вывод катушки 2 соединен с первым конденсатором 3, ко второму выводу которого подключены второй 4 и третий 5 конденсаторы, второй вывод третьего конденсатора соединен с второй катушкой индуктивности 6, ко второму выводу которой подключен четвертый 7 и пятый 8 конденсаторы, второй вывод пятого конденсатора соединен с третьей катушкой индуктивности 9, второй вывод которой соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра, при этом вторые выводы второго 4 и четвертого 7 конденсаторов соединены с общей шиной. Кроме того, устройство содержит режекторный фильтр 10, состоящий из четвертой катушки индуктивности 11, первый вывод которой соединен с входной потенциальной клеммой фильтра, параллельно четвертой катушке индуктивности подключен шестой конденсатор 12, второй вывод четвертой катушки индуктивности 11 соединен с резистором 13 и пятой катушкой индуктивности 14, второй вывод пятой катушки индуктивности соединен с седьмым конденсатором 15, вторые выводы седьмого конденсатора и резистора 13 соединены с общей шиной.
Устройство работает следующим образом. Полосовой фильтр 1, при условии, что индуктивности 2 и 9, а также конденсаторы 3 и 8, 4 и 7 выбраны равными, будет эквивалентен симметричной мостовой схеме, приведенной на фиг.2 (в соответствии с теоремой Бартлетта)[1].
Частотные зависимости реактивных сопротивлений ветвей этой схемы показаны на фиг.3а, а на фиг.3б приведена частотная зависимость его характеристического сопротивления.
Дополнительная цепь 10 представляет собой полузвено режекторного фильтра, реактивное сопротивление ветвей его мостового эквивалента представлено на фиг.4а. На фиг.46 показана частотная зависимость характеристического сопротивления этого режекторного фильтра.
1
1
0
Входное сопротивление полосового фильтра, нагруженного на активное сопротивление R, будет иметь емкостный характер на частотах от нуля до ω, индуктивный характер на частотах от ω2 до ω=∞ и на частотах от ω до ω оно будет активным и примерно равным R в большей части полосы пропускания [2, 3].
1
2
1
0
0
2
0
Для режекторного фильтра входное сопротивление будет активным на частотах от нуля до ω и от ω до ω=∞. В полосе частот от ω до ω входное сопротивление будет индуктивным, на частотах от ω до ω - емкостным, при этом модуль входного сопротивления увеличивается при приближении к частоте ω [2,3].
1
2
1
2
Таким образом, при подключении дополнительной цепи 10 к полосовому фильтру 1 происходит шунтирование его реактивных составляющих активным сопротивлением. На частотах ω-ω реактивное сопротивление режекторной цепи незначительно влияет на входное сопротивление полосового фильтра в большей части полосы пропускания. В результате входное сопротивление в устройстве в целом имеет активный и равномерный характер практически во всей полосе частот (за исключением частот, близких к ω и ω).
Применение такого устройства позволяет получить улучшенный коэффициент стоячей волны не только в полосе пропускания, но и в полосе задерживания.
Был рассчитан полосовой фильтр на частоту 83 МГц с полосой пропускания 5 МГц, который обеспечивал затухание в полосе задерживания 30 дБ при коэффициенте прямоугольности 4.5, и вносимое затухание в полосе пропускания не более 1 дБ при добротности катушек индуктивности 250. Фильтр обеспечивал КСВ 1,5 на средней частоте и около 4 на краях полосы пропускания. КСВ этого фильтра (без корректирующей цепи) приведена на фиг.5 и 6 - штриховая линия. На этих же рисунках приведена (сплошная линия) зависимость КСВ при подключенной цепи коррекции.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет улучшить согласование полосового фильтра с источником сигналов в более широкой полосе частот по сравнению с полосовыми фильтрами без применения дополнительных корректирующих цепей. Заметим, что подключение дополнительных звеньев на выходе полосового фильтра (при необходимости увеличения затухания в полосе задерживания) практически мало влияет на результирующие входное сопротивление устройства.
Источники информации
1. Гиллемин Е.А. Синтез пассивных цепей. Изд. «Связь», М., 1970.
2. Акульшин П.К., Кощеев И.А., Кульбацкий К.Е. Теория связи по проводам. Связьиздат. 1940.
3. Яковлев А.Н., Ясинский И.М. Анализ входных сопротивлений электрических фильтров. Техника радиосвязи. Вып.14, 2009.