УЗКОПОЛОСНЫЙ ФИЛЬТР
NARROW-BAND FILTER

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для частотной селекции высокочастотных сигналов в радиотехнических системах и для обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры.
Известны узкополосные фильтры, выполненные на основе параллельных контуров с внешними индуктивными или внешними емкостными связями (см. Алексеев Л.В., Знаменский А.Е., Лоткова Е.Д. Электрические фильтры метрового и дециметрового диапазонов. - М.: Связь, 1976, 280 с.; рис.3.1, а, б, стр.85). Эти фильтры содержат параллельные контуры с близкими параметрами и широко применяется в диапазоне частот до 500 МГц.
Основным недостатком данного типа узкополосных фильтров является плохая физическая реализуемость элементов параллельных контуров. В соответствии с теорией фильтров соотношение, по которому определяется емкость конденсаторов параллельных контуров, имеет вид:
k
1
2
где k - номер контура фильтра; α - элемент низкочастотного прототипа; Δƒ - полоса пропускания фильтра; R - сопротивление нагрузки со стороны входа; R - сопротивление нагрузки со стороны выхода.
kƒ
Как следует из (1), при уменьшении полосы пропускания Δƒ существенно увеличивается требуемая емкость параллельных контуров C, что при неизменной настройке контуров приводит к уменьшению индуктивностей и собственных добротностей контуров. В результате этого значительно возрастают прямые потери в полосе пропускания.
Несколько меньшими прямыми потерями обладают узкополосные фильтры, выполненные на основе последовательных контуров с внутренними емкостными или внутренними индуктивными связями (см. Алексеев Л.В., Знаменский А.Е., Лоткова Е.Д. Электрические фильтры метрового и дециметрового диапазонов. - М.: Связь, 1976, 280 с.; рис.3.1, в, г, стр.85). Величина индуктивности последовательных контуров определяется следующим известным соотношением:
kƒ
В соответствии с (2) при уменьшении полосы пропускания Δƒ требуется большая индуктивность последовательных контуров L, что приводит к уменьшению собственной добротности последовательных контуров за счет проявления поверхностного эффекта на высоких частотах и к увеличению прямых потерь фильтра в полосе пропускания.
Известен также узкополосный фильтр, являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий два колебательных контура и конденсатор связи колебательных контуров, при этом в первом колебательном контуре первый вывод первой катушки индуктивности соединен с общим корпусом, а второй вывод первой катушки индуктивности подключен ко входу узкополосного фильтра, первый вывод второй катушки индуктивности подключен ко входу узкополосного фильтра, а второй вывод второй катушки индуктивности соединен с первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с общим корпусом, во втором колебательном контуре первый вывод первой катушки индуктивности соединен с общим корпусом, а второй вывод первой катушки индуктивности подключен к выходу узкополосного фильтра, первый вывод второй катушки индуктивности подключен к выходу узкополосного фильтра, а второй вывод второй катушки индуктивности соединен с первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с общим корпусом, при этом конденсатор связи колебательных контуров подключен соответственно к первым выводам конденсаторов первого и второго колебательных контуров.
Хорошая физическая реализуемость элементов параллельных контуров обеспечена за счет того, что при частичном включении контуров емкость конденсаторов параллельных контуров существенно уменьшается и соответственно равна
где  - коэффициент включения параллельного контура.
Анализ соотношения (3) показывает, что малая величина коэффициента включения  позволяет уменьшить емкость конденсаторов параллельных контуров и получить их высокую добротность, что обеспечивает небольшую величину прямых потерь узкополосного фильтра.
Основным недостатком прототипа является малая величина крутизны скатов амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), что обусловлено монотонностью АЧХ прототипа в полосе задержания.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение крутизны скатов амплитудно-частотной характеристики.
Поставленная задача достигается тем, что в известном узкополосном фильтре, содержащем два колебательных контура и конденсатор связи колебательных контуров, при этом в первом колебательном контуре первый вывод первой катушки индуктивности соединен с общим корпусом, а второй вывод первой катушки индуктивности подключен ко входу узкополосного фильтра, первый вывод второй катушки индуктивности подключен ко входу узкополосного фильтра, а второй вывод второй катушки индуктивности соединен с первым выводом конденсатора первого колебательного контура, второй вывод которого соединен с общим корпусом, во втором колебательном контуре первый вывод катушки индуктивности соединен с выходом узкополосного фильтра, а второй вывод катушки индуктивности соединен с первым выводом первого конденсатора второго колебательного контура, второй вывод которого соединен с общим корпусом, во второй колебательный контур дополнительно введен второй конденсатор, первый вывод которого подключен к выходу узкополосного фильтра, а второй вывод - к общему корпусу, при этом конденсатор связи колебательных контуров включен между входом и выходом узкополосного фильтра, а коэффициенты включения первого и второго колебательных контуров соответственно равны
при этом емкость конденсатора связи колебательных контуров выбрана равной
L
где p - коэффициент включения первого колебательного контура;
C
p - коэффициент включения второго колебательного контура;
0
f - резонансная частота колебательных контуров;
1
0
f - верхняя частота нуля коэффициента передачи, большая чем f;
-1
0
f - нижняя частота нуля коэффициента передачи, меньшая чем f.
На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого узкополосного фильтра. На фиг.2 приведены схемы колебательных контуров с частичным включением: а) - индуктивное включение; б) - емкостное включение. На фиг.3 приведена амплитудно-частотная характеристика предлагаемого узкополосного фильтра (кривая 1) и прототипа (кривая 2).
1
2
2
2
1
4
3
3
3
Предлагаемый узкополосный фильтр (фиг.1) содержит катушку индуктивности 1 (L), первый вывод которой соединен с общим корпусом, а второй вывод подключен ко входу узкополосного фильтра. Первый вывод второй катушки индуктивности 2 (L) подключен ко входу узкополосного фильтра, а ко второму выводу катушки индуктивности 2 (L) подключен первый вывод конденсатора 3 (С), второй вывод которого соединен с общим корпусом. Конденсатор связи колебательных контуров 4 (С) включен между входом и выходом узкополосного фильтра. Первый вывод конденсатора 6 (С) соединен с выходом узкополосного фильтра, а второй его вывод соединен с общим корпусом. Первый вывод катушки индуктивности 5 (L) соединен с выходом узкополосного фильтра, а второй вывод катушки индуктивности 5 (L) соединен с первым выводом конденсатора 7 (С), второй вывод которого соединен с общим корпусом.
Отметим, что под соединением с общим корпусом в предлагаемом устройстве понимается общая шина с нулевым потенциалом.
1
2
2
3
3
Узкополосный фильтр работает следующим образом. Структура предлагаемого узкополосного фильтра, показанного на фиг.1, соответствует квазиполиномиальному полосно-пропускающему фильтру второго порядка. В отличие от известных реализаций в данном узкополосном фильтре использовано частичное индуктивное включение первого колебательного контура и частичное емкостное включение второго колебательного контура. Как известно, колебательные контуры с частичным включением обладают свойствами трансформировать подключаемые нагрузки с достаточно большим коэффициентом трансформации. Это обеспечивает хорошую физическую реализуемость реактивных элементов и малые прямые потери. Включение конденсатора связи (С) 4 между входом и выходом узкополосного фильтра привело к образованию двух последовательных контуров LC (элементы 2 и 3) и LC (элементы 5 и 7). Данные последовательные контуры, включенные соответственно на входе и выходе узкополосного фильтра, обеспечивают наличие нулей коэффициента передачи на частотах
1
1
0
-1
-1
0
где ƒ - верхняя частота нуля коэффициента передачи (ƒ>ƒ); ƒ - нижняя частота нуля коэффициента передачи (ƒ<ƒ).
±1
1
2
2
0
1f
Значения частот ƒ определим исходя из следующего рассмотрения. Будем полагать, что колебательный контур LLC в полосе рабочих частот эквивалентен параллельному контуру, как показано на фиг.2, а. Эквивалентный контур настроен на частоту f, при этом величина его емкости C равна:
Условие эквивалентности колебательных контуров, показанных на фиг.2, а, имеет вид:
1
1ƒ
1ƒ
ƒ1
1
2
2
где B - реактивная проводимость контура CL; B - реактивная проводимость контура LLC.
Из условия (7) нетрудно получить, что:
1
2
2
1
2
Коэффициент включения колебательного контура LLC при известных значениях элементов L и L равен
3
3
4
0
2f
Будем полагать, что колебательный контур LCC в полосе рабочих частот эквивалентен параллельному контуру, как показано на фиг.2, б. Эквивалентный контур настроен на частоту f, при этом величина его емкости C равна:
Условие эквивалентности колебательных контуров, показанных на фиг.2, б, имеет вид:
2
2ƒ
2ƒ
ƒ-1
3
3
4
где В - реактивная проводимость контура CL; B - реактивная проводимость контура LCC.
Из условия (13) получены следующие соотношения:
3
3
4
3
4
Коэффициент включения колебательного контура LCC при известных значениях элементов С и С равен
1
-1
На основе выражений (8)-(11) и (14)-(17) для заданных значений частот f и f определяются значения элементов и коэффициенты включения. Отметим, что резонансная частота колебательных контуров с емкостной связью в узкополосных фильтрах в первом приближении определяется соотношением
0ƒ
где ƒ - центральная частота полосы пропускания узкополосного фильтра.
0ƒ
1
-1
1
1
2
2
3
3
4
0
0ƒ
0ƒ
Для предлагаемого узкополосного фильтра в качестве примера были взяты следующие исходные данные: ƒ=100 МГц, Δƒ=1 МГц, ƒ=110 МГц и ƒ=90 МГц. Для этого примера по соотношениям (8)-(11) и (14)-(17) были рассчитаны значения элементов: С=33,60 пФ; L=7,553 нГ; L=40,58 нГ; С=51,64 пФ; С=112,40 пФ; L=27,95 нГ; С=431,41 пФ; ƒ=ƒ+Δƒ=101 МГц. Результаты моделирования амплитудно-частотной характеристики узкополосного фильтра представлены на фиг.3 (линия 1). На фиг.3 также показана амплитудно-частотная характеристика прототипа (линия 2). Как видно из рассмотрения графиков фиг.3, предлагаемый узкополосный фильтр за счет двух нулей коэффициента передачи, симметрично расположенных относительно центральной частоты полосы пропускания фильтра ƒ, имеет существенно более высокую крутизну скатов амплитудно-частотной характеристики.
1
-1
Кроме того, достоинством предлагаемого узкополосного фильтра является возможность произвольного выбора частот ƒ и ƒ, на которых коэффициент передачи равен нулю, что бывает полезным при обеспечении электромагнитной совместимости различных радиоэлектронных устройств.