Узкополосный фильтр

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для частотной селекции высокочастотных сигналов в радиотехнических устройствах и для обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры. Технический результат заключается в увеличении крутизны скатов амплитудно-частотной характеристики фильтра. Узкополосный фильтр содержит два колебательных контура и конденсатор связи, при этом в первом колебательном контуре первый вывод первой катушки индуктивности соединен с общим корпусом, а второй вывод первой катушки индуктивности подключен ко входу фильтра, первый вывод второй катушки индуктивности подключен ко входу 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 катушки индуктивности соединен с выходом фильтра, а второй вывод катушки индуктивности соединен с первым выводом первого конденсатора второго колебательного контура, второй вывод которого соединен с общим корпусом, первый вывод второго конденсатора второго колебательного контура подключен к выходу фильтра, второй вывод которого соединен с общим корпусом, при этом конденсатор связи колебательных контуров включен между входом и выходом фильтра. 3 ил.

 

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:

где k - номер контура фильтра; α_k - элемент низкочастотного прототипа; Δƒ - полоса пропускания фильтра; R₁ - сопротивление нагрузки со стороны входа; R₂ - сопротивление нагрузки со стороны выхода.

Как следует из (1), при уменьшении полосы пропускания Δƒ существенно увеличивается требуемая емкость параллельных контуров C_kƒ, 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:

В соответствии с (2) при уменьшении полосы пропускания Δƒ требуется большая индуктивность последовательных контуров L_kƒ, 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

где p_L - коэффициент включения первого колебательного контура;

p_C - коэффициент включения второго колебательного контура;

f₀ - резонансная частота колебательных контуров;

f₁ - верхняя частота нуля коэффициента передачи, большая чем f₀;

f_-1 - нижняя частота нуля коэффициента передачи, меньшая чем f₀.

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).

Предлагаемый узкополосный фильтр (фиг.1) содержит катушку индуктивности 1 (L₁), первый вывод которой соединен с общим корпусом, а второй вывод подключен ко входу узкополосного фильтра. Первый вывод второй катушки индуктивности 2 (L₂) подключен ко входу узкополосного фильтра, а ко второму выводу катушки индуктивности 2 (L₂) подключен первый вывод конденсатора 3 (С₂), второй вывод которого соединен с общим корпусом. Конденсатор связи колебательных контуров 4 (С₁) включен между входом и выходом узкополосного фильтра. Первый вывод конденсатора 6 (С₄) соединен с выходом узкополосного фильтра, а второй его вывод соединен с общим корпусом. Первый вывод катушки индуктивности 5 (L₃) соединен с выходом узкополосного фильтра, а второй вывод катушки индуктивности 5 (L₃) соединен с первым выводом конденсатора 7 (С₃), второй вывод которого соединен с общим корпусом.

Отметим, что под соединением с общим корпусом в предлагаемом устройстве понимается общая шина с нулевым потенциалом.

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 (С₁) 4 между входом и выходом узкополосного фильтра привело к образованию двух последовательных контуров L₂C₂ (элементы 2 и 3) и L₃C₃ (элементы 5 и 7). Данные последовательные контуры, включенные соответственно на входе и выходе узкополосного фильтра, обеспечивают наличие нулей коэффициента передачи на частотах

где ƒ₁ - верхняя частота нуля коэффициента передачи (ƒ₁>ƒ₀); ƒ_-1 - нижняя частота нуля коэффициента передачи (ƒ_-1<ƒ₀).

Значения частот ƒ_±1 определим исходя из следующего рассмотрения. Будем полагать, что колебательный контур L₁L₂C₂ в полосе рабочих частот эквивалентен параллельному контуру, как показано на фиг.2, а. Эквивалентный контур настроен на частоту f₀, при этом величина его емкости C_1f равна:

Условие эквивалентности колебательных контуров, показанных на фиг.2, а, имеет вид:

где B₁ - реактивная проводимость контура C_1ƒL_1ƒ; B_ƒ1 - реактивная проводимость контура L₁L₂C₂.

Из условия (7) нетрудно получить, что:

Коэффициент включения колебательного контура L₁L₂C₂ при известных значениях элементов L₁ и L₂ равен

Будем полагать, что колебательный контур L₃C₃C₄ в полосе рабочих частот эквивалентен параллельному контуру, как показано на фиг.2, б. Эквивалентный контур настроен на частоту f₀, при этом величина его емкости C_2f равна:

Условие эквивалентности колебательных контуров, показанных на фиг.2, б, имеет вид:

где В₂ - реактивная проводимость контура C_2ƒL_2ƒ; B_ƒ-1 - реактивная проводимость контура L₃C₃C₄.

Из условия (13) получены следующие соотношения:

Коэффициент включения колебательного контура L₃C₃C₄ при известных значениях элементов С₃ и С₄ равен

На основе выражений (8)-(11) и (14)-(17) для заданных значений частот f₁ и f_-1 определяются значения элементов и коэффициенты включения. Отметим, что резонансная частота колебательных контуров с емкостной связью в узкополосных фильтрах в первом приближении определяется соотношением

где ƒ_0ƒ - центральная частота полосы пропускания узкополосного фильтра.

Для предлагаемого узкополосного фильтра в качестве примера были взяты следующие исходные данные: ƒ_0ƒ=100 МГц, Δƒ=1 МГц, ƒ₁=110 МГц и ƒ_-1=90 МГц. Для этого примера по соотношениям (8)-(11) и (14)-(17) были рассчитаны значения элементов: С₁=33,60 пФ; L₁=7,553 нГ; L₂=40,58 нГ; С₂=51,64 пФ; С₃=112,40 пФ; L₃=27,95 нГ; С₄=431,41 пФ; ƒ₀=ƒ_0ƒ+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_0ƒ, имеет существенно более высокую крутизну скатов амплитудно-частотной характеристики.

Кроме того, достоинством предлагаемого узкополосного фильтра является возможность произвольного выбора частот ƒ₁ и ƒ_-1, на которых коэффициент передачи равен нулю, что бывает полезным при обеспечении электромагнитной совместимости различных радиоэлектронных устройств.

Узкополосный фильтр, 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 колебательным 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, отличающийся тем, что 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

где p_L - коэффициент включения первого параллельного контура;
р_C - коэффициент включения второго параллельного контура;
f₀ - резонансная частота параллельных контуров;
f₁ - верхняя частота нуля коэффициента передачи фильтра, большая, чем f₀;
f_-1 - нижняя частота нуля коэффициента передачи фильтра, меньшая, чем f₀.
α₁ - значение первого элемента низкочастотного прототипа двухконтурного фильтра;
α₂ - значение второго элемента низкочастотного прототипа двухконтурного фильтра;
R₁ - значение сопротивления нагрузки со стороны входа узкополосного фильтра;
R₂ - значение сопротивления нагрузки со стороны выхода узкополосного фильтра.