Амплитудный корректор

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для коррекции формы амплитудно-частотных характеристик широкополосных усилительных устройств и аттенюаторов, используемых в системах связи, телевидении и измерительном оборудовании. Технический результат заключается в уменьшении изменения крутизны наклона АЧХ во всей области рабочих частот и улучшении качества согласования по входу. Амплитудный корректор содержит первое и второе частотно-разделительные устройства, выполненные на дополняющих фильтрах нижних и верхних частот, первый и второй Т-образные мосты, выполненные на взаимообратных двухполюсниках. К низкочастотному и высокочастотному выходам первого частотно-разделительного устройства соответственно подключены входы первого и второго Т-образных мостов, выходы которых подключены соответственно к низкочастотному и высокочастотному входам второго частотно-разделительного устройства. При этом взаимообратный двухполюсник первого Т-образного моста, включенный между его входом и выходом, выполнен в виде параллельного соединения конденсатора и резистора, а взаимообратный двухполюсник второго Т-образного моста, включенный между его входом и выходом, выполнен в виде последовательного соединения конденсатора и резистора. За счет равенства фазовых сдвигов, вносимых Т-образными мостами 3 и 4 на частоте стыковки частотно-разделительных устройств 1 и 2, обеспечивается уменьшение изменения крутизны наклона АЧХ амплитудного корректора во всей области рабочих частот и улучшение качества согласования по входу. 7 ил.

 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для коррекции формы амплитудно-частотных характеристик широкополосных усилительных устройств и аттенюаторов, используемых в системах связи, телевидении и измерительном оборудовании.

Известен корректор с постоянным входным сопротивлением, выполненный в виде Т-образного моста (см. книгу Кисель В.А. Аналоговые и цифровые корректоры: Справочник - М.: Радио и связь, 1986, 184 с., рис.2.19, стр.38), который содержит четыре двухполюсника, значения импедансов которых Z₁, Z₂, Z₃ и Z₄ удовлетворяют следующим условиям:

где R - характеристическое сопротивление Т-образной мостовой схемы, равное его входному и выходному сопротивлению (R_вх=R_вых=R=const).

Выполнение условия (1) означает, что двухполюсники с импедансами Z₁ и Z₂ являются взаимообратными. В общем случае возможно четыре варианта выполнения каждого из взаимообратных четырехполюсников первого порядка, содержащих один реактивный элемент (конденсатор или катушку индуктивности) и один резистивный элемент (резистор).

Если первый взаимообратный двухполюсник выполнить в виде параллельного соединения резистора R₁ и конденсатора С₁, на частоте входного высокочастотного сигнала ω=2πf значение импеданс Z₁ равен

.

В этом случае второй взаимообратный двухполюсник представляет собой последовательное соединение резистора R₂ и катушки индуктивности L₂. Тогда в соответствии с (1) значения параметров элементов этих взаимообратных двухполюсников определяются из условий:

Анализ выражения (1) показывает, что при выполнении первого взаимообратного двухполюсника в виде последовательного соединения резистора и конденсатора , а второго взаимообратного двухполюсника в виде параллельного соединения R₂ и катушки индуктивности , то значения параметров элементов также определяются из условий (3).

Для частотных коэффициентов передачи описанных выше двух видов Т-образных мостов соответственно справедливы следующие выражения [Кисель В.А. Аналоговые и цифровые корректоры: Справочник - М.: Радио и связь, 1986, 184 с., стр.38]:

Анализ модулей выражений (4) и (5) показывает, что амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) рассматриваемых Т-образных мостов имеет монотонную частотную зависимость, при этом максимальное изменение АЧХ происходит в области низких частот (ω≈0). Эти особенности не позволяют получить произвольный закон изменения АЧХ описанных выше корректоров в виде Т-образных мостов, что необходимо во многих практических случаях.

Несколько лучшими возможностями по формированию необходимой формы АЧХ обладает усовершенствованный корректор, выполненный в виде Т-образного моста, содержащего взаимообратные двухполюсники второго порядка с импедансами Z₁ и Z₂ (см. книгу Кисель В.А. Аналоговые и цифровые корректоры: Справочник - М.: Радио и связь, 1986, 184 с., таблица 2.2, стр.40). Этот тип Т-образного моста обеспечивает получение АЧХ произвольного вида. Однако взаимообратные двухполюсники второго порядка, входящие в состав Т-образного моста, обладают резонансными свойствами, что ограничивает полосу рабочих частот рассматриваемого аналога.

Известен также амплитудный корректор, являющийся прототипом и содержащий первое двухканальное частотно-разделительное устройство, выполненное на двух дополняющих фильтрах нижних и верхних частот четного порядка, к низкочастотному и высокочастотному выходам которого соответственно подключены вход первого аттенюатора и вход второго аттенюатора, а выходы первого и второго аттенюаторов подключены соответственно к низкочастотному и высокочастотному входам второго частотно-разделительного устройства, содержащего два дополняющих фильтра нижних и верхних частот четного порядка, при этом входом амплитудного корректора является вход первого частотно-разделительного устройства, а выходом амплитудного корректора является выход второго частотно-разделительного устройства (см. книгу Алексеев О.В., Грошев Г.А., Чавка Г.Г. Многоканальные частотно-разделительные устройства и их применение. Радио и связь, 1981, 136 с., стр.103, рис.6.1; Информатика и проблемы телекоммуникаций. Российская научно-техническая конференция, Новосибирск, 2010, доклад Разинкин В.П., Рубанович М.Г., Востряков Ю.В. Широкополосный корректор амплитудно-частотных характеристик, электронно-физическая секция, стр.397-398).

Данный амплитудный корректор обеспечивает высокое качество согласования в широком диапазоне частот. Однако крутизна наклона АЧХ имеет большую неравномерность, причем в области полос пропускания фильтров нижних частот и верхних частот крутизна наклона АЧХ стремится к нулю. Крутизна наклона АЧХ имеет максимальную величину в области частот полосы стыковки частотно-разделительных устройств. Таким образом, в полосах пропускания дополняющих фильтров нижних и верхних частот, входящих в состав первого и второго частотно-разделительных устройств, АЧХ амплитудного корректора оказывается постоянной, то есть практически не зависит от частоты, а крутизна наклона АЧХ стремится к нулю. Кроме того, на частоте стыковки частотно-разделительных устройств из-за разных значений коэффициентов передачи первого и второго аттенюаторов согласование по входу в данном устройстве оказывается недостаточным.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение изменения крутизны наклона АЧХ амплитудного корректора во всей области рабочих частот и улучшение качества согласования по входу.

Поставленная задача достигается тем, что в известный амплитудный корректор введены первый и второй Т-образные мосты, каждый из которых содержит взаимообратные двухполюсники, при этом к низкочастотному и высокочастотному выходам первого частотно-разделительного устройства соответственно подключены входы первого и второго Т-образных мостов, выходы которых подключены соответственно к низкочастотному и высокочастотному входам второго частотно-разделительного устройства, при этом взаимообратный двухполюсник первого Т-образного моста, включенный между его входом и выходом, выполнен в виде параллельного соединения конденсатора и резистора, а взаимообратный двухполюсник второго Т-образного моста, включенный между его входом и выходом, выполнен в виде последовательного соединения конденсатора и резистора, при этом постоянные времени взаимообратных двухполюсников первого и второго Т-образных мостов выбраны следующим образом:

где , - соответственно постоянные времени взаимообратных двухполюсников первого и второго Т-образных мостов;

- величина резистора взаимообратного двухполюсника первого Т-образного моста;

- величина резистора взаимообратного двухполюсника второго Т-образного моста;

- емкость конденсатора взаимообратного двухполюсника первого Т-образного моста;

- емкость конденсатора взаимообратного двухполюсника второго Т-образного моста;

R - характеристическое сопротивление первого и второго Т-образных мостов, равное номинальному сопротивлению нагрузок частотно-разделительных устройств 1 и 2;

f_CT - частота стыковки первого и второго частотно-разделительных устройств;

k - постоянный безразмерный параметр, значение которого находится в пределах 1÷10.

На фиг.1 показана схема предлагаемого амплитудного корректора. На фиг.2 показана схема первого Т-образного моста 3, у которого взаимообратный двухполюсник выполнен в виде параллельного соединения конденсатора и резистора. На фиг.3 приведена схема второго Т-образного моста 4, у которого взаимообратный двухполюсник выполнен в виде последовательного соединения конденсатора и резистора. На фиг.4 представлены фазочастотные характеристики Т-образных мостов, показанных соответственно на фиг.2 и фиг.3. На фиг.5 изображены АЧХ предлагаемого амплитудного корректора и прототипа. На фиг.6 показаны АЧХ Т-образных мостов 3 и 4. На фиг.7 приведены частотные зависимости коэффициента стоячей волны (КСВ) для предлагаемого амплитудного корректора и прототипа.

Предлагаемый амплитудный корректор (фиг.1) содержит первое частотно-разделительные устройство 1, вход которого является входом предлагаемого устройства, второе частотно-разделительное устройство 2, выход которого является выходом предлагаемого устройства, первый Т-образный мост 3, между входом и выходом которого включен взаимообратный двухполюсник, выполненный в виде параллельного соединения конденсатора и резистора, второй Т-образный мост 4, между входом и выходом которого включен взаимообратный четырехполюсник, выполненный в виде последовательного соединения конденсатора и резистора. Низкочастотный выход частотно-разделительного устройства 1 соединен со входом Т-образного моста 3, а высокочастотный выход частотно-разделительного устройства 1 соединен со входом Т-образного моста 4. Низкочастотный вход частотно-разделительного устройства 2 соединен с выходом Т-образного моста 3, а высокочастотный вход частотно-разделительного устройства 2 соединен с выходом Т-образного моста 4.

Амплитудный корректор работает следующим образом. В широкополосных устройствах, в которых осуществляется разделение всей полосы рабочих частот на отдельные, более узкие полосы частот, применяют два частотно-разделительных устройства, в соответствующие частотные каналы которых включают согласованные усилители с требуемым коэффициентом усиления или аттенюаторы с требуемым затуханием. Следует отметить, что в данном случае первое частотно-разделительное устройство используется для разделения сигналов различных частот, а второе частотно-разделительное устройство используется для их объединения. Если частотно-разделительные устройства выполнены на основе дополняющих фильтров нижних и верхних частот, то на частоте стыковки f_CT фазовые сдвиги, вносимые данными фильтрами, должны быть одинаковыми. Это обеспечивается применением четного порядка дополняющих фильтров, образующих частотно-разделительные устройства 1 и 2 (см. книгу Алексеев О.В., Грошев Г.А., Чавка Г.Г. Многоканальные частотно-разделительные устройства и их применение. - Радио и связь, 1981. - 136 с., - стр.106). Действительно, на частоте стыковки f_CT частотно-разделительных устройств 1, 2 каждый элемент фильтра нижних частот вносит фазовый сдвиг -45°, а каждый элемент фильтра верхних частот вносит фазовый сдвиг +45°. Частота стыковки f_CT определяется следующим выражением

,

где f_НЧ - граничная частота фильтра нижних частот;

f_ВЧ - граничная частота фильтра верхних частот.

С учетом этого, в предлагаемом устройстве после прохождения сигнала через фильтры нижних частот, входящих в состав первого и второго частотно-разделительных устройств 1, 2, суммарный фазовый сдвиг равен

где n - порядок фильтров нижних частот, входящих в состав частотно-разделительных устройств 1 и 2;

- фазовый сдвиг, вносимый Т-образным мостом 3 на частоте стыковки f_CT.

После прохождения сигнала через фильтры верхних частот, входящих в состав первого и второго частотно-разделительных устройств 1, 2, суммарный фазовый сдвиг равен

где - фазовый сдвиг, вносимый Т-образным мостом 4 на частоте стыковки f_CT.

В соотношениях (6) и (7) сомножитель 2 учитывает прохождение сигнала через два частотно-разделительных устройства 1 и 2.

Из рассмотрения соотношений (6) и (7) следует, что равенство фазовых сдвигов и обеспечивается при четном порядке n фильтров нижних и верхних частот, входящих в частотно-разделительные устройства 1 и 2. Кроме того, должно быть выполнено равенство

Выделяя реальную и мнимую части в соотношении (4), нетрудно получить выражение для фазового сдвига, вносимого первым Т-образным мостом 3

Проведя аналогичное выделение реальной и мнимой частей в соотношении (5), получим выражение для фазового сдвига, вносимого вторым Т-образным мостом 4

Анализ условия (8), проведенный с использованием выражений (9)-(10) для фазовых сдвигов и , показал, что данное условие однозначно выполняется при выборе постоянных времени Т-образных мостов 3 и 4 по выражениям, приведенным в формуле изобретения:

При этом значения фазовых сдвигов и на частоте стыковки f=f_CT равны друг другу

Значения индуктивностей, входящих в состав первого и второго Т-образных мостов 3 и 4, показанных на фиг.2 и фиг.3, в соответствии с выражением (3) удовлетворяют следующему соотношению

На фиг.4 показаны результаты расчета фазо-частотных характеристик Т-образных мостов 3 и 4, схемы которых приведены соответственно на фиг.2 и фиг.3. Графики, показанные на фиг.4, подтверждают выполнение условия (8). При проведении расчетов для примера были взяты следующие значения параметров элементов Т-образных мостов: ; ; ; ; ; k=4; R=50 Ом. Таким образом, выбор параметров Т-образных мостов 3, 4 в соответствии с (11) действительно позволяет выполнить условие (8). Это в свою очередь обеспечивает получение частотной зависимости коэффициента передачи предлагаемого устройства с малым изменением крутизны наклона АЧХ во всей области рабочих частот, что подтверждается результатами компьютерного моделирования, показанными на фиг.5, где кривая 1 соответствует предлагаемому устройству, а кривая 2 - прототипу. Следует отметить, что абсолютное значение крутизны наклона АЧХ определяется конкретным выбором значения коэффициента k в пределах 1÷10.

Компьютерное моделирование частотных свойств предлагаемого амплитудного корректора показало, что на частоте f_CT кроме равенства фазовых сдвигов Т-образных мостов 3, 4 должно также выполняться и условие равенства модулей их коэффициентов передачи. Однако для осуществления амплитудной коррекции в прототипе необходимо иметь разные коэффициенты передачи аттенюаторов. Поэтому на структурном уровне, в связи с постоянством, то есть частотной независимостью коэффициента передачи аттенюаторов, прототип не обеспечивает качественное согласование по входу на частоте f_CT и в ее окрестности.

В предлагаемом устройстве частотная зависимость коэффициентов передачи Т-образных мостов 3 и 4 позволяет уменьшить разницу модулей их коэффициентов передачи на частоте f_CT и в ее окрестности. На фиг.6 показаны соответственно АЧХ Т-образных мостов 3 и 4, рассчитанные для указанных выше параметров элементов. Как видно из рассмотрения графиков фиг.6, на частоте стыковки f_CT различие модулей коэффициентов передачи ΔK₁ Т-образных мостов 3 и 4 в предлагаемом устройстве оказывается существенно меньше, чем различие модулей коэффициентов передачи аттенюаторов в прототипе ΔK₂, то есть ΔK₁<<ΔK₂. Это свойство обеспечивает существенное улучшение качества согласования по входу. Улучшение качества согласования подтверждается графиками частотной зависимости коэффициента стоячей волны (КСВ), полученными с помощью компьютерного моделирования и показанными на фиг.7, где кривая 1 соответствует предлагаемому амплитудному корректору, а кривая 2 соответствует прототипу. Таким образом, в прототипе максимальное значение КСВ равно 1,5. В предлагаемом устройстве максимальное значение КСВ равно 1,05. Следует также отметить, что высокое качество согласования в области нижних и верхних частот обеспечивается следующим основным свойством дополняющих фильтров (см. книгу Алексеев О.В., Грошев Г.А., Чавка Г.Г. Многоканальные частотно-разделительные устройства и их применение. - Радио и связь, 1981, - 136 с., стр.15-17), входящих в состав частотно-разделительных устройств 1 и 2:

где Y_{вх ФНЧ}(ω) - входная проводимость дополняющего фильтра нижних частот;

Y_{вх ФВЧ}(ω) - входная проводимость дополняющего фильтра верхних частот.

Амплитудный корректор, содержащий первое и второе частотно-разделительные устройства, каждое из которых выполнено на двух дополняющих фильтрах нижних и верхних частот четного порядка, при этом входом амплитудного корректора является вход первого частотно-разделительного устройства, а выходом корректора является выход второго частотно-разделительного устройства, отличающийся тем, что в него введены первый и второй Т-образные мосты, каждый их которых содержит взаимообратные двухполюсники, при этом к низкочастотному и высокочастотному выходам первого частотно-разделительного устройства соответственно подключены входы первого и второго Т-образных мостов, выходы которых подключены соответственно к низкочастотному и высокочастотному входам второго частотно-разделительного устройства, при этом взаимообратный двухполюсник первого Т-образного моста, включенный между его входом и выходом, выполнен в виде параллельного соединения конденсатора и резистора, а взаимообратный двухполюсник второго Т-образного моста, включенный между его входом и выходом, выполнен в виде последовательного соединения резистора и конденсатора, при этом постоянные времени взаимообратных двухполюсников первого и второго Т-образных мостов выбраны следующим образом:
, ,
где , - соответственно постоянные времени взаимообратных двухполюсников первого и второго Т-образных мостов;
- величина резистора взаимообратного двухполюсника первого Т-образного моста;
- величина резистора взаимообратного двухполюсника второго Т-образного моста;
- емкость конденсатора взаимообратного двухполюсника первого Т-образного моста;
- емкость конденсатора взаимообратного двухполюсника второго амплитудного Т-образного моста;
R - характеристическое сопротивление первого и второго Т-образных мостов, равное номинальному сопротивлению нагрузок частотно-разделительных устройств 1 и 2;
k - постоянный безразмерный параметр, значение которого находится в пределах 1÷10.