Полосовой перестраиваемый lc-фильтр

Полосовой перестраиваемый LC-фильтр относится к радиоэлектронике и может быть использован для частотной селекции сигналов в аппаратуре связи. Достигаемый технический результат - получение более высокой избирательности и расширение функциональных возможностей путем обеспечения возможности перестройки по частоте. Полосовой перестраиваемый LC-фильтр содержит фильтр нижних частот, состоящий из первой, второй, третьей катушки индуктивности, первый конденсатор, полосовую цепь, состоящую из четвертой катушки индуктивности, пятой катушки индуктивности, шестой катушки индуктивности, второй конденсатор, который подключен к выходу полосовой цепи, а также седьмую и восьмую катушки индуктивности, первый и второй варикапы, при этом седьмая катушка индуктивности одним выводом подключена к входной потенциальной клемме, а вторым подключена к общей шине, восьмая катушка индуктивности подключена к выходу фильтра нижних частот, второй ее вывод соединен с выходной потенциальной клеммой устройства, первый варикап подключен параллельно первому конденсатору, второй варикап подключен параллельно второму конденсатору. 8 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к радиоэлектронике и может быть использовано для частотной селекции сигналов в корреспондентской аппаратуре связи.

В аппаратных средствах магистральной радиосвязи для предварительной селекции сигналов частот используют перестраиваемые по частоте полосовые LC-фильтры, которые реализуются на основе полосовых LC-фильтров путем изменения величин конденсаторов, входящих в состав исходной схемы.

В предлагаемом устройстве использована схема, которая при введении четырех дополнительных элементов позволяет реализовать полосовой перестраиваемый фильтр второго порядка с полюсами затухания.

Наиболее близкой по структуре к предлагаемому устройству является схема, состоящая из каскадного включения фильтра нижних частот (ФНЧ) и полосовой цепи, при этом ФНЧ содержит первую катушку индуктивности, первый вывод которой является входом фильтра нижних частот и подключен к входной потенциальной клемме устройства, второй вывод этой катушки индуктивности соединен со второй и третьей катушками индуктивности, второй вывод второй катушки индуктивности через первый конденсатор соединен с общей шиной, второй вывод третьей катушки индуктивности является выходом фильтра нижних частот и подключен ко входу полосовой цепи, состоящей из четвертой катушки индуктивности, первый вывод которой является входом полосовой цепи, второй вывод четвертой катушки индуктивности соединен с общей шиной, первый вывод четвертой катушки индуктивности соединен с первым выводом пятой катушки индуктивности, второй вывод которой через второй конденсатор подключен к выходу полосовой цепи, к потенциальной клемме устройства и к шестой катушке индуктивности, второй вывод которой соединен с общей шиной.

Фрагменты этой цепи (ФНЧ и полосовой фильтр) являются известными [1]. Данная схема, как отмечалось выше, является наиболее близкой к заявляемому решению по структуре и выбрана нами в качестве прототипа.

Данная схема содержит два конденсатора и может реализовать полосовую цепь с одним полюсом затухания.

Задача изобретения - получение более высокой избирательности и расширение функциональных возможностей (возможность перестройки по частоте).

Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее ФНЧ, состоящий из первой катушки индуктивности, первый вывод которой является входом фильтра нижних частот и подключен к входной потенциальной клемме устройства, второй вывод этой катушки индуктивности соединен со второй и третьей катушками индуктивности, второй вывод второй катушки индуктивности через первый конденсатор соединен с общей шиной, второй вывод третьей катушки индуктивности является выходом фильтра нижних частот и подключен ко входу полосовой цепи, состоящей из четвертой катушки индуктивности, первый вывод которой является входом полосовой цепи, второй вывод четвертой катушки индуктивности соединен с общей шиной, первый вывод четвертой катушки индуктивности соединен с первым выводом пятой катушки индуктивности, второй вывод которой через второй конденсатор подключен к выходу полосовой цепи, к потенциальной клемме устройства и к шестой катушке индуктивности, второй вывод которой соединен с общей шиной, дополнительно введены седьмая и восьмая катушки индуктивности, а также первый и второй варикапы, при этом седьмая катушка индуктивности одним выводом подключена к входной потенциальной клемме фильтра, а вторым подключена к общей шине, восьмая катушка индуктивности подключена к выходу фильтра нижних частот, второй ее вывод соединен с выходной потенциальной клеммой устройства, первый варикап подключен параллельно первому конденсатору, второй варикап подключен параллельно второму конденсатору.

Сопоставительный анализ показывает, что заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что в устройство дополнительно введены седьмая и восьмая катушки индуктивности, а также первый и второй варикапы, при этом седьмая катушка индуктивности одним выводом подключена к входной потенциальной клемме фильтра, а вторым подключена к общей шине, восьмая катушка индуктивности подключена к выходу фильтра нижних частот, второй ее вывод соединен с выходной потенциальной клеммой устройства, первый варикап подключен параллельно первому конденсатору, второй варикап подключен параллельно второму конденсатору.

При сравнении заявляемого устройства не только с прототипом, но и с другими техническими решениями, известными в науке и технике, не обнаружены решения, обладающие сходными признаками.

На фиг.1 приведена электрическая схема заявляемого устройства. Устройство состоит из ФНЧ, содержащего первую катушку индуктивности 1, подключенных к ней второй 2 и третьей 3 катушек индуктивности, второй вывод второй катушки индуктивности через первый конденсатор 4 соединяется с общей шиной, второй вывод третьей катушки индуктивности соединен с первым выводом четвертой 5 и пятой 6 катушками индуктивности полосовой цепи, второй вывод четвертой катушки индуктивности 5 соединен с общей шиной, второй вывод пятой катушки индуктивности 6 через второй конденсатор 7 соединен с шестой катушкой индуктивности 8 и выходной потенциальной клеммой устройства, второй вывод шестой катушки индуктивности соединен с общей шиной. Дополнительная седьмая катушка индуктивности 9 подключена ко входной потенциальной клемме фильтра, второй вывод этой катушки соединен с общей шиной, восьмая дополнительная катушка индуктивности 10 соединяет вход и выход полосовой цепи, первый варикап 11 подключен параллельно первому конденсатору 4, второй варикап 12 подключен параллельно второму конденсатору 7. Устройство работает следующим образом.

Полученную после введения дополнительных катушек индуктивности 9 и 10 схему можно представить в виде каскадного соединения двух звеньев полосовых фильтров, каждое из звеньев эквивалентно симметричной мостовой схеме, приведенной на фиг.2.

Схема на фиг.2 представляет собой полосовой фильтр первого класса по затуханию и обеспечивает один полюс затухания, который может быть расположен выше или ниже полосы пропускания, в зависимости от выбранных значений элементов.

Элементы схемы могут быть определены по следующим формулам:

$$L_1=\frac{Z_{m}m}{{\omega }_0}$$ $$L_4=\frac{Z_m\cdot 2\Delta \omega }{{\omega }_0^{2}m}$$

$$L_2=\frac{Z_m}{{\omega }_{0}m}$$ $$C_4=\frac{m}{2Z_m\Delta \omega }$$

Здесь ω₀ - средняя частота;

Δω - полоса пропускания;

Z_m- номинальное характеристическое сопротивление;

$$m=\sqrt{\frac{{\omega }_2^2-{\omega }_{\infty }^2}{{\omega }_1^2-{\omega }_{\infty }^2}}$$ - коэффициент, характеризующий положение полюса затухания;

ω_∞ - частота полюса затухания;

ω₁, ω₂ - частоты краев полосы пропускания. Если выбрать частоту полюса затухания выше полосы пропускания, то m<1. В этом случае L₂>L₁, и, вынося за пределы мостовой схемы индуктивность L₁, получим схему, приведенную на фиг.3.

Преобразуя двухполюсник, состоящий из ΔL, 2С₄ и $$\frac{L_4}{2}$$ , получим эквивалентный двухполюсник, состоящий из последовательного контура, который содержит индуктивность L₆ и емкость С₆ и параллельно подключенную к контуру индуктивность L₅ [2]. Разделив индуктивность L₅ на две равные по величине и параллельно включенные индуктивности L₅₁=L₅₂-2L₅ (см. фиг.4), и введя идеальные трансформаторы между последовательным контуром и индуктивностями L₁÷L₅₁ на входе и индуктивностями L₅₂ и L₁ на выходе, используя известные преобразования Нортона [2], получим схему, приведенную на фиг.5.

Если частоту полюса затухания выбрать ниже полосы пропускания, получим m>1. В этом случае L₁>L₂. Вынося за пределы моста индуктивность L2, как последовательную ветвь, а затем ΔL=L₁-L₂ как параллельную ветвь, получим схему, приведенную на фиг.6.

В этой схеме величина индуктивности L₀ определяется формулой

$$L_0=\frac{\Delta L\cdot L_4}{\Delta L-L_4}(1)$$

Величина L₀ будет положительной при условии, когда $$m>1+2\frac{\Delta \omega }{{\omega }_0}.$$

Затем, как и в предыдущем случае, используя преобразование Нортона, получим схему, приведенную на фиг.7.

Четырехэлементный двухполюсник, содержащий индуктивность L₈, L₉ и конденсатор С9, заменим эквивалентным трехэлементным, содержащим параллельную индуктивность, получим схему, показанную на фиг.8.

Таким образом, соединяя схемы, приведенные на фиг.4 и 8, получаем схему фиг.1, в которой первое звено реализует полюс затухания выше частоты ω₀, второе - ниже частоты ω₀.

Подключение варикапов позволяет изменять величины входящих в схему емкостей и тем самым перестраивать среднюю частоту фильтра.

Источники информации

1. Босый Н.Д. Электрические фильтры. Гостехиздат УССР, Киев, 1959 (стр.131, рис.3.1 и стр.169, рис.3.29).

2. Черне Х.И. Индуктивные связи и трансформации в электрических фильтрах. Связьиздат, М., 1962 (стр.245, 300).

Полосовой перестраиваемый LC-фильтр, содержащий фильтр нижних частот, состоящий из первой катушки индуктивности, первый вывод которой является входом фильтра нижних частот и подключен к входной потенциальной клемме устройства, второй вывод этой катушки индуктивности соединен со второй и третьей катушками индуктивности, второй вывод второй катушки индуктивности через первый конденсатор соединен с общей шиной, второй вывод третьей катушки индуктивности является выходом фильтра нижних частот и подключен ко входу полосовой цепи, состоящей из четвертой катушки индуктивности, первый вывод которой является входом полосовой цепи, второй вывод четвертой катушки индуктивности соединен с общей шиной, первый вывод четвертой катушки индуктивности соединен с первым выводом пятой катушки индуктивности, второй вывод которой через второй конденсатор подключен к выходу полосовой цепи, к потенциальной клемме устройства и к шестой катушке индуктивности, второй вывод которой соединен с общей шиной, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены седьмая и восьмая катушки индуктивности, а также первый и второй варикапы, при этом седьмая катушка индуктивности одним выводом подключена к входной потенциальной клемме фильтра, а вторым подключена к общей шине, восьмая катушка индуктивности подключена к выходу фильтра нижних частот, второй ее вывод соединен с выходной потенциальной клеммой устройства, первый варикап подключен параллельно первому конденсатору, второй варикап подключен параллельно второму конденсатору.