Перестраиваемые полосовые фильтры

В современной приёмопередающей аппаратуре с перестройкой по частоте находят широкое применение перестраиваемые фильтры. При этом перестройка таких фильтров по частоте может осуществляться на основе коммутации на фиксированные частоты или же перестройки элементов самого фильтра.

Переключение ряда фильтров с примыкающими амплитудно­частотными характеристиками по входу и выходу позволяет обеспечить высокую избирательность и практически неограниченный коэффициент перестройки при сравнительно простой реализации. Однако перестраиваемые полосовые фильтры (ППФ), выполненные подобным образом, характеризуются большими массогабаритными показателями, особенно при большом количестве узких относительных полос пропускания в широком диапазоне частот.

Более перспективными являются ППФ, в которых перестройка по частоте осуществляется элементами фильтра. Это одновременно позволяет обеспечить высокую селективность и существенно улучшить массогабаритные показатели информационных систем связи, особенно при необходимости реализации большого количества узких относительных полос пропускания в широком диапазоне частот.

В связи с тем что ППФ в значительной мере определяют параметры приёмопередающей аппаратуры, к ним предъявляются высокие требования, которые должны сохраняться при изменении частоты настройки. Вместе с тем изменение частоты настройки ведёт к отклонению характеристик фильтра из­за изменения характеристического сопротивления. Причём это отклонение будет тем больше, чем шире диапазон перестройки фильтра.

В настоящей статье рассматриваются возможности реализации ППФ, обладающих заданными параметрами при перестройке в широком диапазоне частот (не менее октавы).

При проектировании ППФ, как правило, применяются схемы, содержащие минимальное количество элементов перестройки, причём один из выводов должен соединяться с общей шиной. В качестве элементов перестройки могут быть использованы переменные индуктивности и конденсаторы, последние выполняются в виде дискретных и нелинейных приборов переменной ёмкости с воздушным зазором.

Для создания аппаратуры, к динамическому диапазону которой предъявляются высокие требования, в качестве элементов перестройки наиболее приемлемыми являются дискретные конденсаторы переменной ёмкости (ДКПЕ), представляющие собой набор коммутируемых конденсаторов. На рисунке 1 приведена структурная схема ППФ, выполненного подобным образом.

Выбор схемы селективной части фильтра во многом определяет не только основные параметры, но и диапазон и способ перестройки. В работе [1] было показано, что входное сопротивление симметричного фильтра связано с его характеристическими параметрами следующим образом:

где W – входное сопротивление симметричного фильтра, R_H – сопротивление нагрузки на выходе фильтра, α – характеристическая фаза, Z_C – характеристическое сопротивление.

Выделяя вещественную и мнимую части этого выражения, можно получить следующие соотношения:

при α = kπ (k = 1,2...n), ReW = R_H , ImW = 0.

Таким образом, при изменении частоты настройки перестраиваемого фильтра чётного класса по затуханию входное сопротивление на средней частоте не изменяется. Сохраняется согласование, несмотря на изменение характеристического сопротивления. При этом вносимое затухание также будет неизменным. Поэтому селективная часть ППФ чётного класса по затуханию обладает меньшей чувствительностью по коэффициенту передачи на средней частоте при изменении частоты настройки, что делает её более предпочтительной при реализации перестраиваемых фильтров.

На рисунке 2а приведена схема селективной части ППФ чётного класса по затуханию с индуктивной связью, которая позволяет обеспечить постоянную относительную ширину полосы пропускания и меньшую неравномерность коэффициента передачи при более широком диапазоне перестройки. При проектировании узкополосных ППФ элементы такой схемы могут оказаться труднореализуемыми на практике. Устранить этот недостаток позволяет преобразованная схема, изображённая на рисунке 2б, которая является наиболее подходящей для создания ППФ. Расчёт элементов этой схемы может быть проведён на основе известных методик [2–7].

Теоретический коэффициент перестройки по частоте ППФ, выполненного подобным образом, может достигать 10. Однако на практике его величина не превышает 3–4, что обусловлено сильной зависимостью добротности катушек индуктивности от частоты и физической реализуемостью ДКПЕ с большим перекрытием по ёмкости.

При настройке перестраиваемого фильтра на верхнюю частоту диапазона ёмкость ДКПЕ минимальна, и её величина ограничена величиной паразитной монтажной ёмкости и суммарной ёмкостью C_м электронных ключей в разомкнутом состоянии C_К :

Максимальная ёмкость дискретного конденсатора ограничивается допустимой добротностью этой ёмкости Q_c при подключении к ней электронного ключа, сопротивление потерь которого в открытом состоянии равно r_K:

Коэффициент перекрытия диапазона рабочих частот определяется отношением:

Исходя из этого, можно определить максимальную ёмкость конденсатора C_max фильтра с частотой настройки, соответствующей нижней границе диапазона, и ёмкость C₁, соответствующую средней частоте диапазона перестройки.

Число разрядов M определяется по формуле:

где ΔC – ёмкость первого разряда, определяющая шаг перестройки.

На основе вышесказанного были разработаны и изготовлены ППФ в диапазоне частот от 1,5 до 90 МГц с коэффициентом перестройки по частоте 3…3,5.

ППФ выполнены на основе полосового фильтра чётного класса по затуханию с индуктивной связью (см. рис. 2б) с использованием десятиразрядного ДКПЕ. Общий вид ППФ одного из таких фильтров в диапазоне частот 3…10 МГц приведён на рисунке 3, его экспериментальная АЧХ – на рисунке 4.

При относительной ширине полосы пропускания порядка 4% вносимые потери фильтра составили 4…5 дБ (при добротности катушек индуктивности, равной 120), а относительное затухание в полосе задерживания при отстройке ±10% – 25 дБ. 

Литература

Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!