Высокоизбирательные перестраиваемые фильтры

Одной из тенденций приёмопередающей аппаратуры связи является дальнейшее улучшение её основных параметров, прежде всего, таких как чувствительность, помехозащищённость, динамический диапазон и т.д. Многие из этих параметров определяются используемыми во входных цепях радиоприёмных устройств и в выходных каскадах возбудителей характеристиками частотно-избирательных устройств, в качестве которых широкое применение находят полосовые перестраиваемые фильтры.

Как правило, такие фильтры реализуются на основе схем второго порядка, представляющих собой два связанных контура. Однако избирательность подобных фильтров в ряде случаев оказывается недостаточной для их использования в перспективных радиосредствах. Повышение избирательности за счёт увеличения порядка фильтра, или, иными словами, числа резонансных контуров, ведёт к росту потерь в полосе пропускания фильтров и, как следствие, уменьшению чувствительности. Поэтому проектирование перестраиваемых фильтров, обладающих высоким затуханием в полосе задерживания (не менее 50…60 дБ при отстройке от частоты настройки на 10%) и малыми потерями, требует решения ряда взаимоисключающих вопросов и является достаточно сложной технической задачей.

В настоящей работе рассматриваются возможности создания высокоизбирательных полосовых фильтров с низкими потерями в полосе пропускания и малым временем перестройки, которые могут быть использованы в качестве преселекторов/постселекторов в перспективной приёмопередающей аппаратуре.

Как показывают расчёты, проведённые на основе известных методов [1], для реализации затухания порядка 50…60 дБ при отстройке от частоты настройки на 10% необходим фильтр 4-го порядка. Один из вариантов полосового перестраиваемого фильтра, который нашёл наиболее широкое практическое применение и обеспечивает заданную избирательность, приведён на рис. 1. Процедура синтеза такого фильтра и соотношения для определения значений его элементов приведены в [1…3].

Перестройка фильтра по частоте осуществляется с помощью дискретных конденсаторов переменной ёмкости (ДКПЕ), представляющих собой набор коммутируемых конденсаторов (рис. 2).

Для обеспечения малого времени перестройки в качестве элементов коммутации наиболее часто используют pin-диоды. Сопротивление перехода pin-диода (r) в открытом состоянии зависит от параметров диода и протекающего постоянного тока (1) и определяет в соответствии с (2) добротность ДКПЕ.

Здесь W – ширина нелегированной i-области диода,

µ_p и µ_n – концентрация электронов и дырок в сильнолегированных областях,

τ – время жизни заряда,

I0 – прямой ток смещения.

В свою очередь, сопротивление потерь а_пот в полосе пропускания полосового фильтра, как следует из выражения (3) [4], зависит от относительной ширины полосы пропускания и добротности используемых элементов.

где f₀ – центральная частота фильтра,

∆ – ширина полосы пропускания фильтра,

g_i – параметры прототипа,

Q_i – добротность i-го элемента.

Поэтому при проектировании высокоизбирательных перестраиваемых полосовых фильтров, обладающих малыми потерями в полосе пропускания, необходимо учитывать потери как в катушках индуктивности, так и в конденсаторах, стремясь минимизировать их. Уменьшение потерь в катушках индуктивности может быть достигнуто при проектировании фильтра за счёт выбора коэффициентов преобразования инверторов полной проводимости [1…3] такими, чтобы расчётные значения катушек индуктивности являлись наиболее оптимальными в части обеспечения максимальной добротности в диапазоне перестройки частот фильтра при заданных габаритных размерах.

Задаваясь добротностью катушек индуктивности и потерями в полосе пропускания, на основании выражения (3) можно определить минимально необходимую добротность ДКПЕ. Далее, исходя из параметров выбранного pin-диода, заданного тока и используя формулы (1) и (2), необходимо определить максимальное значение коммутируемой ёмкости ДКПЕ и количество его разрядов, исходя из следующих соотношений:

где C_∑ – суммарная ёмкость ДКПЕ,

C_i – ёмкость i-го конденсатора ДКПЕ,

C₁ – ёмкость первого разряда ДКПЕ, определяющая шаг перестройки,

C₀ – начальная ёмкость, учитывающая ёмкость монтажа и pin-диодов.

Принимая во внимание, что добротность катушек индуктивности в КВ-диапазоне, как правило, составляет 150…200, на основе соотношения (3) было установлено, что для обеспечения потерь не более 6 дБ в полосе пропускания фильтра с относительной шириной полосы пропускания 3% добротность ДКПЕ должна составлять 300…500. Исходя из вышесказанного, были рассчитаны и изготовлены перестраиваемые полосовые фильтры на диапазон частот от 1,5 до 30 МГц с коэффициентом перестройки по частоте 2,5…3,0. На рис. 3 приведена экспериментальная АЧХ одного из таких фильтров на диапазон частот 4…10 МГц.

При относительной ширине полосы пропускания порядка 3% вносимые потери фильтров составили 5…6 дБ, затухание в полосе задерживания при отстройке ±10% – 60 дБ. 

Литература