узкополосный фильтр
Классы МПК: | H01P1/00 Вспомогательные устройства |
Автор(ы): | Разинкин Владимир Павлович (RU), Удалов Василий Николаевич (RU), Матвеев Дмитрий Сергеевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-04-20 публикация патента:
10.03.2011 |
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.
Формула изобретения
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 pL - коэффициент включения первого параллельного контура;
рC - коэффициент включения второго параллельного контура;
f0 - резонансная частота параллельных контуров;
f1 - верхняя частота нуля коэффициента передачи фильтра, большая, чем f 0;
f-1 - нижняя частота нуля коэффициента передачи фильтра, меньшая, чем f0.
1 - значение первого элемента низкочастотного прототипа двухконтурного фильтра;
2 - 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.
Описание изобретения к патенту
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; k - элемент низкочастотного прототипа; - полоса пропускания фильтра; R1 - сопротивление нагрузки со стороны входа; R2 - сопротивление нагрузки со стороны выхода.
Как следует из (1), при уменьшении полосы пропускания существенно увеличивается требуемая емкость параллельных контуров Ck , 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 требуется большая индуктивность последовательных контуров Lk , 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 pL - коэффициент включения первого колебательного контура;
pC - 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 f 0.
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 (L 3) 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 L2 C2 (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 1 - верхняя частота нуля коэффициента передачи ( 1> 0); -1 - нижняя частота нуля коэффициента передачи ( -1< 0).
Значения частот ±1 определим исходя из следующего рассмотрения. Будем полагать, что колебательный контур L1L2 C2 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 C1 L1 ; B 1 - реактивная проводимость контура L1 L2C2.
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 C2f равна:
Условие эквивалентности колебательных контуров, показанных на фиг.2, б, имеет вид:
где В2 - реактивная проводимость контура C2 L2 ; B -1 - реактивная проводимость контура L3 C3C4.
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 0 - центральная частота полосы пропускания узкополосного фильтра.
Для предлагаемого узкополосного фильтра в качестве примера были взяты следующие исходные данные: 0 =100 МГц, =1 МГц, 1=110 МГц и -1=90 МГц. Для этого примера по соотношениям (8)-(11) и (14)-(17) были рассчитаны значения элементов: С 1=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; 0= 0 + =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 0 , имеет существенно более высокую крутизну скатов амплитудно-частотной характеристики.
Кроме того, достоинством предлагаемого узкополосного фильтра является возможность произвольного выбора частот 1 и -1, на которых коэффициент передачи равен нулю, что бывает полезным при обеспечении электромагнитной совместимости различных радиоэлектронных устройств.
Класс H01P1/00 Вспомогательные устройства
полосно-пропускающий свч фильтр - патент 2528148 (10.09.2014) | |
плазменный коммутатор - патент 2528015 (10.09.2014) | |
поляризатор - патент 2526714 (27.08.2014) | |
механический свч переключатель - патент 2525110 (10.08.2014) | |
возбудитель волны те01 - патент 2524848 (10.08.2014) | |
детекторная головка - патент 2524847 (10.08.2014) | |
частотно-развязывающее устройство - патент 2523206 (20.07.2014) | |
радиостанция для независимой работы 10 телефонными и 10 телеграфными каналами - патент 2523120 (20.07.2014) | |
узкополосный фильтр свч - патент 2520398 (27.06.2014) | |
система многомембранной гибкой стенки для фильтров и мультиплексоров с технологией температурной компенсации - патент 2519536 (10.06.2014) |