ПОЛОСОВОЙ ВЫСОКОИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ LC-ФИЛЬТР ВТОРОГО ПОРЯДКА Российский патент 2013 года по МПК H03H7/12 

Предлагаемое изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для частотной селекции сигналов.

Известен ряд полосовых LC-фильтров, применяемых в технике радиосвязи [1], среди которых имеется фильтр, содержащий первый конденсатор, первый вывод которого соединен с входной потенциальной клеммой фильтра, второй его вывод соединен с первым выводом второго конденсатора и первым выводом первой катушки индуктивности, второй вывод которой через третий конденсатор соединен с общей шиной, второй вывод второго конденсатора соединен с первым выводом второй катушки индуктивности [1]. Данная схема позволяет реализовывать полосовой фильтр первого класса по затуханию с полюсом бесконечного затухания на конечной частоте и получать наиболее технологичные значения элементов. Этот тип фильтра является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству и выбран в качестве прототипа.

Недостатком фильтра прототипа является недостаточно высокая избирательность на частотах от нуля до нижней границы полосы пропускания.

Задачей изобретения является увеличение избирательности фильтра.

Поставленная задача решается тем, что в фильтр, содержащий первый и второй конденсаторы, первый вывод 1-го конденсатора соединен с входной потенциальной клеммой фильтра, второй его вывод соединен с первым выводом второго конденсатора и первой катушкой индуктивности, второй вывод которой через третий конденсатор соединен с общей шиной, а второй вывод второго конденсатора соединен с первым выводом второй катушки индуктивности, дополнительно введены четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой конденсаторы, при этом четвертый конденсатор подключен к входной потенциальной клемме фильтра, второй его вывод соединен с общей шиной, пятый конденсатор подключен к первому выводу второй катушки индуктивности, ко второму выводу которой подключен шестой конденсатор, второй вывод которого соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра, а также с седьмым и восьмым конденсаторами, вторые выводы пятого и седьмого конденсаторов соединены с общей шиной, второй вывод восьмого конденсатора соединен с первым выводом второй катушки индуктивности.

Сопоставительный анализ показывает, что заявленное техническое решение отличается от прототипа тем, что в устройство дополнительно введены четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой конденсаторы, при этом четвертый конденсатор подключен к входной потенциальной клемме фильтра, второй его вывод соединен с общей шиной, пятый конденсатор подключен к первому выводу второй катушки индуктивности, ко второму выводу которой подключен шестой конденсатор, второй вывод которого соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра, а также с седьмым и восьмым конденсаторами, вторые выводы пятого и седьмого конденсаторов соединены с общей шиной, второй вывод восьмого конденсатора соединен с первым выводом второй катушки индуктивности.

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

На фиг.1 приведена электрическая схема предлагаемого устройства. Устройство состоит из первого конденсатора 1, к первому выводу которого подключен второй конденсатор 2 и первая катушка индуктивности 3, которая через третий конденсатор 4 соединена с общей шиной. Второй вывод второго конденсатора 2 соединен со второй катушкой индуктивности 5, четвертый дополнительный конденсатор 6 подключен к первому конденсатору 1 и входной потенциальной клемме фильтра, второй его вывод соединен с общей шиной. Пятый дополнительный конденсатор 7 подключен к первому выводу второй катушки индуктивности, ко второму выводу которой подключен шестой конденсатор 8, второй вывод шестого конденсатора соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра, а также с седьмым конденсатором 9 и восьмым конденсатором 10, второй вывод которого соединен с первым выводом второй катушки индуктивности. Вторые выводы пятого и седьмого конденсаторов соединены с общей шиной.

Устройство работает следующим образом.

Фильтр можно представить в виде двух звеньев, первое звено включает в себя катушку индуктивности 3 и конденсаторы 1, 2, 4, 6 и часть конденсатора 7. Оставшуюся часть схемы представляет втрое звено. Каждое из этих звеньев потенциально-эквивалентно симметричной мостовой схеме, приведенной на фиг.2а.

В соответствии с фиг.2б, где показаны частотные зависимости сопротивления ветвей Z₁ и Z₂ схемы, приведенной на фиг.2а, эта схема представляет собой фильтр с полосой пропускания между частотами ω₁ и ω₂, одним полюсом затухания на частоте ω_x.

Элементы этой схемы могут быть рассчитаны по формулам [2]:

$$\begin{array}{ccc}{L}_1=\frac{Z_{m}m}{2\Delta \omega }\sqrt{\frac{{\omega }_2^2-{\omega }_0^2}{{\omega }_0^2-{\omega }_1^2}},& & C_1=\frac{2\Delta \omega }{Z_m{\omega }_0^{2}m}\sqrt{\frac{{\omega }_0^2-{\omega }_1^2}{{\omega }_2^2-{\omega }_0^2}},\\ C_2=\frac{m}{Z_m{\omega }_0}\sqrt{\frac{{\omega }_0^2-{\omega }_1^2}{{\omega }_2^2-{\omega }_0^2}},& & C_3=\frac{1}{Z_m{\omega }_{0}m}\sqrt{\frac{{\omega }_0^2-{\omega }_1^2}{{\omega }_2^2-{\omega }_0^2}},\\ m_1=\sqrt{\frac{C_2}{C_3}}=\sqrt{\frac{{\omega }_2^2-{\omega }_x^2}{{\omega }_1^2-{\omega }_x^2}},& \Delta \omega ={\omega }_2-{\omega }_1,& {\omega }_0=\sqrt{{\omega }_1{\omega }_2},\\ Z_m=\frac{1}{{\omega }_0\sqrt{C_2{C}_3}}\cdot \sqrt{\frac{{\omega }_0^2-{\omega }_1^2}{{\omega }_2^2-{\omega }_0^2}},& {\omega }_1^2=\frac{1}{L_1{C}_1},& {\omega }_2^2=\frac{C_1+C_3}{L_1{C}_1{C}_3}.\end{array}\left(1\right)$$

Здесь Z_m - номинальное характеристическое сопротивление;

ω₀ - средняя частота фильтра;

Δω - ширина полосы пропускания.

Величина m, характеризующая положение частоты бесконечного затухания ω_x, может быть больше единицы при 0<ω_x<ω₁, или же m<1 при ω₂<ω_x<∞. Из (1) следует, что С₂=С₃·m², поэтому в первом случае С₂>С₃, во втором С₂<С₃. В первом случае С₃ выносим за пределы мостовой цепи и получаем схему, приведенную на фиг.3, в которой как последовательная ветвь вынесена емкость ΔС=С₂-С₃. В этом случае емкость С₁ может быть представлена последовательным соединением емкости ΔС и $$C_0=\frac{C_1\cdot \Delta C_2}{\Delta C-C_1}$$ . Емкость С₀ будет положительной, если С₁<С₂-С₃. Чтобы С₁ была меньше чем С₂-С₃ необходимо выполнить следующее условие:

m²>1+2γ, где $$\gamma =\frac{\Delta \omega }{{\omega }_0}$$ ,

которое следует из соотношений (1). Это означает, что данная схема реализуется не при всех значениях m. Для фильтров с относительными полосами пропускания более, например, 20% величина m должна быть более 1,1. Это ограничение не является критичным для фильтров с относительной полосой пропускания менее 20%.

Во втором случае, когда m<1 и С₂<С₃, выносим емкость С₂ за пределы моста и приходим к схеме, приведенной на фиг.4.

Включая каскадно схемы, приведенные на фиг.3 и фиг.4, получим схему предлагаемого устройства. Отметим, что оба звена имеют одинаковые характеристические сопротивления и их характеристические затухания суммируются. Первое звено обеспечивает реализацию полюса затухания ниже средней частоты, второе - выше средней частоты фильтра.

Предлагаемая схема полосового фильтра имеет минимально-возможное число индуктивных элементов и позволяет реализовать два полюса затухания на конечных частотах и, следовательно, обеспечивает лучшую прямоугольность характеристики затухания.

На фиг.5 приведена АЧХ фильтра, схема которого соответствует предложенному варианту, на частоту 15 МГц, с полосой пропускания 370 кГц. При использовании катушек индуктивности с дробностью 200 вносимое затухание в полосе пропускания равно 2,5 дБ. Коэффициент прямоугольности по уровням 20 дБ/3 дБ равен 3,5.

Источники информации

1. Черне Х.И. Индуктивные связи и трансформации в электрических фильтрах. М.: Связьиздат, 1962, 318 стр.

2. Великий Я.И., Гельмонт З.Я., Зелях Э.В. Пьезоэлектрические фильтры. М.: Связь, 1966, 396 стр.

Предлагаемое изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для частотной селекции сигналов. Достигаемый технический результат - увеличение избирательности фильтра путем реализации двух полюсов затухания на конечных частотах и обеспечения улучшения прямоугольности характеристик затухания. Полосовой высокоизбирательный LC-фильтр содержит две катушки индуктивности и восемь конденсаторов, которые соединены так, что образуют два звена, при этом первое звено обеспечивает реализацию полюса затухания ниже средней частоты, второе звено образует полюс затухания выше средней частоты. 5 ил.

Полосовой LC-фильтр, содержащий первый и второй конденсаторы, первый вывод 1-го конденсатора соединен с входной потенциальной клеммой фильтра, второй его вывод соединен с первым выводом второго конденсатора и первой катушкой индуктивности, второй вывод которой через третий конденсатор соединен с общей шиной, а второй вывод второго конденсатора соединен с первым выводом второй катушки индуктивности, отличающийся тем, что в схему дополнительно введены четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой конденсаторы, при этом четвертый конденсатор подключен к входной потенциальной клемме фильтра, второй его вывод соединен с общей шиной, пятый конденсатор подключен к первому выводу второй катушки индуктивности, ко второму выводу которой подключен шестой конденсатор, второй вывод которого соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра, а также с седьмым и восьмым конденсаторами, вторые выводы пятого и седьмого конденсаторов соединены с общей шиной, второй вывод восьмого конденсатора соединен с первым выводом второй катушки индуктивности.