11. Электрические фильтры

11.1. Общие сведения об электрических фильтрах

Электрическим фильтром называют четырехполюсник, через, который электрические колебания одних частот проходят с малым затуханием, а других частот — с большим затуханием. Диапазон частот, в пределах которого затухание не превышает некоторой

установленной величины, называют полосой пропускания, а диа­пазон частот, где затухание не меньше некоторой заданной вели­чины, называют полосой задерживания.

В зависимости от расположения полос пропускания и задер­живания электрические фильтры разделяют на фильтры нижних частот (ФПЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры (ПФ) и заграждающие фильтры (ЗФ). Амплитудно-частотные характеристики идеальных фильтров перечисленных ти­пов приведены на рис. 11.1.

Электрические фильтры находят широкое применение в элект­ротехнических и радиотехнических устройствах для разделения электрических колебаний по частоте, т. е. для частотной селекции сигналов. Частотное разделение каналов связи с помощью элек­трических фильтров, состоящих из индуктивных катушек и кон­денсаторов, впервые осуществил русский военный связист капи­тан Г. Г. Игнатьев в 1880 г. для одновременной передачи телефон­ных и телеграфных сигналов по одному проводу.

В настоящее время в практике проектирования электрических фильтров находят применение разнообразные методы их расчета основными из которых являются методы расчета по характери-

стическим или рабочим параметрам. В разработку теории и мето­дов расчета электрических фильтров, особенно по рабочим пара­метрам, большой вклад внесли советские ученые В. Н. Листов, А. Ф. Белецкий, С. С. Коган, Э. В. Зелях и др.

Ранее других были разработаны теория и методы расчета элек­трических фильтров по характеристическим параметрам, которые находят применение и в настоящее время. Электрические фильтры,

спроектированные по этому методу, представляют собой каскад­ное согласованное включение реактивных Г-, Т- и П-образных или мостовых четырехполюсников (рис. 11.2). Фильтры, состоящие из Г-, Т- и П-образных звеньев, называют лестничными или цепочеч­ными, а фильтры, состоящие из мостовых четырехполюсников, называют мостовыми. Так как при каскадном согласованном включении четырехполюсников их характеристические затухания и фазы складываются, то оказывается достаточным более под­робно рассмотреть только отдельные типовые звенья фильтров. В дальнейшем ограничимся рассмотрением характеристических параметров Τ-, П-образных и мостовых звеньев. Более детальное рассмотрение методик проектирования электрических фильтров как по характеристическим, так и по рабочим параметрам изло­жено, например, в [9, 11].

Необходимость разработки методик расчета фильтров по рабо­чим параметрам обусловлена тем, что их нагрузкой, как правило, является заданное постоянное активное сопротивление, при кото­ром практически невозможно обеспечить согласованный режим в заданных полосах пропускания. При этом расчет фильтров зна­чительно усложняется.

В последние годы при проектировании электрических фильтров начали широко применять общую теорию синтеза электрических цепей. При этом используются как характеристические, так и ра­бочие параметры фильтров, хотя в этом и нет особой необходи­мости, так как можно осуществить синтез фильтра по его задан­ной амплитудно-частотной или фазо-частотной характеристике.

Наряду с традиционными пассивными фильтрами, состоящими

из индуктивных катушек и конденсаторов, находят применение электромеханические, магнитострикционные, пьезоэлектрические (кварцевые) фильтры и фильтры типа rС. В последнее время в связи с развитием микроэлектроники стали широко применяться активные rC-фильтры.

Теории и обоснованию методик расчета различных типов фильтров посвящено очень большое количество работ. Так, напри­мер, только в [13] имеется библиография более 2000 работ, посвя­щенных синтезу активных rC-цепей. В настоящем разделе ограни­чимся кратким рассмотрением характеристических параметров Т-, П-образных и мостовых звеньев реактивных фильтров и общих сведений о кварцевых фильтрах. Применение теории синтеза электрических цепей к проектированию фильтров рассмотрено в разд. 20.