книги из ГПНТБ / Семенов Н.А. Техническая электродинамика учеб. пособие для электротехн. ин-тов связи
.pdfдля фильтра Чебышева
Arch (а3/ап) |
• |
<14-69 > |
П = АДЬЕ, |
||
|
|
Б |
Полученное значение п округляют до большего целого числа. Для чебышевского фильтра п должно быть нечетным, так как его реализация на свч при четном числе звеньев затруднительна. За пас, который получается при округлении числа п, проектировщик волен употребить на уменьшение ап, увеличение а3, либо расши рение полосы П.
Задача определения добротностей Qm в схеме рис. 14.28 реша ется в курсе линейных электрических цепей. Приведем без вывода
(см. [2]) формулы для нагруженных добротностей: |
|
|
||||||||
для |
фильтра |
Баттерворса |
|
|
|
|
|
|
||
для |
фильтра |
Qm=QoSmVa^' |
|
|
|
(14.70а) |
||||
Чебышева |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Qm = Qo — |
• |
|
|
(14.706) |
|||
о |
о |
• |
(2m— 1) л |
™ |
|
Ят |
|
|
|
|
і |
о |
|
|
|
|
|||||
Здесь |
Sm |
= sin - і — ^ — ; |
т = |
1, 2,..., п; |
|
|
||||
|
|
|
In |
|
|
|
|
|
|
|
Цх = sh Г— A r s h ( - M l ; |
qm |
= —— |
|
2 (m — 1) л |
,m>\ |
|||||
\ q\ + sin! |
|
|||||||||
|
|
In |
\ а п IJ |
|
|
°m-l |
I |
|
симметрич |
|
Можно заметить, что распределение добротностей |
||||||||||
но, т. е. Qi = Q„; Q 2 = Q n - i . |
Хотя |
схема |
низкочастотного аналога |
|||||||
изображена с помощью символов |
L |
и |
С, определять |
параметры |
||||||
Этих элементов не требуется, так как они не имеют смысла для объемного резонатора.
На резонансной частоте /о нормированное входное сопротивле ние г0 каждого резонатора должно быть равно характеристическо
му сопротивлению |
соединительных |
линий 2 = 1 . При этом |
отраже |
ние от резонатора |
полностью отсутствует: \Г\ = j 5 ц | =0 . |
|
|
Итак, для каждого резонатора |
известны три основных |
парамет |
|
ра: i/o, Qm и г 0 = 1 , т. е. схема рис. 14.28 полностью определена.
ПОЛОСОВЫЕ ФИЛЬТРЫ С ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫМИ СВЯЗЯМИ
С о о т н о ш е н и я э к в и в а л е н т н о с т и . Объемные резонаторы, используемые в фильтрах, имеют обычно электрическую связь с трактом и эквивалентны параллельному колебательному контуру. Поэтому реализация на свч нечетных (шунтирующих) звеньев фильтра-аналога не встречает затруднений.
Однако и четное звено (последовательный колебательный кон тур) можно заменить параллельным контуром, включенным через четвертьволновые отрезки линий с нормированным волновым со противлением zT= 1 (рис. 14.296).
частоты /о. На любой другой |
частоте |
длина |
вставки |
отличается |
|||||||||||
от четверти |
длины |
волны и трансформация сопротивлений не со |
|||||||||||||
ответствует |
ф-лам |
|
(14.71). В |
|
полосе 10н-15% искажения частот |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ной характеристики по этой причине |
||||||||
|
Aj7 |
4 |
|
|
|
|
невелики |
и их можно не учитывать. |
|||||||
|
4 |
|
|
|
|
К о а к с и а л ь н ы е и п о л о с к о |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
в ы е ф и л ь т р ы с ш у н т и р у ю |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
щ и м и р е з о н а т о р а м и . |
Коакси |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
альный |
фильтр |
с четвертьволновы |
||||||
|
|
|
Z |
|
|
|
ми |
связями |
и |
короткозамкнутыми |
|||||
|
|
|
|
|
|
концами показан на рис. 14.30. Здесь |
|||||||||
|
|
-ср |
і |
|
|
|
использованы проходные |
коаксиаль |
|||||||
|
|
|
|
|
ные |
резонаторы, |
рассмотренные |
в |
|||||||
Рис. 14.30 |
|
|
|
|
|
11.9. Длина |
каждого |
резонатора |
|||||||
|
|
|
|
|
|
должна |
быть |
кратна |
полуволне |
||||||
/ = я(Ло/2). Его связь |
с основным |
трактом |
регулируется |
|
смещени |
||||||||||
ем резонатора в поперечном (к тракту) |
направлении. |
|
|
|
|||||||||||
Нагруженная добротность резонатора в таком фильтре опре |
|||||||||||||||
деляется из ф-л (11.49) и (11.56): |
zcP |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
4 |
sin2 ft za. |
|
(14.72) |
|||||
|
|
|
|
QH |
QO |
+ |
nq |
ZC |
|
|
|
|
|
|
|
Так как Qo3>QH, первое слагаемое в правой части этого выра |
|||||||||||||||
жения не очень существенно. Поэтому |
Q H |
зависит в основном |
от |
||||||||||||
места |
включения |
резонатора |
го, |
отношения |
характеристических |
||||||||||
сопротивлений (ZJZcp) |
и числа |
полуволн |
q. На |
рис. 14.30 z2<Z\ |
= |
||||||||||
= 23 , Следовательно, |
Q H 2 > Q H 1 = |
|
QH3- |
|
|
включении |
коаксиаль |
||||||||
Следует иметь в виду, что при указанном |
|||||||||||||||
ных резонаторов на тех частотах |
fA, для |
которых любое |
из плеч |
||||||||||||
шунта |
кратно полуволне, т. е. Z 0 = ^ I ( A A / 2 ) |
либо |
(/—г0 ) = |
#2(ЛА/2), |
|||||||||||
возникают «антирезонансы» — весьма большая проводимость в точке их присоединения. На этих частотах резонатор эквивален
тен |
последовательному контуру. |
Ослабление фильтра |
на часто |
тах |
/ А очень велико. Совместив |
частоты антирезонанса |
с /З н и / з в , |
можно получить большие значения А3 и высокую крутизну частот ной характеристики ослабления в области перехода от полосы про зрачности к полосе заграждения. Однако, если fA близко к гра ницам полосы пропускания, частотные характеристики резонаторов резко меняются по сравнению с характеристикой одиночного ко лебательного контура и нарушается эквивалентность схем рис. 14.30 и 14.28. Расчет такого фильтра требует более сложных ме тодов.
В качестве резонаторов с равным успехом используются полу
волновые |
отрезки, |
разомкнутые на концах [тогда в |
ф-ле (14.72) |
sin2 рг0 заменяется |
на cos2 pz], или четвертьволновые, |
разомкнутые |
|
на одном |
и замкнутые на другом концах (см. параграф 11.3). |
||
Теория и конструкция фильтра в полосковом исполнении со вершенно аналогичны рассмотренным. Наиболее технологичен в этом случае фильтр с разомкнутыми на концах резонаторами.
торе Ро с помощью ф-лы (11.29) можно выразить через мощность бегущей, а затем через мощность падающей волны:
р |
_ |
шсоо |
0№Ц = 2я/о 2/эРбег |
_ 2 я Д , |
% |
Р б е г |
'о |
— |
~ |
|
|
|
|
|
|
|
2л |
1 |
Р п а Д . |
|
|
|
|
(Кк)а |
|
||
|
|
|
</,.'/7742 |
|
||
После отражения волны от задней стенки резонатора цикл пов торяется. Нормированное входное сопротивление такого резона тора, согласно ф-ле (11.42) с учетом (14.75), выражается соотно
шением:
7 ° = |
Ро |
= £ - |
= іТТГ Т- ^ |
= — |
^ К |
Т • |
(Н.77) |
|
|
QBH |
| S U I 2 |
2ЛЦ |
Л q |
|
|
|
|
П р о х о д н о й в о л н о в о д н ы й |
р е з о н а т о р |
(рис. |
14.33), |
|||||
образованный двумя шунтирующими диафрагмами с сопротивле ниями Хді И Х Д 2 , ИМЄЄТ ЗКВИВаЛЄНТНуЮ ДЛИНу /3=1/1 + ^ 1 + d 2 , ГДЄ 0*1,2
определяются по ф-ле (14.74). Нормированные сопротивления ре
зонатора |
со стороны |
входа |
и выхода r 0 i и г02 |
рассчитываются по. |
||||
ф-ле (14.77). Нагруженная |
добротность |
в соответствии |
с |
ф-лой |
||||
(11.49) |
|
|
2 |
2 |
|
|
( 1 |
4 J 8 ) |
|
_ L |
= _ L + |
|
(4і + *д) |
(y^f |
_ |
|
|
|
QH |
Qo |
|
л q |
|
|
|
|
Если |
Qo>'QH и диафрагмы |
одинаковы, то |
Qn = nqf{^xl |
(V~R)2]. |
||||
Нагруженная добротность резонатора зависит от величины шунти рующего сопротивления диафрагм и числа полуволн на длине ре зонатора; обычно выбирают <7=1.
Собственная добротность резонатора, ограниченного диафраг мами, значительно меньше, чем добротность аналогичного резона тора со сплошными замыкающими стенками. Поэтому часто при ходится учитывать Qo в ф-ле (14.78). Существенные потери возни кают в стержнях диафрагм, так как плотность тока в них велика.
При неизменном сопротивлении |
л:д потери |
в диафрагме |
возрастают |
с увеличением числа стержней, |
так как |
их диаметр |
приходится |
уменьшать. Обычно число стержней в диафрагме не превышает трех.
Итак, с помощью ф-лы (14.78) по заданной внешней доброт ности определяется проводимость диафрагм волноводного резона тора, а затем по графикам вида рис. 13.14 — их конструктивные
размеры. |
|
|
|
В о л н о в о д н ы й |
ф и л ь т р |
с |
ч е т в е р т ь в о л н о в ы м и |
с в я з я м и (рис. 14.34) |
представляет |
собой отрезок волновода, в |
|
котором с помощью индуктивных диафрагм выделены полуволно вые резонаторы. Диафрагмы на концах каждого резонатора выб раны одинаковыми. Между резонаторами оставлены четвертьвол новые промежутки. За счет смещения плоскостей отсчета все вы-
а) |
|
|
|
5) |
|
Диафрагма„ 1" |
Л/4 -линия |
Дааіррагма„2" |
|
|
|||||||||
5г1 |
|
|
|
—1» |
|
|
|
|
t |
- L |
|
\у. LZXZ/MZ |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
1 |
/ |
|
|
|
|
/ • — X |
|
|
|
; |
|
і |
|
|
$11 |
S22 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
\щ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
5п |
|
|
|
|
|
12х,/М, |
|
|
|
|
|
12Щ/М, |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
61 |
аг |
|
|
|
Г""-" |
|
|
|
1 |
|
т |
( і—-=*-=—і |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Рис. 14.36 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и D. Покажем, |
что зго соединение |
эквивалентно |
|
одной |
|
индуктив |
|||||||||||||
ной диафрагме |
с сопротивлением |
|
хэ |
между сечениями А и D (рис. |
|||||||||||||||
14.35е), |
т. е. четвертьволновую |
линию |
можно |
исключить. |
|
||||||||||||||
Последовательное |
соединение |
узлов |
рассматривается |
методом |
|||||||||||||||
ориентированных |
|
графов |
(см. параграф |
6.7). |
Граф |
5-матрицы |
|||||||||||||
двухплечего узла |
|
(рис. 14.36а) |
совершенно аналогичен |
графу для |
|||||||||||||||
двух сред (рис. 6.12) с заменой |
обозначений |
Г и Г на Shm- Пост |
|||||||||||||||||
роим теперь на основании ф-лы |
(14.75) графы двух диафрагм, сое |
||||||||||||||||||
динив их ветвями с передачей |
е - і |
р л / |
4 = e _ i |
I t / 2 = — і , |
соответствующих |
||||||||||||||
четвертьволновому |
отрезку линии |
без потерь. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Определим |
по соотношению |
(6.35), |
одинаково |
пригодному для |
|||||||||||||||
ненормированных и нормированных значений элементов матрицы, |
|||||||||||||||||||
коэффициент передачи |
S21 |
из плеча |
1 в плечо 2. Д л я прямой |
вол |
|||||||||||||||
ны существует всего один путь афійфі |
с передачей Рі = і (2ЛГІ/МІ) X |
||||||||||||||||||
X (—і) (і Іхг/Мч); |
|
он касается |
единственного |
контура |
|
Ьгафзафг |
|||||||||||||
с передачей L [ ( 1 ) = ( — і ) (—1/М2 )(—і) (—\/М{). |
|
Поэтому |
недиаго |
||||||||||||||||
нальный |
элемент |
матрицы |
соединения в целом |
имеет вид: |
|
||||||||||||||
|
о |
_ |
|
<-. |
_ |
i 4 x 1 x 2 / ( M 1 M 2 ) |
_ |
|
і 4xt |
х2 |
|
|
|
І\Л 7Q\ |
|||||
|
|
_ |
Л |
и |
_ |
_ |
_ |
_ |
_ |
_ _ |
1 + |
M j A |
j 2 . |
|
|
• |
|||
Коэффициент отражения в плече / определяется путем афі с |
|||||||||||||||||||
передачей Р\ = — 1 /Мі, |
не |
касающемся |
контура |
L } 1 * , |
и |
путем |
|||||||||||||
а1Ь2аф3аф1 |
с передачей Р 2 = |
( і 2 x J M i ) 2 ( — і ) 2 ( — 1 / М 2 ) . |
|
|
|
||||||||||||||
Следовательно, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
МУ+MXMJ |
М\М2 |
- ^ - О + ^ І ) - ^ |
М І + |
|||
1 1 |
1 |
1+МхМ2 |
1 + Л І х М г |
|
||
1 + M i A i 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(14.80) |
|
Поскольку |
коэффициент |
передачи |
5 ц вещественен |
и |
выражен |
|
через Mi и Мг симметрично, то справедливо равенство |
(14.25) |
и |
||||
522=iSii. Кроме того, легко |
показать, |
что | 5 ц — _ 121 = 1; |
следова |
|||
тельно, удовлетворяются ф-лы (14.17) |
и полученный |
узел можно |
||||
представить |
сопротивлением, |
шунтирующим |
тракт. |
Сопоставим |
||||||
ф-лы (14.79) |
и (14.75), |
определив |
5 ц = — 1/Ма |
и S2i |
= i2xa/MB, |
где |
||||
і хэ — сопротивление эквивалентной |
диафрагмы. Тогда |
|
|
|||||||
|
|
- _ |
2 ^ х 2 |
, м |
_ 1 + Мх Мг |
|
(14.81) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
причем |
удовлетворяется |
равенство |
МЭ=У |
1+4x1. |
|
|
|
|||
Это |
доказывает эквивалентность схем |
рис. 14.35а, в |
при |
выбо |
||||||
ре хэ по ф-ле (14.81). Если шунтирующее |
сопротивление |
диафрагм |
||||||||
мало: Xi,2<Cl, М{хM2~l, |
то |
х9жх\Х%. |
|
|
|
|
|
|||
Эквивалентная диафрагма |
имеет меньшее |
сопротивление, |
т. е. |
|||||||
большую проводимость, чем исходные. Это облегчает ее конструк тивное выполнение: можно увеличить число стержней или их тол
щину. Расстояние d3 рассчитывается |
для хэ по ф-ле (14.74). |
|||||
В о л н о в о д н ы й |
ф и л ь т р |
с |
н е п о с р е д с т в е н н ы м и |
|||
с в я з я м и |
(рис. 14.37) |
получается |
из фильтра рис. 14.34 после ис |
|||
ключения |
четвертьволновых |
отрезков. Он имеет меньшую длину |
||||
Л/2 |
\^-^- |
|
А/2 |
^ |
||
Вход |
Or |
!°| |
5, |
1° |
в. |
'I Выход |
|0 — |
•32 |
1о |
\х3 |
|||
19.Г' |
|
|
33 |
|||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
ЧЭ2 |
І32 |
"33 |
|
|
|
Рис. 14.37 |
|
|
|
|
|
|
и минимальное число диафрагм. Собственные добротности резо наторов в таком фильтре выше, чем в первоначальной схеме, так как меньше потери в диафрагмах, разделяющих резонаторы. Кро ме того, устранена причина, искажающая частотные характери стики фильтра в полосе пропускания. Теперь можно считать, что
введен |
и |
затем исключен |
отрезок, |
равный четверти длины |
волны |
|
на любой |
частоте. Поэтому схемы |
рис. 14.37 и рис. 14.28 |
эквива |
|||
лентны без сделанных ранее оговорок. |
|
|
||||
Для настройки частоты волноводного резонатора и проводи |
||||||
мости |
диафрагм предусматриваются |
настроечные емкостные вин |
||||
ты в плоскостях диафрагм |
и в центре |
резонатора. |
|
|||
Эквивалентная схема волноводного фильтра с непосредственны
ми связями чрезвычайно проста: это линия, шунтированная |
индук |
|||
тивными сопротивлениями, расположенными |
с интервалом |
в Л/2. |
||
П о л о с к о в ы й ф и л ь т р . Такими |
же |
свойствами |
обладает |
|
цепь из полуволновых отрезков линий, |
разделенных |
последова |
||
тельно включенными конденсаторами. Подобная схема легко реа лизуется на полосковой линии; последовательной емкостной реак тивностью служит зазор шириной іб в ленточном проводнике линии. Малые зазоры (б<0,25 мм) практически неосуществимы. Поэтому.
если требуются сравнительно большие емкости, прямой зазор за меняют зигзагообразным, на концах лент делают соответствующие друг другу выступы и впадины.
Характеристики фильтров с шунтирующими индуктивностями и последовательными емкостями совпадают в том случае, если нор мированная проводимость каждой диафрагмы равна нормирован
ному |
сопротивлению |
соответствующего зазора: Ья = х3 |
(либо хл= |
||
— Ь3). |
С учетом такой замены полосковый |
фильтр |
рассчитывают |
||
по полученным выше |
ф-лам (14.72), (14.81). |
|
|
|
|
Для определения |
емкостной проводимости |
зазора |
в |
симметрич |
|
ной полосковой линии имеется приближенная формула [22], спра
ведливая |
при . тонкой ленте достаточно большой |
ширины (£->-0, |
w/b>0,6 |
на рис. 10.14) b3= (p6/jt)lncth(jti6/2b). |
Следует учесть, |
что в окрестностях зазора из-за разрыва ленты |
распределенная |
|
емкость самой полосковой линии уменьшается, что приводит к не обходимости увеличить длину резонатора с каждой стороны на величину d' = n62/(4b). Длина каждого резонатора определяется между средними линиями; кроме указанного удлинения, учитыва
ется |
более существенное укорочение по |
ф-ле (14.74) с |
заменой |
х д на |
Ъ3. |
|
|
|
РЕЖЕКТОРНЫЕ ФИЛЬТРЫ |
|
|
Режекторные или полосно-заграждающие |
фильтры имеют |
харак |
|
теристику ослабления (рис. 14.38), противоположную характери стике полосно-пропускающих. Это позволяет описывать их частот
ные характеристики теми же соотношениями |
вида |
(14.67) и (14.68), |
||||||||
заменив нормированную час |
А дб |
|
|
|
|
|
|
|||
тоту i | на |
обратную |<р ) , но- |
|
|
|
|
|
|
|||
иному связанную с истинны |
|
|
Ч |
1 |
и |
|
||||
ми частотами. Тогда вместо |
А. |
|
|
|
|
|
|
|||
(14.65) запишем |
|
|
|
|
|
|
|
|||
6 ( Р ) = |
_ |
1 |
7/7 (р) |
|
|
/і |
: |
|
!\ |
|
|
|
|
f2 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
1-0 |
|
/ ! |
л"! |
|
| |
|
|
|
Я ( Р ) |
(14.82) |
А, |
/~ •! I — |
— !г — |
|
\—"1 |
|
||
|
2 Д / |
|
— |
|
||||||
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где П№>=/„—/». |
|
|
|
І? |
±~ |
|
-8-і |
|
||
Шкала |
инвертированных |
Рис. 14.38 |
|
|
|
|
|
|
||
частот |
£(Р> |
показана на рис. |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
14.38. Последовательное соединение элементов LC без потерь имеет |
||||||||||
нормированное |
сопротивление |
z='\x = [\, |
а |
параллельньш |
иде |
|||||
альный |
контур — такую же проводимость |
у='\Ь=>\%, |
т. е. z=\ly — |
|||||||
— —i/g. Инверсии частот соответствует |
замена ш схеме рис. |
14.28 |
||||||||
