Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Синтез линейных электрических цепей. Учебное пособие
.pdf
Для расширения полосы рабочих частот применяют двухступенча-
тый кольцевой делитель мощности [15]. Схема широкополосного
двухступенчатого КДМ приведена на рис. 3.34, а его АЧХ представлена на рис. 3.35.
Рис. 3.34. Двухступенчатый кольцевой делитель мощности
Рис. 3.35. Частотные характеристики
двухступенчатого КДМ
Как видно из графиков рис. 3.35, относительная полоса рабочих
частот двухступенчатого КДМ составляет
()1,0wf f f
.
max min 0
В этой полосе частот коэффициент стоячей волны по входу не превышает КСВ < 1,1.
81
ff
ff
f
4. ФИЛЬТРЫ ДЕЦИМЕТРОВОГО
ДИАПАЗОНА
Четырехполюсники, частотные характеристики которых обладают
избирательными свойствами, называются электрическими фильтрами
(ЭФ). Фильтры используются для подавления внеполосных спектральных составляющих в полосе задержания и пропускания полезных
спектральных составляющих в заданном диапазоне частот, называемом полосой пропускания или зоной прозрачности.
По виду полосы пропускания различают:
– фильтры нижних частот (ФНЧ), полоса пропускания которых
жит в диапазоне от 0f
до частоты среза
;
с
– фильтры верхних частот (ФВЧ), полоса пропускания которых
находится в диапазоне от
до f ;
с
– полосовые фильтры (ПФ), полоса пропускания которых находится в диапазоне от нижней частоты полосы пропускания до верхней ча-
ff
стоты полосы пропускания
;
11
– полоснозапирающие фильтры (ПЗФ), осуществляют режекцию
(ослабление) сигнала в полосе частот, задаваемой так же, как для
ППФ.
Вышеприведенная классификация фильтров не единственная, так
как фильтры можно классифицировать и по характеру используемой
элементной базы. В диапазоне СВЧ в состав элементной базы широкополосных фильтров входят катушки индуктивности, в которых запаса-
энергия магнитного поля, и конденсаторы, в которых запасается
ется
энергия электрического поля. Тепловые или диссипативные потери в
этих элементах характеризуются величиной добротности Q.
В дециметровом диапазоне элементной базой узкополосных фильтров являются как сосредоточенные элементы, так и отрезки ЛП
ле-
82
различного типа (коаксиальные, полосковые, микрополосковые, вол-
новодные). Из этих отрезков ЛП формируются ступенчатые структуры
в виде последовательного соединения ЛП, волновое сопротивление
которых меняется от отрезка к отрезку. АЧХ таких структур соответствует ФНЧ. В состав ПФ и ПЗФ входят объемные резонаторы из отрезков ЛП и элементы связи между ними [10].
4.1. РАСЧЕТ ФИЛЬТРОВ
НА ОСНОВЕ НИЗКОЧАСТОТНОГО ПРОТОТИПА
При проектировании ЭФ в СВЧ диапазоне широкое применение
нашел метод, основанный на использовании низкочастотных нормированных фильтров-прототипов [10, 12], представляющих два варианта
лестничных схем, показанных на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Лестничные структуры нормированного
низкочастотного фильтра-прототипа.
Значения элементов нормированного низкочастотного фильтрапрототипа соответствуют условию для сопротивлений генератора и
нагрузки: 1, 0
определяется равенством
RRR Ом. Граничная частота, или частота среза,
gn
21f
рад/с.
сс
83
Для перехода от нормированных параметров фильтра-прототипа к
f
f
реальным значениям нагрузок и частоты среза
разработана методи-
c
ка частотного преобразования, которая из нормированных параметров
ФНЧ-прототипа позволяет определить величины сосредоточенных L,C
элементов конкретных ФНЧ, ФВЧ, ПФ и ПЗФ с максимально плоскими, чебышёвскими и кауэровскими АЧХ. Схемы перечисленных выше
типов фильтров, полученные на основе соответствующих частотных
преобразований, приведены в [10, 12, 13].
Далее рассмотрим конкретные примеры расчета ФНЧ
и ПФ на ос-
нове методики низкочастотного нормированного фильтра-прототипа.
Расчет ФНЧ третьего порядка с максимально плоской и чебышёвской
АЧХ проведем для следующих исходных данных:
626 10f
с
6
Гц;
сопротивления нагрузок фильтра R на входе и выходе равны 50 Ом.
Выберем П-образную схему ФНЧ третьего порядка, показанную на
рис. 4.2. Значения элементов нормированного низкочастотного фильтра-прототипа с максимально плоской АЧХ возьмем из [12]:
1
1, 000 ,
2
2,000 ,
1, 0 00
(порядок фильтра 3)n
3
.
Рис. 4.2. П-образный ФНЧ с частотой среза
626f
с
МГц
Далее для заданных исходных значений с учетом равенства
2
с c
определяем денормированные значения элементов П-образ-
ного ФНЧ с максимально плоской АЧХ:
84
C
1
1
R
L
2
2 626 10 50
с
R
2
2 626 10
с
1
6
2,000 50
.CC
13
5, 084 пФ;
25,424 нГн;
6
Расчет ФНЧ третьего порядка с чебышёвской АЧХ проведем для
Т-образной схемы, показанной на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Т-образный ФНЧ с частотой среза
626f
с
МГц
Аналогично для электрической схемы рис. 4.3 параметры ФНЧпрототипа с чебышёвской АЧХ выберем из [12] для значения коэф-
фициента отражения на входе
циенту стоячей волны
КСВ 1, 66 7
коэффициента отражения
мированного фильтра-прототипа соответственно равны:
2
626 10f
с
1,1412 ,
6
1,3451 (порядок фильтра 3n). Далее для
3
Гц рассчитываем денормированные значения элемен-
Г 25%, что соответствует коэффи-
1
1
. Для выбранной величины
значения элементов чебышёвского нор-
1,3451
,
1
тов чебышёвского ФНЧ:
85
R
1
L
1
1,3451 50
262610
с
6
17,099 нГн;
C
2
2
R
с
1,1412
6
2 626 10 50
.LL
13
5,8028 пФ;
Рассчитанные выше значения элементов П- и Т-образных ФНЧ послужили основой для расчета их частотных характеристик, представленных на рис. 4.4.
Рис. 4.4. Частотные характеристики ФНЧ
Ниже для тех же самых параметров низкочастотного нормированного фильтра-прототипа и центральной частоты полосы пропускания
626f МГц в соответствии с методикой [12] были рассчитаны эле-
0
менты полосового фильтра с абсолютной полосой пропускания
МГц и относительной полосой пропускания
11
w
. Необходимо отметить, что фильтр с такой отно-
8ff
ff
11
f
0
0,0128
сительной полосой пропускания относится к классу узкополосных
фильтров.
86
Схема П-образного полосового фильтра с максимально плоской
АЧХ приведена на рис. 4.5. Расчет денормированных значений элементов полосового фильтра с максимально плоской АЧХ дает следующие значения:
С
1
11
L
2
26212
C
01
L
2
C
11
2
2629
L
02
1
()
11
(2 626 10 ) 397,888 10
()
R
R
2
11
(2 626 10 ) 1989,8 10
13
1
6
2810 50
397,887 пФ;
0,16245 нГн;
250
2810
,CC
13
1989,8 нГн;
6
.LL
0,032485 пФ;
Рис. 4.5. П-образный полосовой фильтр с максимально плоской АЧХ
Схема Т-образного полосового фильтра с чебышёвской АЧХ приведена на рис. 4.6. Расчет денормированных значений элементов полосового фильтра с чебышёвской АЧХ дает следующие результаты:
R
L
1
1
()
11
1,3451 50
2810
87
1337,9 нГн;
6
11
C
1
2629
(2 626 10 ) 1337,9 10
L
01
0,0483 пФ
;
C
2
11
L
2
26212
C
02
2
()
11
R
(2 626 10 ) 454, 06 10
13
1,1412
6
,CC
13
2 8 10 50
.LL
454,06 пФ;
0,14235 нГн;
Рис. 4.6. Т-образный полосовой фильтр с чебышёвской АЧХ
На рис. 4.7 представлены результаты расчета частотных характеристик П-образного (максимально плоская АЧХ) и Т-образного (чебышёвская АЧХ) полосовых фильтров.
Анализируя величины индуктивных элементов [нГн] и емкостных
элементов [пФ], составляющих электрические схемы ФНЧ и ПФ, можно сделать следующие выводы.
1. Значения сосредоточенных элементов ФНЧ, предназначенных
для работы в дециметровом
и индуктивностей 17...25 нГнL
диапазоне, находятся в границах 6пФC
. Это соответствует требованиям хо-
рошей физической и конструктивной реализуемости сосредоточенных
элементов с высокой добротностью.
88
Рис. 4.7. Частотные характеристики полосовых фильтров
2. Значения сосредоточенных емкостных и индуктивных элементов
рассмотренных выше узкополосных ПФ дециметрового диапазона лежат в пределах 454 0,0483С пФ и 1338 0,142L нГ. Это не со-
ответствует требованиям хорошей физической и конструктивной реализуемости сосредоточенных элементов. Такие значения невозможно
реализовать с высокой добротностью. Поэтому для узкополосных ПФ
обычно используют частичное включение
нагрузок, трансформацию
характеристического сопротивления на основе преобразований Нортона [16] или переход на распределенные колебательные системы из отрезков ЛП.
4.2. СИНТЕЗ УЗКОПОЛОСНЫХ ФИЛЬТРОВ
В данном разделе представлен метод синтеза узкополосных фильтров метрового и дециметрового диапазона, выполненных в сосредоточенном элементном базисе. В качестве первоначальной структуры
выбран чебышёвский полосовой фильтр, в котором для обеспечения малых прямых потерь использована трансформация характеристического
сопротивления колебательных контуров на основе преобразований Нортона. Описанный подход обеспечивает высокодобротную реализацию
индуктивных и емкостных элементов модифицированного фильтра и
применим к чебышёвским фильтрам произвольного порядка.
89
В классических методиках синтеза полиномиальных фильтров
(баттервортовских, чебышёвских и кауэровских) основным критерием
является получение заданной формы амплитудно-частотной характеристики при минимальном числе параллельных и последовательных
контуров. При этом какие-либо требования или ограничения на абсолютные значения параметров реактивных элементов колебательных
контуров обычно не задаются. Это приводит к плохой
лизуемости реактивных элементов узкополосных фильтров, имеющих
либо слишком большие, либо слишком малые номинальные значения.
В этом случае собственная добротность реактивных элементов оказывается низкой, а прямые потери фильтра имеют недопустимо большую
величину. В связи с этим актуальной задачей является разработка метода синтеза узкополосных высокоизбирательных фильтров с учетом
требуемых
В настоящее время известно несколько типов аналоговых фильтров. Фильтры Бесселя и Гаусса обладают монотонной формой амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе пропускания и линейной фазочастотной характеристикой, что обеспечивает постоянную
величину группового времени задержки во всей полосе рабочих частот. Следует отметить, что АЧХ фильтра
крутизну спада АЧХ по отношению к другим типам фильтров.
Фильтр Чебышёва имеет пульсирующую АЧХ в полосе пропускания и монотонную в полосе заграждения либо наоборот. Неравномерность АЧХ в полосе пропускания однозначно связана с максимальным
значением коэффициента отражения по входу и коэффициентом стоячей волны (КСВ). Эллиптический
сирующую АЧХ как в полосе пропускания, так и в полосе заграждения. Величина пульсаций АЧХ в каждой из полос задается независимо
друг от друга, при этом количество пульсаций определяется порядком
фильтра. Из всех типов фильтров эллиптический фильтр при одном и
том же порядке имеет максимальную
помощью эллиптического фильтра обеспечивается наибольшее подавление нежелательных спектральных составляющих вблизи полосы
пропускания. Однако при прочих равных условиях эллиптический
фильтр имеет значительную неравномерность частотной зависимости
группового времени запаздывания, для уменьшения которой совместно
с ними применяют аналоговые или цифровые фазовые корректоры.
Если уровень пульсации в полосе заграждения
значений реактивных элементов.
Бесселя имеет самую малую
фильтр (фильтр Кауэра) имеет пуль-
крутизну спада АЧХ, поэтому с
равен нулю, то эллип-
физической реа-
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]