Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ЭМС ЭС.doc
Скачиваний:
21
Добавлен:
09.09.2019
Размер:
2.17 Mб
Скачать

Контрольные вопросы

1. Почему недостаточно рассчитать эффективность экранирования для плоской волны при рассмотрении реальных источников?

2. Как представить спектр поля локального источника в однородном пространстве с помощью векторного потенциала?

3. Каким образом осуществляется представление этого спектра в виде интеграла плоских волн?

4. С какой целью в таком представлении осуществляется выделение составляющих, ориентированных параллельно и перпендикулярно плоскости падения?

5. Какой вид имеет падающее поле при таком выделении?

6. Как используются результаты анализа прохождения плоской волны через многослойный экран к расчету прохождения через него поля локального источника?

7. Как представляется поле падающей волны в каждом слое экрана?

8. Как представляется поле отраженной волны в каждом слое экрана?

9. Как устраняются ограничения на представление поля при приближении источника к поверхности многослойного экрана?

Лекция 19

4.7. Фильтры

Многослойные экраны, рассмотрение которых было предметом предыдущей темы, обладают способностью при определенных условиях сохранять прозрачность для электромагнитного поля на определенных частотах. Наиболее яркий пример известен в оптике. Покрывая поверхность линз слоем с волновым сопротивление W, равным среднему геометрическому от волнового сопротивления W0 свободного пространства и волнового сопротивления Wл линзы

(19.1)

и толщиной /4 покрытия получаем дефект «просветления». Свет данной длины волны проходит через оптическую систему без отражений.

Аналогичные частотно избирательные устройства могут быть реализованы в электрических цепях для разделения помех и полезных сигналов на основе различия их спектров. Такие устройства называются фильтрами. В названии фильтра отражается способность пропускать тот или иной диапазон частот. Например, фильтр нижний частот прозрачен для низкочастотных составляющих сигнала или помехи.

Фильтры являются дорогостоящими устройствами и могут повысить на 10-15% стоимость аппаратуры в целом. Между тем многие проблемы проникновения помех в аппаратуру могут быть решены на этапе проектирования рациональным конструированием ее элементов без использования фильтров.

Необходимым условием применения фильтров является качественная разрядка между входом и выходом аппаратуры. Фильтрующие элементы часто используются без специального обозначения их фильтрующих свойств в схемах. Добавление с схему емкости или индуктивности по существу способствует фильтрации. Широко практикуются шунтирующие или развязывающие цепи, фильтрующие помехи в цепях питания, предохраняющие систему от помех, создаваемых двигателями, реле, выпрямителями. Для подавления возбуждения нежелательных колебаний и помех в сигнальных цепях применяют конденсаторы малой емкости, катушки малой индуктивности и ферритовые кольца.

Обычно ослабление помех при фильтрации достигается шунтированием их на землю, отражением обратно к источнику, рассеянием. При этом необходимо обеспечить практически прямое прохождение для сигналов и разомкнутую (или закороченную на землю) цепь помех. Примеры фильтров нижних частот приведены на рис.19.1 (а – д).

Рис. 19.1. Дискретные фильтры

На рис. 19.1е показан фильтр верхних частот, ослабляющий низкочастотную часть сигнала и пропускающий высокочастотную часть. Рис.19.1ж демонстрирует полосовой фильтр, пропускающий сигналы в заданной полосе частот, а на рис.19.1з – узкополосной режекторный фильтр.

Критериями качества фильтра являются уровень затухания в рабочем диапазоне фильтра и крутизна переходной характеристики вблизи частотной границы прозрачности. Приведенные на рис.19.1 фильтры не всегда могут удовлетворять необходимым требованиям. Существуют подробно разработанные методы расчета параметров фильтров, обеспечивающих требуемые свойства. Они основаны на принципах подобия. Результаты расчета одной линейной электрической цепи можно перенести на случай множества цепей, параметры которых связаны с параметрами расчетной цепи масштабными преобразованиями. Например, для фильтров нижних частот в качестве схем прототипов могут быть взяты так называемые единичные фильтры нижних частот (ЕФНЧ). Для звеньев 19.1а,б эти фильтры имеют вид, приведенный на рис. 19.2 а), б), их частотная характеристика – на рис. 19.2 в).

1 Ом

1 Ом

а)

б) в)

Рис. 19.2. Звенья единичного фильтра низких частот и зависимость затухания от частоты

Если, например, необходимо спроектировать фильтр с частотой среза fc=1МГц и сопротивлением z = 50 Ом значения параметров (нового) реального фильтра получаются из параметров фильтров прототипов Rдст = Rнст = 1 Ом с помощью простых масштабных соотношений:

Rн = z Rст, (19.2)

Lн = z Lст / 2fc, (19.3)

Cн = Cст / (z2fc), (19.4)

где Lн, Cн, Rн – параметры реального фильтра.

Выбирая любой из вариантов звена получаем:

Rн = 50 1 Ом = 50 Ом,

Lн = 50  2/(2106) = 16 мкГ,

Cн = 2 / (50  2 106) = 6400 пФ.

Фильтр из одного звена дает затухание в полосе непрозрачности 20дБ/декада (6 дБ/октава), что не всегда достаточно. При необходимости число звеньев увеличивают и используют результаты расчета многозвенного ЕФНЧ, приведенные в справочниках по расчету фильтров. Наиболее известны по литературе ЕФНЧ с максимально плоской (баттервортовской) характеристикой затухания и с равномерно – волнистой характеристикой затухания в полосе пропускания.

Замечательно, что и фильтры верхних частот, полосно пропускающие и режекторные могут быть рассчитаны на базе тех же ЕФНЧ подходящей заменой частотной переменной в его передаточной функции.

Особые требования предъявляются к фильтрам в цепях питания, поскольку в цепях питания передаются помехи, способные привести к сбоям, например, работы цифровых схем, обусловленным переходами логических схем из одного состояния в другое. При этом импульсы токов. Обусловленные такими переходами передаются от одного логического элемента в другое по шинам питания, объединяющим несколько микросхем. Эффективным средством подавления таких помех является установка помехоподавляющих конденсаторов вблизи потенциально чувствительных к помехам элементов.

Для снижения влияния сопротивлений источника и нагрузки применяют фильтры состоящие из трех и более элементов. Ниже приведены схемы ФНЧ при различных сочетаниях сопротивлений источника и нагрузки.

Рис. 19.3. Схема фильтра для малых сопротивлений

источника и нагрузки

Рис. 19.4. Схема фильтра для больших сопротивлений

источника и нагрузки

Рис. 19.5. Схема фильтра для малого сопротивления

источника и большого сопротивления нагрузки

Рис.19.6. Схема фильтра для большого сопротивления

и малого сопротивления нагрузки

При прочих равных условиях размеры и масса фильтра будут тем больше, чем:

  • больше номинальное напряжение и ток фильтра;

  • меньше потери на внутреннем сопротивлении фильтра;

  • ниже частота среза;

  • больше затухание обеспечиваемое фильтром вне полосы пропускания (больше число элементов фильтра).

Уже упоминалось о необходимости качественной развязки между входом и выходом аппаратуры. Это в равной мере относится и к фильтру. Связь между входом и выходом фильтра может быть достаточно большой (развязка хуже 60 дБ), если не применять специальных мер. Поэтому фильтры с гарантируемым затуханием 100 дБ и выше выполняются в виде узла с электромагнитным экранированием в корпусе с высоким  и достаточно высокой проводимостью, что существенно уменьшает возможность возникновения внутри корпуса связи между входом и выходом фильтра из-за электрических, магнитных и электромагнитных помех.