Результат интеллектуальной деятельности: МНОГОДИАПАЗОННЫЙ ПОЛОСОВОЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ LC-ФИЛЬТР

Предлагаемое устройство относится к радиоэлектронике и может быть использовано для частотной селекции- сигналов в приемно-передающих профессиональных устройствах связи.

Для частотного разделения сигналов в радиоаппаратуре используют различные типы полосовых LC-фильтров, в том числе и дискретно-перестраиваемые, в которых для перестройки их средней частоты применяются дискретные конденсаторы переменной емкости (ДКПЕ). Индуктивные элементы в таких устройствах остаются, как правило, неизменными. При этом из имеющихся известных схем полосовых LC-фильтров с встраиваемыми в них ДКПЕ выбирают те, в которых конструкция ДКПЕ оказывается наиболее технологичной и простой.

Известна в частности схема полосового фильтра, содержащая первую катушку индуктивности к которой подключен первый конденсатор, ко второму выводу которого подключены второй и третий конденсаторы, второй вывод второго конденсатора соединяется с общей шиной, второй вывод третьего конденсатора подключен ко второй катушке индуктивности [1]. Данная схема фильтра содержит три конденсатора, которые образуют компактную группу, обеспечивающую минимальное количество электронных ключей при реализации ДКПЕ. Данная схема полосового фильтра выбрана в качестве прототипа.

При каскадном включении двух таких фильтров получаем фильтр второго класса по затуханию, который имеет характеристический фазовый сдвиг на средней частоте равный π радиан. Это приводит к тому, что, как показано в работе [2], его входное сопротивление W на средней частоте и частотах, близких к ней, будет равно нагрузочному сопротивлению R_н и не зависит от характеристического сопротивления фильтра Z_c. При перестройке средней частоты фильтра, несмотря на изменение Z_c, коэффициент передачи фильтра на средней частоте не будет изменяться, что позволяет использовать его при реализации коэффициента перекрытия равным 3÷4 ед.

К недостаткам такого построения перестраиваемого фильтра на основе обозначенного прототипа следует отнести недостаточно высокую прямоугольность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и невозможность использовать его при более высоких значениях коэффициента перекрытия.

Задачей изобретения является увеличение коэффициента прямоугольности АЧХ, увеличение уровня затухания в полосе задерживания, расширение функциональных возможностей.

Поставленная задача решается тем, что в полосовой LC-фильтр, содержащий две идентичные по структуре полосовые цепи, каждая из которых состоит из первой катушке индуктивности, к первому выводу которой подключен первый конденсатор, второй вывод которого соединен со вторым и третьим конденсаторами, второй вывод второго конденсатора подключен к общей шине, второй вывод третьего конденсатора соединен с первым выводом второй катушки индуктивности, дополнительно ко второму выводу первой катушки индуктивности, как в первой, так и во второй полосовой цепи, через первый электронный ключ подключены третья и четвертая катушки индуктивности, второй вывод третьей катушки индуктивности соединен с общей шиной, второй вывод четвертой катушки индуктивности соединен со вторым электронным ключом, второй вывод второй катушки индуктивности, как в первой, так и во второй полосовой цепи, подключен к третьему электронному ключу, второй вывод которого соединен с пятой и шестой катушками индуктивности, второй вывод пятой катушки индуктивности соединен с общей шиной, второй вывод шестой катушки индуктивности подключен к первому выводу четвертого электронного ключа, при этом в схему устройства дополнительно введен усилитель, вход которого подключен ко второму выводу четвертого электронного ключа первой полосовой цепи, выход усилителя подключен ко второму выводу второго электронного ключа второй полосовой цепи, устройство содержит также восемь сигнальных шин, из которых первая подключена к входной потенциальной клемме устройства и второму выводу второго электронного ключа первой полосовой цепи, вторая сигнальная шина подключена ко второму выводу первого конденсатора первой полосовой цепи, третья сигнальная шина подключена ко второму выводу третьего конденсатора первой полосовой цепи, четвертая сигнальная шина подключена ко второму выводу четвертого электронного ключа первой полосовой цепи и ко входу усилителя, пятая сигнальная шина соединена с выходом усилителя и вторым выводом второго электронного ключа второй полосовой цепи, шестая сигнальная шина подключена ко второму выводу первого конденсатора второй полосовой цепи, седьмая сигнальная шина подключена ко второму выводу третьего конденсатора второй полосовой цепи, восьмая сигнальная шина соединена со вторым выводом четвертого электронного ключа второй полосовой цепи и с выходной потенциальной клеммой устройства, в устройство введены четыре группы, содержащие по М идентичных по структуре индуктивных секций, каждая из секций содержит первый двухпозиционный электронный ключ, первый вывод которого соединен с седьмой катушкой индуктивности, второй вывод которой подключен к восьмой катушке индуктивности, второй вывод которой соединен с общей шиной, и к девятой катушке индуктивности, второй вывод которой подключен к первому выводу второго двухпозиционному ключа, при этом второй вывод первого двухпозиционного ключа соединяется с первой сигнальной шиной для секций первой группы, с третьей сигнальной шиной в секциях второй группы, с пятой сигнальной шиной в секциях третьей группы и с седьмой сигнальной шиной в секциях четвертой группы, вторые выводы вторых двухпозиционных ключей соединены со второй сигнальной шиной в секциях первой группы, с четвертой сигнальной шиной в секциях второй группы, с шестой сигнальной шиной в секциях третьей группы и с восьмой сигнальной шиной в секциях четвертой группы, третий вывод каждого из первых и вторых двухпозиционных ключей соединяются с общей шиной, кроме того устройство содержит первую группу, состоящую из N идентичных по структуре четырехполюсников, каждый из которых содержит пятый электронный ключ, первый вывод которого соединен со второй сигнальной шиной, второй вывод ключа соединен с четвертым конденсатором, ко второму выводу которого подключены пятый конденсатор, второй вывод которого соединен с общей шиной, и шестой конденсатор, второй вывод которого соединен с первым выводом шестого электронного ключа, второй вывод которого соединен с третьей сигнальной шиной, и вторую группу, состоящую из Р идентичных по структуре четырехполюсников, каждая из которых содержит седьмой электронный ключ, первый вывод которого соединен с шестой сигнальной шиной, а ко второму выводу ключа подключен седьмой конденсатор, ко второму выводу которого подключены восьмой конденсатор, соединенный вторым выводом с общей шиной, и девятый конденсатор, ко второму выводу которого подключен восьмой электронный ключ, второй вывод которого соединен с седьмой сигнальной шиной.

Сопоставительный анализ показывает, что заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что ко второму выводу первой катушки индуктивности, как в первой, так и во второй полосовой цепи, через первый электронный ключ подключены третья и четвертая катушки индуктивности, второй вывод третьей катушки индуктивности соединен с общей шиной, второй вывод четвертой катушки индуктивности соединен со вторым электронным ключом, второй вывод второй катушки индуктивности, как в первой, так и во второй полосовой цепи, подключен к третьему электронному ключу, второй вывод которого соединен с пятой и шестой катушками индуктивности, второй вывод пятой катушки индуктивности соединен с общей шиной, второй вывод шестой катушки индуктивности подключен к первому выводу четвертого электронного ключа, при этом в схему устройства дополнительно введен усилитель, вход которого подключен ко второму выводу четвертого электронного ключа первой полосовой цепи, выход усилителя подключен ко второму выводу второго электронного ключа второй полосовой цепи, устройство содержит также восемь сигнальных шин, из которых первая подключена к входной потенциальной клемме устройства и второму выводу второго электронного ключа первой полосовой цепи, вторая сигнальная шина подключена ко второму выводу первого конденсатора первой полосовой цепи, третья сигнальная шина подключена ко второму' выводу третьего конденсатора первой полосовой цепи, четвертая сигнальная шина подключена ко второму выводу четвертого электронного ключа первой полосовой цепи и ко входу усилителя, пятая сигнальная шина соединена с выходом усилителя и вторым выводом второго электронного ключа второй полосовой цепи, шестая сигнальная шина подключена ко второму выводу первого конденсатора второй полосовой цепи, седьмая сигнальная шина подключена ко второму выводу третьего конденсатора второй полосовой цепи, восьмая сигнальная шина соединена со вторым выводом четвертого электронного ключа второй полосовой цепи и с выходной потенциальной клеммой устройства, в устройство введены четыре группы, содержащие по М идентичных по структуре индуктивных секций, каждая из секций содержит первый двухпозиционный электронный ключ, первый вывод которого соединен с седьмой катушкой индуктивности, второй вывод которой подключен к восьмой катушке индуктивности, второй вывод которой соединен с общей шиной, и к девятой катушке индуктивности, второй вывод которой подключен к первому выводу второго двухпозиционному ключа, при этом второй вывод первого двухпозиционного ключа соединяется с первой сигнальной шиной для секций первой группы, с третьей сигнальной шиной в секциях второй группы, с пятой сигнальной шиной в секциях третьей группы и с седьмой сигнальной шиной в секциях четвертой группы, вторые выводы вторых двухпозиционных ключей соединены со второй сигнальной шиной в секциях первой группы, с четвертой сигнальной шиной в секциях второй группы, с шестой сигнальной шиной в секциях третьей группы и с восьмой сигнальной шиной в секциях четвертой группы, третий вывод каждого из первых и вторых двухпозиционных ключей соединяются с общей шиной, кроме того устройство содержит первую группу, состоящую из N идентичных по структуре четырехполюсников, каждый из которых содержит пятый электронный ключ, первый вывод которого соединен со второй сигнальной шиной, второй вывод ключа соединен с четвертым конденсатором, ко второму выводу которого подключены пятый конденсатор, второй вывод которого соединен с общей шиной, и шестой конденсатор, второй вывод которого соединен с первым выводом шестого электронного ключа, второй вывод которого соединен с третьей сигнальной шиной, и вторую группу, состоящую из Р идентичных по структуре четырехполюсников, каждая из которых содержит седьмой электронный ключ, первый вывод которого соединен с шестой сигнальной шиной, а ко второму выводу ключа подключен седьмой конденсатор, ко второму выводу которого подключены восьмой конденсатор, соединенный вторым выводом с общей шиной, и девятый конденсатор, ко второму выводу которого подключен восьмой электронный ключ, второй вывод которого соединен с седьмой сигнальной шиной.

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

На фигуре приведена электрическая схема фильтра, который содержит две идентичные по структуре полосовые цепи 1, каждая из которых состоит из первой катушки индуктивности 2, первого конденсатора 3, второго конденсатора 4 и третьего конденсатора 5, соединенного с второй катушкой индуктивности 6. Первая катушка индуктивности 2 через первый электронный ключ 7 соединена с третьей 8 и с четвертой 9 катушками индуктивности, второй вывод четвертой катушки индуктивности 9 через второй электронный ключ 10 соединена с входной потенциальной клеммой устройства и первой сигнальной шиной 16, второй вывод второй катушки индуктивности соединен с первым выводом третьего электронного ключа 11, ко второму выводу которого подключены пятая 12 и шестая 13 катушки индуктивности, второй вывод шестой катушки индуктивности соединен с первым выводом четвертого электронного ключа 14, устройство содержит усилитель 15, вход которого соединен с четвертой сигнальной шиной 19 и вторым выводом четвертого электронного ключа 14 первой полосовой цепи, выход усилителя подключен к пятой сигнальной шине 20 и ко второму выводу второго электронного ключа 10 второй полосовой цепи. Устройство содержит четыре группы, состоящие из М идентичных по структуре индуктивных секций 24. Каждая из этих секций содержит первый двухпозиционный электронный ключ 25, первый вывод которого подключен к седьмой катушке индуктивности 26, второй вывод которой соединен с восьмой 27 и девятой 28 катушками индуктивности, второй вывод девятой катушки индуктивности 28 соединен с первым выводом второго электронного ключа 29, при этом второй вывод первого двухпозиционного ключа секций первой группы соединен с первой сигнальной шиной, второй вывод первого двухпозиционного ключа второй группы соединен с третьей сигнальной шиной 18, в третьей группе ключ 25 подключен к пятой шине 20, в четвертой группе ключ 25 подключен к седьмой шине 22.

Второй вывод второго двухпозиционного ключа 29 первой группы соединен со второй сигнальной шиной 17, ключ 29 второй группы соединен с четвертой шиной 19, ключ 29 третьей группы соединен с шестой шиной 21, ключ четвертой группы соединен соответственно с восьмой шиной 23. Третьи выводы ключей 25 и 29 подключены к общей шине. В устройство введены два ДКПЕ 30 и 36. Первый ДКПЕ 30 содержит N идентичных по схеме четырехполюсников, каждый из которых состоит из пятого электронного ключа 31, первый вывод которого соединен со второй шиной 17, ко второму выводу этого ключа подключен четвертый конденсатор 32, ко второму выводу которого подключены пятый 33 и шестой 34 конденсаторы, второй вывод шестого конденсатора через шестой электронный ключ 35 соединен с третьей шиной 18. Второй ДКПЕ 36 содержит Р идентичных четырехполюсников, в каждый из которых входит седьмой электронный ключ 37, подключенный к шестой шине 21. Второй вывод ключа через седьмой конденсатор 38 соединен с восьмым 39 и девятым 40 конденсаторами. Второй вывод конденсатора 40 через восьмой электронный ключ 41 соединен с седьмой шиной 22.

Устройство работает следующим образом.

Каждая из цепей 1 представляет собой известный полосовой фильтр первого класса по затуханию и второго класса по характеристическому сопротивлению. Подключение на входе этого фильтра катушек индуктивности 8 и 9, а на выходе катушек индуктивности 12 и 13 (при замкнутых ключах 10 и 11) приводит также к схеме полосового фильтра, который будет иметь второй класс по затуханию и первый класс по сопротивлению. Поскольку данный фильтр имеет второй класс по затуханию, его характеристическая фаза на средней частоте равна π радиан, и его входное сопротивление W равно нагрузочному сопротивлению R_н и не зависит от характеристического. Вследствие этого при пропорциональном изменении емкостей конденсаторов 3, 4, 5 (например, при увеличении их значений) средняя частота фильтра уменьшится и одновременно уменьшится номинальное характеристическое сопротивление фильтра, а входное сопротивление W на средней частоте и частотах, близких к ней, не изменится. Это свойство схем полосовых фильтров второго класса по затуханию позволяет перестраивать среднюю частоту фильтра в широких пределах без заметного ухудшения величины вносимого затухания в полосе пропускания и при незначительном изменении относительной ширины полосы пропускания фильтра.

Подключение второй полосовой цепи аналогичной структуры к первому фильтру через усилитель позволяет увеличить затухание в полосе задерживания и коэффициент прямоугольности АЧХ при сохранении постоянства их входных сопротивлений, поскольку усилитель обеспечивает достаточно высокую развязку между первым и вторым фильтрами. При малой величине вносимого затухания в полосе пропускания первого фильтра введение усилителя обеспечивает более высокое отношение сигнал/шум системы в целом.

Секции 30 и 36, подключаемые к исходным конденсаторам 3, 4, 5 параллельно, изменяют емкости этих конденсаторов и обеспечивают необходимую перестройку рабочей частоты устройства.

Индуктивные секции 24 предназначены для замены катушек индуктивности 8, 9 и 12, 13 при необходимости расширить рабочий диапазон перестройки. ДКПЕ обеспечивают перестройку данной схемы в реальных условиях (с учетом ограничений на величины конденсаторов «снизу» и «сверху», связанными с конструктивными возможностями и реальной добротностью конденсаторов при использовании ключей) с перекрытием по частоте 3÷4. При больших значениях коэффициента перекрытия весь диапазон рабочих частот делится на поддиапазоны, определяемые подключением с помощью ключей 25 и 29 соответствующей индуктивной секции.

Поскольку при использовании нескольких поддиапазонов высокочастотные поддиапазоны испытывают влияние низкочастотных, которое проявляется как появление побочных полос пропускания, связанных с резонансными частотами катушек индуктивности 26, 28 и собственными емкостями электронных ключей в открытом положении, в индуктивные секции 24 введены двухпозиционные ключи, третий вывод которых соединен с общей шиной и при необходимости отключения какого-либо из поддиапазонов, катушки индуктивности 26, 27, 28 замыкаются на общую шину, что приводит к подавлению побочных полос пропускания.

Источники информации

1. Черне Х.И. Индуктивные связи и трансформации в электрических фильтрах. Связьиздат, М, 1962, стр.206, табл.5.1.

2. Яковлев А.Н., Ясинский И.М. Анализ входных сопротивлений электрических фильтров. Техника радиосвязи. Вып.14, 2009.