Выходные фильтры Часть - 6

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: Фильтры

Опубликовано: 30.04.2018 13:45

Просмотров: 2797

(начало в Часть 1 -5)
Работа поглощающего фильтра: Что же это может быть за такой фильтр, значение КСВ которого как в полосе пропускания, так и в полосе задерживания равно 1:1? Можно сказать, что, если фильтр нижних частот во всем диапазоне работы имеет по своему входу значение КСВ равный 1:1, и, в то же время, это устройство в некотором участке частот не пропускает через себя высокочастотную энергию, то, следовательно, оно поглощает эту входящую в него высокочастотную энергию. Фильтры, которые поглощают энергию спектра частот полосы задерживания, называются поглощающими фильтрами. Такие фильтры оптимальны для работы с полупроводниковыми усилителями мощности и могут быть установлены в любом месте после передатчика без нарушения режима работы его выходного каскада. Как видно из рисунка 21, значение КСВ высших гармоник в фидере при наличии поглощающего фильтра нижних частот равно 1:1.

Устройство поглощающего фильтра
Блок схема типичного поглощающего фильтра нижних частот показана на рис. 22.

Такой фильтр представляет собой два включенных параллельно фильтра, один из них является ФВЧ, а другой - ФНЧ. На частотах прозрачности ФНЧ имеет характеристическое сопротивление, равное характеристическому сопротивлению линии передачи, в которую включается поглощающий фильтр. На частотах задерживания ФНЧ имеет входное сопротивление в несколько раз выше своего характеристического. Следовательно, на входе фильтра будет присутствовать максимум высокочастотного напряжения гармоник передатчика. Физически ФНЧ на частотах задерживания отключает линию передачи от передатчика.
На частотах прозрачности (которые для ФНЧ являются частотами задерживания) ФВЧ имеет характеристическое сопротивление, равное волновому сопротивлению фидера. Выход ФВЧ подключен к нагрузке, имеющей активное сопротивление, равное волновому сопротивлению используемой линии передачи. Следовательно, на частотах задерживания ФНЧ высокочастотные гармоники поступают через ФВЧ на активную нагрузку, где рассеиваются в тепло. ФВЧ на своих частотах задерживания (которые для ФНЧ являются частотами прозрачности) имеет входное сопротивление, значительно превышающее характеристическое сопротивление ФНЧ. Следовательно, на этих частотах он не шунтирует линию передачи и не оказывает влияния на работу передатчика.
Итак, при установке на выходе передатчика поглощающего фильтра, сигналы с частотами, на которых работает передатчик, поступают в антенну, а энергия высокочастотных гармоник рассеивается на сопротивлении нагрузки в тепло. Читатель может указать на некоторые неточности работы этой модели, одна из которых заключается в том, что на частотах высших гармоник выходное сопротивление передатчика не равно характеристическому сопротивлению фильтра.
Поглощающий фильтр (рис. 22) не является обратимым фильтром, то есть нельзя поменять местами подключение его входа и выхода. Однако, есть конструкции обратимых поглощающих фильтров, допускающих смену подключения входа и выхода.
Практическая конструкция поглощающего фильтра

Практическая схема простого поглощающего фильтра, предназначенного для работы в фидерном тракте волновым сопротивлением 50-Ом, приведена на рис. 23, конструктивные данные катушек фильтра (рассчитаны и проверены мной в нескольких конструкциях поглощающего фильтра) приведены в табл. 4.

Схема этого фильтра впервые была опубликована во втором издании «Справочника коротковолновика» (Л.7). являющегося на протяжении многих лет настольной книгой для радиолюбителей.
На этой схеме вверху расположен ФНЧ, а внизу ФВЧ. Частота среза обоих фильтров, составляет 40 мегагерц. Сигналы с частотами ниже этой частоты через ФНЧ свободно проходят в антенну, а сигналы с частотами выше этой частоты через ФВЧ поступают на резистор R1, где рассеиваются в тепло. В Л.4 рекомендуется использовать балластный резистор мощностью не менее 10 процентов, от мощности передатчика. Контур L5C4 настраивают на подавление наиболее сильной «телевизионной» или «радиовещательной» гармоники. Последовательный резонанс этого контура лежит в диапазоне частот от 115-МГц (емкость конденсатора С4 равна 8-пФ) до 59-МГц (емкость конденсатора С4 равна 30-пФ). Следовательно, можно подавить помехи телевизионному приему на 2 - 5 канале и FM- вещанию в диапазоне 88 -110-МГц. Для подавления помех, производимых передатчиком на 1 телевизионном канапе параллельно переменному конденсатору С4 подпаивают постоянный конденсатор емкостью 15-пФ. Для подавления помех, производимых передатчиком на более высокочастотных каналах, индуктивность катушки L5 должна быть уменьшена. При использовании катушки индуктивностью 0,06мкГн этот контур работает в диапазоне частот 118 - 230-МГц, то есть, обеспечивает подавление помех телевизионному приему на 6 -12 канале, и в участке частот 120 -160-МГц, отведенного для работы кабельного телевидения. Поглощающий фильтр желательно собрать в металлическом, или выполненном из фольгированного стеклотекстолита, корпусе, разбитом на ячейки согласно схеме, приведенной на рис. 23.
Параметры поглощающего фильтра
Параметры поглощающего фильтра были рассчитаны при помощи программы RFSimm99. АЧХ и коэффициент отражения фильтра приведены на рис. 24.

Как видно из этого рисунка, полоса среза поглощающего фильтра по уровню минус 3-дБ равна 40,5-МГц. В полосе задерживания поглощающий фильтр обеспечивает меньшее подавление, чем выше описанные в этой статье отражательные фильтры. Выше частоты 70-МГц теоретический уровень подавления составляет чуть более минус 30-дБ. На практике, уровень подавления сигналов в полосе задерживания, практически измеренный мной при помощи схемы, приведенной на рис. 12, составлял не более минус 26-дБ. Крутизна спада частотной характеристики тоже гораздо меньше, чем у выше описанных в этой статье отражательных фильтров. При проверке графика АЧХ поглощающего фильтра при помощи ИЧХ согласно методике показанной на рис. 12, было получено хорошее соответствие экспериментального и теоретического графика.
Однако, коэффициент отражения поглощающего фильтра больше минус 30-дБ практически во всей области частот работы фильтра. То есть, теоретическое значение КСВ фильтра в области частот выше 1МГц составляет только чуть выше 1:1, что и было подтверждено при практических экспериментах с этим фильтром. Следовательно, поглощающий фильтр можно включать на выход любого передатчика без опасения, что включение фильтра нижних частот приведет к появлению новых гармоник или к возбуждению передатчика. Особенно этот фильтр можно рекомендовать для работы с самодельными и коммерческими транзисторными передатчиками с широкополосными выходными каскадами. Если же уровень фильтрации гармоник, обеспечиваемый этим фильтром, будет недостаточен, то вслед за поглощающим фильтром можно включить любой из описанных выше отражательных ФНЧ. Проблема с подавлением гармоник передатчика без нарушения его режима работы в этом случае будет решена.
Практические испытания этого фильтра показали отличную работу, несмотря на то, что он имел, в общем - то, небольшое подавление гармоник. Была испытана работа поглощающего фильтра совместно с четырехзвенным фильтром, схема которого показана на рис. 4. При включении поглощающего фильтра на выход трансивера, помехи телевизионному приему
полностью исчезали. А при его замене на четырехзвенный фильтр, помехи телевизионному приему полностью «убить» не удавалось. Это еще раз подтверждает заключение о том, что отраженные от входа фильтра помехи не исчезают бесследно в передатчике, они пытаются вырваться наружу через вентиляционные щели передатчика (в этом случае корпус передатчика эффективно излучает эти гармоники), попадают в сетевые провода электропитания и распространяются по ним в соседние квартиры. В поглощающем фильтре энергию гармоник удается «перехитрить», гармоники свободно проходят на балластный резистор, в котором рассеиваются в тепло без причинения вреда другой радиоаппаратуре.
Описанный выше поглощающий фильтр нижних частот весьма нетребователен к разбросу номиналов используемых в нем деталей. Это было выявлено на практике, а также проверено теоретически при помощи программы RFSimm99. При использовании деталей с отклонением номиналов на 10% больше от теоретического значения, полоса среза ФНЧ уменьшалась до 37-МГц. При отклонении номиналов деталей на 10% меньше от теоретического значения полоса среза ФНЧ увеличивалась до 45-МГц. Аналогичные отклонения происходили и с частотой среза ФВЧ. Из этого можно сделать вывод, что этот поглощающий фильтр малочувствителен к разбросу используемых в нем деталей.
Мощность высокочастотных гармоник поглощаемых балластным резистором
Программа RFSimm99 позволила сделать расчет мощности высокочастотных гармоник, рассеиваемой в балластном резисторе поглощающего фильтра. Рис. 25 показывает этот график.

На частоте среза ФВЧ (для поглощающего фильтра, выполненного из деталей имеющих теоретически рассчитанный номинал, она составляет 46-МГц), через который энергия высокочастотных гармоник поступает в резистор нагрузки, половина мощности гармоник рассеивается на нагрузке фильтра. Однако, уже выше частоты 50-МГц, практически вся энергия гармоник передатчика полностью рассеиваются на балластном сопротивлении фильтра.
На основании этого выбирают мощность рассеяния балластного сопротивления фильтра. Как уже отмечалось выше, в Л.7 рекомендуется, чтобы мощность этого резистора составляла не менее 10% от мощности передатчика. Однако, если выходной каскад передатчика хорошо отлажен, и производит малый уровень гармоник, то мощность этого резистора может быть ниже рекомендуемой. И наоборот, при плохо отлаженном выходном каскаде может быть придется увеличить мощность рассеяния балластного резистора. Можно пользоваться простым способом проверки достаточности мощности рассеивания для балластного резистора. Для этого включают передатчик в режим передачи, и примерно через пять минут его работы контролируют температуру балластного резистора. Если перегрев резистора отсутствует, значит, его мощность рассеивания для работы с конкретным передатчиком выбрана правильно.
Практическое определение мощности высокочастотных гармоник поглощаемых балластным резистором
Было проведено экспериментальное определение мощности высокочастотных гармоник рассеиваемых балластным резистором (рис. 26).

Для этого вход ИЧХ был подключен к балластному резистору, в то время, как выход фильтра был нагружен на сопротивление 50-Ом.
Проверка поглощаемой мощности балластным резистором фильтра при помощи измерителя частотных характеристик очень проста и в тоже время наглядна. Однако, если в распоряжении радиолюбителя нет ИЧХ, то проконтролировать уровень поглощаемой мощности в балластном резисторе можно при помощи стандартного измерителя мощности и мощного высокочастотного генератора (рис.27).

Рассмотрим ее более подробно.
Первоначально к мощному ВЧ-генератору, имеющему выход 50-Ом, был подключен измеритель мощности, как это показано на рис. 27А, и снят график выходной мощности этого генератора. Затем была собрана схема измерения, показанная на рис.27Б. К выходу высокочастотного генератора был подключен поглощающий фильтр. Выход фильтра, предназначенный для подключения коротковолновой антенны, был нагружен на резистор сопротивлением 50-Ом, а вместо балластного резистора был использован вход измерителя мощности, который имел входное сопротивление 50-Ом.
При испытаниях этого фильтра оказалось, что на частотах от 50 до 100 мегагерц на балластном резисторе рассеивается не менее 85% высокочастотной мощности поступающей на фильтр от высокочастотного генератора. На частотах выше 100-МГц на балластном резисторе рассеивается не менее 95% высокочастотной мощности поступающей на фильтр от высокочастотного генератора. Отличие теоретически рассчитанной поглощаемой мощности балластным резистором от практически измеренной поглощаемой мощности, можно списать за счет погрешностей, неизбежных в процессе измерений.
Полный сборник статьи в формате pdf скачать
Григоров И.Н.
Окончание следует Часть-7
Литература : 7. Бунин С.Г., Яйленко Л.П. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. К.: Техніка, 1984.