Выходные фильтры Часть - 5

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: Фильтры

Опубликовано: 30.04.2018 13:50

Просмотров: 3111

(начало в Часть 1 - 4)
Прототип открытого фильтра. В 70 - 80 годах, после выхода из печати знаменитого «Справочника коротковолновика» (Л4), среди радиолюбителей получил популярность описанный в этой книге фильтр нижних частот, схема которого приведена на рис. 14.

В Л.4 также были приведены данные деталей для выполнения этого фильтра для работы в фидерном тракте 50 и 75-Ом, которые в этом параграфе приведены в табл.3.

При выполнении этого фильтра в металлическом корпусе, в котором каждая ячейка фильтра экранирована от другой, и его настройке в соответствии с рекомендациями, приведенными в Л.4, подавление фильтром сигналов, лежащих выше частоты 55 МГц составляет не менее -60 децибел. Этот фильтр является обратимым, то есть, все равно, куда подключать выход передатчика, а куда фидер с антенной.
АЧХ простого фильтра нижних частот
АЧХ простого фильтра нижних частот и его коэффициент отражения, рассчитанные при помощи программы RFSimm99, показаны на рис. 15.

Как видно из этого рисунка, частота среза фильтра по уровню затухания минус 3-дБ составляет 39,8-МГц. Теоретический коэффициент отражения этого фильтра в полосе прозрачности несколько выше, чем для четырех и трехзвенного фильтра (рис. 4). Однако, коэффициент отражения фильтра, составляющий -20дБ, является очень большим, и на практике, КСВ в фидер могут добавить только различные практические особенности, которые возникают при изготовлении фильтра.
Как видно из графика, приведенного на рис. 15, этот фильтр является фильтром отражательного типа. Значение КСВ этого фильтра в полосе задерживания стремится к бесконечности. На частотах задерживания фильтр закрывает проход гармоникам передатчика в фидерный тракт антенны, и отражает их от себя обратно на выход передатчика.
АЧХ простого ФНЧ выполненного из деталей с отклонением от теоретически рассчитанного номинала
Теоретический расчет АЧХ простого фильтра нижних частот при помощи программы RFSimm99 показал, что этот фильтр нетребователен к разбросу используемых в нем деталей. На рис. 16 показаны АЧХ и коэффициент отражения этого фильтра с использованием для его изготовления деталей, имеющих номинал на 10% меньше расчетного.

Частота среза фильтра по уровню -3 дБ увеличилась до 43,8-МГц, но глубина подавления фильтром сигналов в полосе задерживания осталась прежней, минус 60-дБ. Крутизна скатов АЧХ фильтра изменилась незначительно.
На рис. 17 показаны АЧХ и коэффициент отражения этого фильтра с использованием для его изготовления деталей, имеющих номинал на 10% больше расчетного.

Частота среза фильтра по уровню -3 дБ уменьшилась до 35,8 МГц. но глубина подавления фильтром сигналов в полосе задерживания осталась прежней, -60 дБ. Крутизна скатов АЧХ фильтра изменилась незначительно.
Эксперименты, проведенные мной с этими фильтрами, из деталей с отклонением от их теоретического значения, полностью подтвердили расчеты, выполненные при помощи программы RFSimm99.
Можно сделать вывод, что этот фильтр приобрел популярность среди радиолюбителей именно благодаря тому, что, во-первых, в фильтре используются конденсаторы стандартных номиналов, которые можно найти среди стандартного ряда емкостей конденсаторов, а во-вторых, вследствие того, что даже отклонение емкостей этих конденсаторов в пределах допуска 10% от их номинального значения позволяет создать фильтр имеющий приемлемые параметры.
Другие достоинства простого фильтра нижних частот
Как показывает опыт многих радиолюбителей, и расчеты на программе RFSimm99, этот фильтр малочувствителен к волновому сопротивлению фидерного тракта, в котором он используется. То есть, фильтр, рассчитанный для применения в фидерном тракте волновым сопротивлением 50-Ом, будет хорошо работать и в фидерном тракте волновым сопротивлением 75-Ом. А фильтр, рассчитанный для тракта волновым сопротивлением 75-Ом, будет хорошо работать и в тракте волновым сопротивлением 50-Ом.
Еще одно достоинство этого фильтра заключается в том, что он прекрасно справляется с фильтрацией гармоник при работе с нагрузкой (антенной) с входным сопротивлением не равным характеристическому сопротивлению фильтра, то есть, работающей с высоким значением КСВ. Это подтверждает расчет на программе RFSimm99, и мой практический опыт эксплуатации этого фильтра в течение длительного времени.
Практическая конструкция открытого фильтра
Из приведенных выше описаний особенностей простого фильтра нижних частот, становится понятно, почему этот фильтр стал популярным среди радиолюбителей сразу после появления его схемы в Л.4. Позже радиолюбителями были разработаны открытые конструкции этого фильтра, описания которых появились в конце 80 начале 90 годов в радиолюбительской литературе разных стран Европы. В доступной отечественной литературе первое описание открытой конструкции простого фильтра нижних частот, вероятнее всего, было приведено сначала в Л.5, а затем и в Л.6. Ниже рассмотрим особенности открытой конструкции фильтра нижних частот, описанной в Л.6. На мой взгляд, эта конструкция открытого фильтра является наиболее простой в настройке и легко повторяемой в радиолюбительских условиях. Фильтр нижних частот выполнен на одной плате из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Конденсаторы фильтра образованы медной фольгой печатной платы. На рис. 18 показана топология печатной платы (рис. 18а) и конструкция открытого фильтра (рис. 18б) в соответствии с Л.6.

Размеры без скобок приведены для фильтра нижних частот для работы в тракте 75-Ом, а размеры в скобках приведены для работы в тракте 50-Ом.
Однако, для того, что бы открытый фильтр нижних частот, выполненный согласно рис. 18, сохранил свои основные теоретически рассчитанные параметры, необходимо, чтобы конденсаторы фильтра, образованные на стеклотекстолите, имели емкость, указанную в табл. 3. Для этого после выполнения печатной платы, необходимо при помощи измерителя емкости проверить емкости получившихся конденсаторов. В случае отклонения емкости «печатных» конденсаторов от теоретического значения, необходимо произвести коррекцию. Для уменьшения емкости конденсатора часть фольги, образующей конденсатор, можно срезать, а для увеличения емкости можно параллельно «печатным» конденсаторам подпаять дискретные конденсаторы.
Фильтр нижних частот, собранный на печатной плате, можно установить непосредственно в трансивер или усилитель мощности. Размещать этот фильтр желательно в экранированном отсеке. Если фильтр предполагается эксплуатировать отдельно от трансивера, то с боков фильтра припаивают полосы из фольгированного стеклотекстолита, на этих полосах устанавливаются высокочастотные разъемы, имеющие волновое сопротивление соответствующее волновому сопротивлению линии передачи. Затем фильтр сверху закрывается куском фольгированного стеклотекстолита, который запаивается к этим полосам.
Как было указано в Л.6, открытый фильтр нижних частот, выполненный на куске стеклотекстолита толщиной 1,5 мм согласно рис. 18, остается работоспособным при проходящей через него мощности более 200 ватт.
Отражающие фильтры нижних частот на выходе передатчика
Фильтры, схемы которых приведены на рис. 4 и рис. 14, как было сказано ранее, являются фильтрами отражательного типа. То, что эти фильтры отражают от себя на выход передатчика гармоники, любой радиолюбитель может сам легко убедиться практически. Для этого следует только измерить КСВ фильтра на частотах его подавления. Теоретическое значение КСВ фильтра в этом случае огромно, 100:1, однако, практическая регистрация больших значений КСВ при помощи КСВ-метров, как любительских, так и профессиональных, затруднена, поэтому, вероятнее всего будет получено значение 10:1...20:1.
Ниже рассмотрим более подробно работу фидерного тракта передатчика с включенным туда отражательным фильтром нижних частот и без него.
Работа фидерного тракта передатчика без отражающего фильтра нижних частот
При работе системы «передатчик - линия передачи - антенна», как показано это на рис. 19, значение КСВ, производимое сигналами высших гармоник в линии передачи, редко бывает большим.

Это происходит, во-первых, вследствие того, что сама антенна коротковолнового диапазона обычно достаточно эффективно излучает эти высокочастотные гармоники, то есть, имеет небольшое значение КСВ по этим гармоникам. Во-вторых, коаксиальный кабель, используемый на коротковолновом диапазоне, часто имеет значительные потери на высших частотах гармоник. Значит, частоты высших гармоник терпят затухание при прохождении через коаксиальный кабель в прямом направлении от передатчика к антенне. Отраженные от антенны гармоники тоже терпят затухание при прохождении по коаксиальному кабелю от антенны к передатчику. Это приводит к еще большему уменьшению значения КСВ для частот высших гармоник измеренного непосредственно на выходе передатчика. По этим причинам, подключение на выход передатчика реальной антенны с коаксиальным кабелем обычно не вызывают появления новых гармоник в выходном каскаде передатчика, и не нарушает режима работы этого выходного каскада.
Работа передатчика с отражающим фильтром нижних частот
Отражательный фильтр, установленные на выходе передатчика, «отражает» от себя сигналы гармоник передатчика назад на его выходной каскад. Часть энергии отраженных гармоник рассеивается на элементах выходного каскада передатчика, а другая часть вновь отражается от элементов выходного каскада в антенно - фидерный тракт, на фильтр нижних частот, и далее этот процесс снова повторяется. Это приведет к тому, что в фидерном тракте на пути от выходного каскада передатчика до фильтра нижних частот установится режим стоячих волн высших гармоник передатчика.
В зависимости от его схемы, отражательный фильтр нижних частот может представлять собой или короткое замыкание для токов высших гармоник, или иметь бесконечное сопротивление. Это приведет к тому, что на входе фильтра будет распределение или максимума тока или максимума напряжения высокочастотных гармоник. Рис. 20 иллюстрирует ситуацию, когда фильтр нижних частот представляет собой бесконечное сопротивление для токов высших гармоник.

В зависимости от длины коаксиального кабеля, соединяющего фильтр нижних частот с передатчиком, эти максимумы могут быть перенесены на выход передатчика. Для лампового выходного каскада передатчика такой режим стоячих волн высших гармоник, может быть в общем случае не слишком опасен. Однако, для транзисторного усилителя мощности режим стоячих волн высших гармоник может иметь катастрофические последствия. Высшие гармоники, отраженные от фильтра нижних частот, могут пройти через проходную емкость выходного транзистора на предшествующие усилительные транзисторные каскады, что может нарушить их режим работы. Например, в результате этого возможно появление новых по частоте гармоник, причем частоты этих гармоник могут лежать в полосе прозрачности используемого с передатчиком фильтра нижних частот, иметь значительную мощность и эффективно излучаемые коротковолновой антенной в эфир. Итак, на практике это выражается в следующем. Включаем на выход передатчика фильтр нижних частот, и передатчик начинает возбуждаться, или производить новые как высшие так и низшие гармоники, причем низкочастотные гармоники могут лежать в полосе прозрачности фильтра. В результате этого, после такого неудачного включения фильтра нижних частот, передатчик начинает работать хуже, чем он работал ранее без фильтра. Ухудшается качество его основного сигнала, появляются продукты преобразования, лежащие в полосе пропускания фильтра. Ликвидировать это неприятное явление можно несколькими способами. Фильтр нижних частот можно установить непосредственно на антенне. В этом случае, если длина коаксиального кабеля от антенны до передатчика будет достаточно большая, и этот коаксиальный кабель будет иметь значительное затухание на частотах гармоник, то КСВ на частотах высших гармоник на выходе передатчика может иметь не опасное для работы выходного каскада передатчика значение. В Л.1 разобран случай использования в фидерном тракте реального коаксиального кабеля с потерями. Например, при затухании в коаксиальном кабеле -4 дБ, что вполне возможно на частотах высших гармоник, при значении КСВ, измеренного непосредственно на антенне, равного 10:1, значение КСВ, измеренное непосредственно на выходе передатчика будет равно 2:1. Прямая и обратная волна от высокочастотных гармоник превратятся в тепло в коаксиальном кабеле, и не причинят вреда выходному каскаду передатчика.
Другой способ заключается в том, что подбирают длину отрезка коаксиального кабеля, соединяющего фильтр нижних частот с передатчиком. Часто удается найти кусок кабеля такой длины, при котором передатчик работает нормально.
Но самый радикальный способ заключается в установке на выходе передатчика фильтра нижних частот, значение КСВ которого на частотах высших гармоник, которые являются частотами задерживания этого фильтра, будет равно 1:1.
Полный сборник статьи в формате pdf скачать
Григоров И. Н.
Продолжение следует Часть-6
Литература :
4. Бунин С.Г., Яйпенко Л.П. Справочник радиолюбителья-коротковолновика. - К.: Техника, 1978.
5. Радион Г. Фильтр верхних частот. ж.Радиолюбитель, №7, 1993, стр. 32.
6. А. Ронжин. Телевизионный фильтр. ж. Радиолюбитель, №6, 1994, стр. 4.