Выходные фильтры Часть - 3

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: Фильтры

Опубликовано: 30.04.2018 14:00

Просмотров: 2647

(начало в Часть 1-2)
Теоретические параметры четырех и трехзвенных фильтров нижних частот
Теоретические параметры фильтров нижних частот, схемы которых показаны на рис. 4, приведены в табл. 1. Однако радиолюбителям всегда интересно посмотреть на графический вид АЧХ фильтров. К сожалению, в литературе (Л.З) АЧХ этих фильтров приведены не были. Для устранения этого пробела при АЧХ были рассчитаны помощи программы RFSimm99. При моделировании оказалось, что четырехзвенные фильтры, показанные на рис. 4, имеют одинаковые амплитудно - частотные характеристики, независимо от того, в тракте с каким волновым сопротивлением они рассчитаны работать. То же самое касалось и трехзвенных фильтров. Поэтому в этом параграфе будут приведены АЧХ только для четырех и трехзвенного фильтра для работы в тракте 75-Ом.

Теоретические параметры четырех-звенного фильтра нижних частот

Рис. 6 показывает АЧХ четырехзвенного фильтра в диапазоне от 1 до 90 МГц. На этом рисунке приведен также график коэффициента отражения по входу фильтра, показывающий, отношение поступающей мощности на вход фильтра к мощности, отраженной от фильтра. Из этого рисунка видно, что действительно, теоретические параметры фильтра, рассчитанные при помощи программы RFSimm99, соответствуют приведенным в табл.1.
Четырехзвенный фильтр обеспечивает затухание на частоте 30-МГц равное (-3,87 дБ). Коэффициент отражения на этой частоте равен (-7,7 дБ). Для перевода коэффициента отражения в привычное для радиолюбителей значение КСВ, можно воспользоваться таблицами децибел, приведенными в Приложении к Л.1. Можно ориентироваться на такие цифры, при коэффициенте отражения равном (-10 дБ) значение КСВ будет 50:1. В нашем случае, при значении отражения (-7,7 дБ) на частоте 30-МГц, значение КСВ на этой частоте будет не менее 20:1.
Теоретические параметры трехзвенного фильтра нижних частот

Рис. 7 показывает АЧХ трехзвенного фильтра в диапазоне от 1 до 90-МГц. На этом рисунке приведен также график коэффициента отражения по входу фильтра, показывающий отношение поступающей мощности на вход фильтра к мощности, отраженной от фильтра. Из рисунка видно, что, теоретические параметры трехзвенного фильтра, рассчитанные при помощи RFSimm99, соответствуют приведенным в табл. 1. Трехзвенный фильтр обеспечивает затухание на частоте 30-МГц равное (-2,48 дБ). Коэффициент отражения на этой частоте равен (-13,29 дБ). После перевода в КСВ (Приложение к Л.1) в нашем случае при коэффициенте отражения (-13,29 дБ) на частоте 30-МГц, значение КСВ на этой частоте будет не менее 50:1.
Фильтры отражательного типа
Как видно из графиков АЧХ и коэффициента отражения фильтров (см. рис. 6-7), теоретически, на частотах ниже 30-МГц, то есть, в своей полосе прозрачности, эти фильтры вносят настолько малое отражение в фидерный тракт, что оно даже не должно регистрироваться при помощи любительских КСВ - метров. В диапазоне частот от 30 до 40-МГц, наоборот происходит резкий рост коэффициента отражения. Теоретически, выше частот 40-МГц, практически вся мощность гармоник, идущая от генератора на вход четырех или трехзвенного фильтра, отражается от этого входа обратно на выход передатчика. Фильтр, в котором в его полосе задерживания происходит отражение мощности гармоник от входа фильтра на выход передатчика принято называть Фильтр отражательного типа.
Реальные параметры фильтра нижних частот
Конечно, реальный фильтр нижних частот, в своей полосе прозрачности вполне может добавить некоторое значение КСВ в фидерный тракт, будучи включенным в него. Однако, увеличение общего значения КСВ фидерного тракта при включении в него фильтра происходит, во первых, за счет конструктивных особенностей фильтра, а во вторых за счет того, что в фильтре используются реальные детали, а не их модели. На практике также наблюдается некоторое отличие реального затухания фильтра от его теоретически расчетного значения. Это тоже обусловлено конструктивными особенностями фильтра и используемых в нем деталей.
Например, недостаточная экранировка между ячейками фильтра ведет к тому, что гармоники передатчика, вместо того, чтобы быть отраженными, начинают просачиваться с ячейки на ячейку фильтра, и далее поступают на выход фильтра. А использование в конструкции фильтра несоответствующих конденсаторов, не предназначенных для работы на частотах подавления фильтра, или конденсаторов с длинными выводами ведет к тому, что на частотах подавления фильтра эти конденсаторы могут перестать работать в качестве конденсаторов. В результате этого, фильтр потеряет свои теоретические параметры, и некоторая мощность гармоник будет проходить сквозь фильтр к антенне. При желании любой радиолюбитель при помощи программы RFSimm99 может сам смоделировать эти ситуации и убедиться в справедливости этих слов.
Рекомендации по выполнению конструкции трех и четырехзвенного фильтра
Итак, как же выполнить фильтр нижних частот, что бы его практически полученная АЧХ соответствовала теоретически расчетной? Для эффективной работы фильтра нижних частот его катушки должны иметь высокую добротность и малую собственную межвитковую емкость. Это достигается выполнением катушек из голого медного полированного провода, расстояние между витками катушки должно быть не менее диаметра провода, из которого выполнена катушка фильтра. Катушки при их установке в металлический корпус фильтра должны иметь малую емкость на этот корпус. Для этого расстояние от геометрического центра катушки до проводящей поверхности корпуса фильтра должно быть не менее диаметра катушки.
Номиналы деталей, используемых в фильтре, должны соответствовать расчетным. Катушки, используемые в фильтре, должны быть сделаны точно по описанию. При помощи прибора для измерения емкости конденсаторов необходимо осуществить подбор номиналов конденсаторов, используемых в фильтре, по значению емкости, которое было теоретически рассчитано.
АЧХ фильтров выполненных на деталях с отклонением от расчетного значения
Однако, как бы тщательно не был проведен подбор деталей для фильтра, все равно номиналы этих деталей будут иметь некоторое отклонение от их теоретического значения. Чего же можно ожидать от работы фильтра в этом случае? А ожидать можно только одного, - некоторого ухудшения работы фильтра.
В зависимости от разброса в используемых деталях, частота среза фильтра может "убежать" верх или вниз по частоте. В любом случае ухудшится крутизна ската среза характеристики фильтра, может уменьшиться подавление гармоник передатчика в полосе задерживания фильтра. Постоянство характеристического сопротивления фильтра в полосе частот работы фильтра изменится скорей всего незначительно, и затухание, вносимое фильтром в полосе прозрачности, тоже, как правило, не потерпит значительных изменений.
В общем случае, если отклонения номиналов деталей небольшие, то изменения, произошедшие в амплитудно — частотной характеристике фильтра, могут быть не столь существенными для того, чтобы вызвать полный провал работы фильтра. Это подтверждает мой опыт конструирования фильтров, когда при использовании более-менее подобранных деталей, практически собранный фильтр имеет приемлемую АЧХ вообще без всякой дополнительной настройки. Программа RFSimm99, которая позволяет построить АЧХ фильтра с деталями, имеющими отклонения от расчетного значения, тоже подтверждает это.
АЧХ четырехзвенного фильтра выполненного на деталях с отклонением от расчетного значения
Рис. 8 показывает АЧХ четырехзвенного фильтра, выполненного с использованием деталей (катушек и конденсаторов), имеющих отклонение на 10% большее их теоретического значения.

Как видно из этого графика, частота среза фильтра по уровню (-3 дБ) в этом случае составляет 27,5-МГц. Это значит, что диапазон 10 метров этот фильтр теперь обрезает полностью. Уровень подавления частот, лежащих за полосой прозрачности фильтра, по-прежнему остался в пределах (-80 дБ). График коэффициента отражения фильтра практически не изменился, следовательно, и характеристическое сопротивление фильтра осталось прежним. Этот фильтр вполне пригоден, если диапазон 10 метров не применяется радиолюбителем при работе в эфире. Более того, фильтр с такой АЧХ подавит гармоники передатчика при его работе на диапазонах 160-20 метров, где гармоники передатчика могут лежать в любительском диапазоне 10 метров.
Рис. 9 показывает АЧХ четырехзвенного фильтра, выполненного с использованием деталей (катушек и конденсаторов), имеющих отклонение на 10% меньшее их теоретического значения.

Как видно из этого графика, частота среза такого фильтра по уровню (-ЗдБ) составляет 33,73-МГц, то есть, теперь диапазон 10 метров полностью лежит в полосе пропускания фильтра. Уровень подавления частот, лежащих за полосой прозрачности фильтра, по прежнему остался лежать в пределах (-80 дБ). График коэффициента отражения фильтра практически не изменился, следовательно, и характеристическое сопротивление фильтра осталось прежним.
Однако сравнение характеристик фильтров, выполненных на деталях с отклонениями от расчетных величин (рис. 8 - 9) с характеристикой фильтра выполненного на деталях имеющих расчетный номинал показывает, что крутизна скатов характеристик этих фильтров пострадала. Однако, в общем случае, ухудшение крутизны скатов характеристик фильтров не должно беспокоить радиолюбителей. Для фильтра, выполненного на деталях с верхним разбросом номиналов, АЧХ которого показана на рис. 8, незначительное ухудшение крутизны скатов фильтра никак не скажется на уровне подавления внеполосных излучений передатчика.
Для фильтра, выполненного на деталях с отклонением номиналов на 10% меньшим их теоретического значения, ухудшение крутизны скатов в диапазоне частот 35 - 45-МГц уже может стать причиной создания помех некоторым радиотелефонам, не сертифицированным для использования в России. Однако создание помех служебным УКВ радиостанциям диапазона частот 35 - 45-МГц мало вероятно, потому что уровень подавления гармоник фильтром в этой области частот остается достаточно высоким. Кроме того, в настоящее время служебные станции начинают уходить из диапазона частот 35 - 45-МГц, что позволяет эксплуатировать фильтр с такой АЧХ для работы в эфире.
АЧХ трехзвенного фильтра выполненного на деталях с отклонением от расчетного значения
Рис. 10 показывает АЧХ трехзвенного фильтра, выполненного с использованием деталей (катушек и конденсаторов), имеющих отклонение на 10% большее их теоретического значения.

Как видно из графика, частота среза фильтра по уровню (-3 дБ) составляет 29,375 МГц, то есть, большая часть диапазона 10 метров остается работоспособной. Уровень подавления частот, лежащих за полосой прозрачности фильтра, остался равным (-60 дБ). График коэффициента отражения фильтра практически не изменился, следовательно, и характеристическое сопротивление фильтра осталось прежним. Если не работать в верхнем участке диапазона 10 метров, то этот фильтр вполне пригоден.
Рис. 11 показывает АЧХ четырехзвенного фильтра, выполненного с использованием деталей (катушек и конденсаторов), имеющих отклонение на 10% меньшее их теоретического значения.

Как видно из этого графика, частота среза фильтра по уровню (-3 дБ) составляет 35,83-МГц, то есть, теперь весь диапазон 10 метров лежит в полосе пропускания фильтра. Уровень подавления частот, лежащих за полосой прозрачности фильтра равен (-60 дБ), коэффициент отражения, следовательно, и характеристическое сопротивление фильтра, изменилось незначительно.
Также как для четырехзвенных фильтров, крутизна скатов характеристик трехзвенных фильтров, выполненных на деталях с отклонением от расчетного значения, несколько пострадала. Если для фильтра, частота среза которого ушла вниз (см. рис. 10) это не имеет особого значения, то для фильтра, частота среза которого ушла вверх (см. рис. 11), это уже может представляет собой неприятное явление. Как это было отмечено в предыдущем параграфе, работа с таким фильтром может вызвать появление помех телевизионной и радиоприемной аппаратуре невысокого класса, расположенной в непосредственной близости от антенны любительской радиостанции. Могут появиться помехи для работы радиотелефонов не сертифицированных для России, которые работают в диапазоне частот 30 - 50 МГц. Однако, этот фильтр успешно подавит гармоники передатчика, лежащие выше частоты 50 МГц, что в общем и требуется от фильтра нижних частот.
Полный сборник статьи в формате pdf скачать
Григоров И.Н.
Продолжение следует Часть-4