Выходные фильтры - Часть2

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: Фильтры

Опубликовано: 30.04.2018 14:04

Просмотров: 2735

(начало в Часть 1)
Как же выбрать схему фильтра, который обеспечит удовлетворительное подавление гармоник и будет несложен в практическом изготовлении? Можно конечно самому рассчитать теоретическую схему подходящего по параметрам фильтра. Раньше для расчета фильтров необходимо было иметь толстые справочники (которые во все времена были большим дефицитом), содержащие прототипы схем фильтров. Расчет фильтров, обладающих требуемыми параметрами, в этом случае обычно был связан с проделыванием многих вычислений, и часто был не по силам начинающему радиолюбителю. Но времена меняются.

В настоящее время существует немало компьютерных программ, которые позволят достаточно быстро рассчитать фильтр, имеющий заданные параметры, что превращает расчет фильтра в увлекательную игру. Среди всего этого многообразия, тем, кто желает попробовать свои силы в расчете фильтров, могу порекомендовать попробовать программу RFSimm 99, русифицированная и английская версия которой находятся на сайте Игоря Гончаренко, расположенного по ссылке (Л.2). Программа RFSimm-99 имеет очень простой интуитивно - понятный интерфейс, занимает мало места на компьютере, бесплатна в использовании, и обеспечивает достаточно точный расчет параметров фильтров.
Следует отметить, что при расчете фильтров при помощи программы RFSimm99, как, впрочем, и при помощи других программ, моделирующих фильтры, предполагается множество допущений. Например, при моделировании фильтра можно пользоваться идеальными катушками индуктивности и конденсаторами, а можно попытаться заложить в программу их реальные модели. К сожалению, во многих случаях описание реального элемента, даже казалось бы такого простого как конденсатор или катушка индуктивности, при помощи модели сопряжено с рядом определенных трудностей. Если мы все же попытаемся создать полную модель фильтра, учитывающую все нюансы поведения элемента фильтра в полосе частот, в которых он работает, то получим весьма громоздкую схему. Поэтому, обычно при моделировании фильтров используют упрощенные теоретические модели реальных элементов. Вследствие того, что, как правило, поведение реальных элементов, используемых в фильтре, будет несколько отличаться от поведения элементов, задаваемых программно, то и практически снятая характеристика фильтра обычно отличается от теоретически рассчитанной.
Однако, как показывает опыт, даже используя в программе RFSimm99 упрощенную модель фильтра, то есть, модель без учета паразитной емкости катушек и конденсаторов на корпус, без учета реальной добротности катушек и конденсаторов на всех частотах работы фильтра, и так далее, отличия теоретической АЧХ фильтра, от практически снятой АЧХ, обычно незначительны.
Отличия между теоретически рассчитанной и практически полученной АЧХ еще связаны с тем, что при практическом изготовлении фильтра всегда существуют некоторые погрешности в номиналах деталей, используемых для выполнения фильтра. Например, при расчете может оказаться, что требуются конденсаторы, имеющие нестандартные номиналы, и эти конденсаторы придется составлять из нескольких стандартных конденсаторов. Не всегда можно точно изготовить катушки, имеющие необходимую расчетную индуктивность. При монтаже фильтра паразитные емкости элементов фильтра на корпус и паразитные индуктивности выводов деталей внесут свой вклад в погрешность номиналов используемых деталей, что, вполне может привести к ухудшению ряда характеристик фильтра. Если еще монтаж ячеек фильтра выполнен так, что возможно просачивание высокочастотной энергии между этими ячейками, то уровень подавления в полосе непрозрачности фильтра может существенно понизиться.
Поэтому, вдоволь наигравшись с теоретическим конструированием фильтра на компьютере, многие радиолюбители обращаются к проверенным схемам фильтров, с хорошо описанной практической конструкцией, и о работе которых имеются положительные отзывы других радиолюбителей. Обычно в этом случае сделав такой фильтр в соответствии со всеми рекомендациями, удается достигнуть параметров фильтра, заявленных в его описании. Ниже остановимся на конструктивных особенностях изготовления фильтров.
Общие вопросы по практической конструкции фильтров нижних частот
Для того, что бы выполненный в «железе» фильтр нижних заработал так как ему положено, необходимо не только подобрать для его изготовления элементы, имеющие номиналы соответствующие расчетным, но и выполнить конструкцию фильтра правильным образом.
Если в вашем распоряжении есть фильтр нижних частот коммерческого изготовления, то разберите его и посмотрите, как он выполнен. Это подскажет методы изготовления самодельных фильтров нижних частот. Обратите внимание, что коммерческие фильтры нижних частот, как правило, выполняются в массивных медных, полированных или иногда даже посеребренных внутри, корпусах. Выполнение ячеек фильтра в корпусе из хорошо проводящего материала позволяет сохранить высокую добротность катушек фильтра. Выполнение фильтра в массивном корпусе, имеющем большую тепловую инерцию, позволит устранить влияние быстрого изменения температуры окружающей среды на параметры фильтра.
Далее, обратите внимание, что каждая ячейка фильтра, которая может содержать от одной до нескольких катушек и конденсаторов, отделена металлическим экраном от соседней с ней ячейки. Это необходимо по следующим причинам. С некоторым упрощением можно сказать, что каждая ячейка фильтра служит для подавления своего спектра гармоник. Или, другими словами, имеет резонансы на частотах подавляемых гармоник. В этом случае, во время подавления внеполосных излучений, на элементах ячеек фильтра будут присутствовать сигналы этих подавляемых гармоник. Причем амплитуда токов или напряжений этих гармоник может быть относительно высокой. При отсутствии экранировки между ячейками фильтра гармоники посредством электромагнитного поля, излучаемого катушками и длинными выводами конденсаторов, могут распространяться между катушками фильтра и даже сразу проникать с входа фильтра на его выход. Конечно, это сразу же приведет к значительному уменьшению коэффициента подавления гармоник.
Использования для монтажа фильтра массивного медного, полированного внутри корпуса, экранировка ячеек фильтра, использование конденсаторов с минимально возможной длиной выводов, рациональный монтаж элементов фильтра позволяют приблизить реальные характеристики фильтра к его расчетным характеристикам.
Обратите внимание, что в коммерческих фильтрах ячейки фильтра соединяются между собой через специальные керамические переходники. На этих переходниках обычно располагаются катушки индуктивности и конденсаторы. Использование таких переходников, позволяет создать жесткую конструкцию фильтра, в которой катушки сохраняют постоянными свои параметры при воздействии на фильтр механических воздействий, например вибрации.
Как уже отмечалось, конденсаторы, используемые в фильтрах гармоник передатчика, должны иметь выводы минимальной длины. В некоторых случаях в коммерческих фильтрах конденсаторы выполняются в виде конструктивных элементов. Это могут быть, например, большие посеребренные медные шайбы или пластины, расположенные на пленке из какого либо диэлектрика. Применяют в коммерческих фильтрах нижних частот и некоторые другие конструкции конденсаторов, которые, на первый взгляд мало чем напоминают привычные нам по виду дискретные конденсаторы.
Упрощения допустимые при изготовлении самодельного фильтра
Для того, что бы самодельный фильтр, собираемый радиолюбителем, обеспечил заявленные в его описании параметры, необходимо строго следовать всем рекомендациям по геометрии расположения деталей в фильтре, по типам используемых деталей и по методике настройки фильтра.
Однако во многих случаях вполне возможно использовать некоторые упрощения в технологии сборки фильтра. Например, в радиолюбительских условиях фильтр можно собрать в корпусе, спаянном из фольгированного стеклотекстолита, вместо корпуса спаянного из меди или латуни. Но следует обратить внимание на то, что бы стыки корпуса и перегородок между ячейками были тщательно пропаяны. При конструировании фильтра нижних частот, предназначенного для работы совместно с передатчиком мощностью 200 ватт, то есть, конденсаторы которого работают при больших напряжениях и при больших реактивных мощностях, вместо дефицитных конденсаторов с большой реактивной мощностью можно использовать параллельно-последовательное включение нескольких конденсаторов имеющих меньшую реактивную мощность и относительно небольшое рабочее напряжение.
Итак, рассмотрев некоторые теоретические вопросы работы и моделирования фильтров и конструктивные вопросы их изготовления в радиолюбительских условиях, перейдем теперь к практическим конструкциям фильтров, которые можно рекомендовать для повторения радиолюбителями.
Практическая схема трех и четырехзвен-ного фильтра нижних частот
В радиолюбителей литературе описаны, наверное, сотни схем разнообразных фильтров нижних частот. Но из всего этого многообразия каждый радиолюбитель обычно отдает предпочтение только нескольким фильтрам, что были сделаны им или его друзьями, и которые показали себя надежными в работе. Это же касается и меня, поэтому в этой статье будут рассмотрены фильтры нижних частот, которые были сделаны мной и показали себя надежными в работе, легкими в настройке, нетребовательными к разбросу используемым в них деталей. Все эти достоинства успешно сочетают в себе фильтры нижних частот, схемы которых показаны на рис.4.

Эти фильтры можно порекомендовать радиолюбителям как весьма надежные в подавлении гармоник передатчика. Описание этих фильтров было приведено в литературе (Л.З). Схема и конструкция фильтров базируется на реальной конструкции выходного фильтра одного из профессиональных передатчиков. Фильтры можно выполнить для фидерного тракта волновым сопротивлением 50 или 75-Ом. Параметры приведены в табл.1.

Конструкция фильтров показана на рис.5.

Конструктивные данные катушек для изготовления этих фильтров, которые были проверены в реальных конструкциях приведены в табл.2.

В этой таблице представлены рассчитанные и проверенные на практике конструктивные данные катушек индуктивности для выполнения фильтров для передатчиков с выходной мощностью менее 100 Вт и более 200 Вт. В первом случае для выполнения катушек можно применять провод диаметром 0,8 миллиметров, во втором случае для выполнения катушек можно применять провод диаметром 2 миллиметра. Желательно использовать медный посеребренный полированный провод, но вполне удовлетворительные результаты можно получить и при использовании обычного медного эмалированного провода. Длина выводов катушек составляет 5 миллиметров.
Как видно из табл.1, четырехзвенный фильтр обеспечивает большее подавление гармоник передатчика по сравнению с трехзвенным. Поэтому его рекомендуется использовать когда уровень гармоник, производимых передатчиком, имеет большую мощность. Это может быть при работе передатчика на высоких уровнях мощности, или в режиме С. Недостатком же четырехзвенного фильтра является то, что его частота среза, как это видно из табл.1, равна 29-МГц. Поэтому, при использовании четырехзвенного фильтра верхней частью диапазона 10 метров придется пожертвовать. Хотя подавление гармоник трехзвенным фильтром несколько ниже, чем в случае использования четырехзвенного фильтра, как показывает опыт, трехзвенный фильтр во многих случаях сможет обеспечить удовлетворительную фильтрацию гармоник передатчика. Частота среза трехзвенного фильтра составляет 30-МГц, поэтому при его использовании диапазон 10 метров открыт для работы. Что еще немаловажно, трехзвенный фильтр может быть выполнен и настроен даже радиолюбителем с небольшим опытом. Фильтры, показанные на рис.4, на первый взгляд являются необратимыми, то есть, эти фильтры имеют вход, куда подключается передатчик и выход, куда подключается фидер с антенной. Однако, проверка АЧХ фильтров при помощи программы RFSimm99 показала, что на самом деле, практически нет разницы, куда подключать антенну а куда выход передатчика. АЧХ фильтра при этом практически не меняется. Более подробно вопросы, связанные с характеристиками фильтров, будут рассмотрены ниже.
Полный сборник статьи в формате pdf скачать
Григоров И.Н.
Продолжение следует Часть-3
Литература:
2. http://WWW.gsl.net/dl2kq.
3. Долматовский Б. Фильтры гармоник. ж.Радиопюбитепь. KB и УКВ,№3,1996,с.З0.