|
| |
|
Главная
>
Фильтры гармоник отражательнопоглащающие фильтры гармоник отражательнопоглащающие Фильтром называется устройство, предназначенное для выделения из состава сложного электрического колебания, подведенного ко входу фильтра, частотных составляющих, расположенных в заданной частотной области, называемой полосой пропускания фильтра, и подавления частотных составляющих, расположенных в другой, также заданной частотной области, называемой полосой заграждения фильтра. -В зависимости от требований, предъявляемых к взаимному расположению полосы пропускания и полосы заграждения, фильтры могут быть разделены на следующие классы. 1. Фильтры нижних частот. Полоса пропускания фильтра (рис. 1.1а) занимает область от / = 0 до /=/г. Все частоты f>fr относятся к полосе заграждения. 2. Фильтр верхних частот. Полоса заграждения фильтра (рис. 1.16) расположена между частотами /=0 и /=/г. Частоты f>/r соответствуют частотам полосы пропускания. 3. Полоснопропуекающий, или полосовой фильтр. ФильтрИмеет полосу пропускания, ограниченную частотами /-п и fn (рис. l.-ls). 4. Полоснозаграждающий, или режеторный фильтр. Фильтр имеет полосу заграждения, ограниченную частотами / з и /з (рис. 1.1г). Кроме этих основных классов, существует класс более сложных фильтров, характеризующихся наличием нескольких полос пропускания или заграждения. Эти фильтры могут быть условно названы фильтрами с несимметричной частотной }арактеристикой. Из всех указанных выше классов фильтров наибольшее распространение в технике свч получили полосовые фильтры, предлагаемая классификация которых схематически показана на рис. 1.2. В зависимости от отношения ширины полосы пропускания к несущей частоте фильтры могут быть разделены на широкополосные и узкополосные. Примем условно, что широкополосные фильтры имеют полосу пропускания порядка 2% и более, узкополосные <фИ1Льтры гимеют полосу щшускшня. аланее 2%. Поскольку в шшге раоомат-.риваюфся (переслраишемые цр1Иборы свч, а 1ШИ1роко1Юлос1ньте фильтры в ikh- чесгве metpectipaihibiaembix, а к гарааило, 1не 1иодшьзуют1Ся, то в дальнейшем будут ipaidcmatiphibiaitbch только узкоою-лосные фильтры. iB isaibihommoictih от оаида частотной харанстеристйни в полосе трояуакаийя фильтры .могут быть (розделвны на не-аколько ТЕпов. 1. Фильтры с частотной характеристикой, вьиражшной шолино-мом Чебышева neipoono (роИН л-iDo яюрядка (фильт13ы 1С чебышевской характеристикой). Характерной оообанмостью этих фильтров явлиется то, что оми имеют наибольшую 1кр:ути,зну скатов по сравнению с другими фильтрами (црт paBiHOM Ч1исле звеньев) или обвопеч1и-вают заданную крутизну скатов ири меньшем числе звеньев. Это определяет их использование там, где необходимо обеспечить меньшие габариты системы. Недостатками этих фильтров являются нелинейность фазовой характеристики и неравномерность ампли-. тудно-частотной характеристики, которая носит периодический осциллирующий характер. Максимальное значение неравномерности характеристики, а значит, и максимальное значение коэффициента отражения от фильтра будет иметь место в нескольких точках полосы пропускания. Фильтры подобного типа обычно применяются, когда требования, предъявляемые к согласованию фильтра в полосе пропускания, невысоки. 2. Фильтры с .максимально-плоской частотной характеристикой. Характерной особенностью этих фильтров является равномерность амплитудно-частотной характеристики вблизи резонанса и монотонность ее изменения в пределах полосы пропускания. Кроме того, эти фильтры обладают наибольшей линейностью фазовой характеристики. 3. Фильтры с частотной характеристикой, выраженной полиномом Чебышева второго рода п-го порядка. Эти фильтры обладают относительно большой неравномерностью амплитудно-частотной характеристики. Преимуществом таких фильтров является про-   Рнс. >1.1. Идеализированные частотные характеристики фильтров: а) нижних частот; б) верхних частот; в) полоснопро-пускающих; г) полоснозаг-раждающих Фильтр HUMffUX  Фильтр Фильтре несимметричт . частотной тшППФ шщийШ щтгертим Фильтр полот-пропуска-  широкополосные Фильтры узко-палоснк стыиюоскои харатеришилой пвраогорава Фильтры с максимально-плоской тарактераешой Фильтры снеВышебскои характеттикой  Фильтры с чтветьдояноМ связью Фильтры непереетраиВа-емые Фильтры с механической перестройкой шлы, с нетсоедстденной связью Фильтры с злектрической перестройкой Перестраиваемые плавно Перестраиваемые на фиксированные частоты Рнс. 1.2, Классификация фильтров стота изготовления и технологии. Однако они находят ограниченное применение. В дальнейшем будут рассматриваться фильтры с чвбышев1ской и максимально-плоской частотными характеристиками в полосе пропускания. В зависимости от требований, предъявляемых к фильтру в отношении его габаритов и веса а также в зависимости от диапазона использования, фильтры могут быть волноводными, коаксиальными или полосковыми ). *) Полосковые фильтры в печатном исполнении применяются в основной в качестве неперестраиваеиых, а также в качестве электрически перестраиваемых. в зависимости от того, каким образом связаны между собой резонаторы, образующие фильтр в целом, различают: а) фильтры с непосредственной связью между резонаторами; б) фильтры с четвертьволновой связью между резонаторами. Фильтры с непосредственной связью представляют существенный интерес, поскольку их вес и габариты могут быть сделаны значительно меньше, чем вес и габариты фильтров с четвертьволновыми связями. Кроме того, параметры этих фильтров при перестройке в широком диапазоне частот (более 10%) меняются меньше, чем у фильтров с четвертьволновыми связями. Однако применение фильтров с непосредственными связями для больших значений нагруженных добротностей (Q = 200-300) приводит к необходимости реализации высоких проводимостей. Так, например, нормированная реактивная проводимость для фильтра с полосой 0,3% .составит около 100-150. Для воспроизведения таких реактивностей требуется чрезвычайно высокая точность изготовления фильтра. Кроме то-то, возникает ряд дополнительных конструктивных и технологичес ких трудностей, связанных с обеспечением чистоты внутренних поверхностей резонатора и надежности контактов (в случае разборной конструкции), а также с обеспечением пайки и антикоррозийного покрытия. Применение фильтров с четвертьволновыми связями частично устраняет эти трудности, поэтому они находят более широкое распространение. Перестраиваемые фильтры применяются там, где требуется быстрая смена частоты настройки фильтра. Существуют фильтры с электрической и механической перестройкой. Первые из них перестраиваются с помощью изменения электрических и- магнитных полей, управляющих свойствами диэлектриков и ферритов, помещенных в резонатор. Фильтры с электрической перестройкой используются там, где определяющими факторами являются высокая скорость и большой диапазон перестройки частоты. Однако имеющиеся в настоящее время материалы и существующая технология изготовления обусловливают значительные недостатки этих фильтров, ограничивающие их применение. В фильтрах с механической перестройкой частоты перестройка осуществляется путем изменения геометрических размеров резонаторов или путем изменения электрической длины резонатора с помощью переменных реактивностей. Пересцройка фильтра может осуществляться скачками на заранее известные фиксированные волны или плавно во всем частотном диапазоне. В зависимости от этого используются различные конструкции механизмов перестройки. Таким образом, по способу перестройки могут быть указаны три основные группы фильтров: а) неперестраиваемые; б) перестраиваемые дискретно, т. е. на фиксированные частоты; в) перестраиваемые плавно во всем заданном частотном диапазоне. В книге рассматриваются механически перестраиваемые полосовые фильтры с четвертьволновыми связями, в 1.2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СВЧ ФИЛЬТРОВ С ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫМИ СВЯЗЯМИ Обычно расчет фильтров свч базируется на отождествлении фильтров свч и фильтров LCR. При этом не учитываются такие особенности свч цепей, как наличие распределенных постоянных, наличие высших типов волн. Это затрудняет построение законченной, строгой теории расчета свч фильтров. Обычно расчет свч фильтров основывается на синтезе (нахождении конструктивных параметров фильтра по частотной характеристике) по рабочим параметрам, в отличие от фильтров LOR, расчет которых ведется как по характеристичеоким, так и по рабочим параметрам. Чтобы объяснить это отличие, коротко напомним об основных характеристических параметрах: 1) собственная постоянная передачи gc- = *с + i ос. где - собственное затухание, равное половине натурального логарифма отношения кажущихся мощностей на входе и выходе четырехполюсника, т. е. 2 Uh Uc - собственная фазовая постоянная; 2) характеристическое сопротивление Zc- Понятие характеристическое сопротивление можно пояснить следующим образом. Если у нас имеется схема, изображенная на рис. 1.3, то отражения в плоскостях / и будут отсутствовать, если попарно выполняются такие условия: Если выразить Zx и Хвых через соответствующие элементы классической матрицы передачи [а], то можно получить выражения для оптимальных значений z и zr, при которых отсутствуют отражения на обоих концах системы [1]. Эти оптимальные значения сопротивления называются характеристическими сопротивлениями четырехполюсника и играют такую же роль, как характеристическое сопротивление длинной линии. Физический смысл характеристического сопротивления - это входное сопротивление бесконечной цепочки одинаковых четырехполюсников, включенных навстречу друг другу (рис. 1.4). Из определения характеристического сопротивления видно, что оно условно и практически носит приближенный характер, поскольку нельзя реализовать бесконечную цепочку четы- Рис. 1.3. Схема полюсиика согласования четырех-
|
