конспект лекций за второй семестр преподаватель Ляхова 2 (22_Фильтры)

Посмотреть архив целиком

Фильтры


Основные функциональные разновидности фильтров:

- нижних частот (high-pass filter) - ФНЧ,

- верхних частот (low-pass filter) - ФВЧ,

- полоснопропускающие - ППФ,

- полоснозаграждающие - ПЗФ.

Рис. Амплитудно – частотные характеристики фильтров ФНЧ и ФВЧ.


Рис. Амплитудно – частотные характеристики фильтров ППФ и ПЗФ.

Частотный мультиплексор – это частотно – разделительное устройство с несколькими выходами: 2 – диплексер (Diplexer), 3 – триплексер, 4 – квадриплексер. Используется как для деления, так и объединения нескольких сигналов (частотных каналов). Улучшению развязки и согласования каналов способствуют ФВЧ и ФНЧ.


Рис. Амплитудно – частотные характеристики фильтров диплексеров и триплексеров.

Рис. Структура диплексера на полосу частот 8 – 18 ГГц.


При работе с общей широкополосной антенной для смещенных по частоте полос одновременной передачи и приема (дуплексная связь) используется дуплексер (Duplexer). Частотное разделение каналов приемника и передатчика обеспечивают ППФ и ПЗФ и невзаимные устройства (направленные ответвители, ферритовые вентили и циркуляторы). Они предотвращают попадание мощного сигнала собственного передатчика на вход чувствительного малошумящего усилителя приемника.


Рис. Структурная схема дуплексера с циркулятором.


Рис. Сравнительные амплитудно-частотные характеристики диплексера и дуплексера.


Основные характеристики фильтров.


Характеристики


Средняя частота


Полоса пропускания (ПП)


Полоса перестройки


Полоса заграждения (ПЗ)


Затухание в ПП

По уровню минус 3 дБ

Затухание в ПЗ

По уровню минус 40 дБ

Крутизна ската переходной области

Актуальна для близкорасположенных каналов. Определяет число звеньев фильтра.

Уровень согласования по входу и выходу

Минимизация помех

Уровень мощности

Для каналов передатчика

Тип линии передачи

Габариты, вес

Фазовые


Варианты реализации фильтров.




Синтез параметров фильтра.


Для расчета фильтров обычно используется параметрический синтез низкочастотного фильтра – прототипа. Рассчитанные данные в значениях элементов с сосредоточенными параметрами могут быть заменены их эквивалентами с распределенными параметрами.

Для аппроксимации частотных характеристик затухания чаще используются

- максимально плоская на основе полинома Баттерворда,

- равноволновая на основе полинома Чебышева.

При одинаковом числе звеньев и полосе пропускания большую крутизну спада амплитудно – частотных характеристик (АЧХ) имеет фильтр с равноволновой аппроксимацией. Однако его фазо – частотная характеристика (ФЧХ) менее линейна.


Рис. (а) - максимально плоская характеристика затухания фильтра – прототипа нижних частот, (б) – равноволновая характеристика затухания фильтра – прототипа нижних частот.


Рис. Амплитудно – частотная характеристика ППФ Баттерворда на полосу частоту 100МГц с различным числом звеньев.


В зависимости от выбранных аппроксимационной характеристики и числа звеньев строится лестничная схема фильтра прототипа нижних частот. Величины gn (от 1 до n) выбираются в справочной литературе.

Рис. Пример лестничных схем фильтра прототипа нижних частот.


Параметры фильтра прототипа преобразуются структурно и по частоте. Z0 – входное сопротивление. ωс - частота среза для ФНЧ и ФВЧ и средняя частота для ППФ и ПЗФ. Lk и Ck - преобразованные параметры фильтров. ω2, ω1верхняя и нижняя граничные частоты полосы пропускания ППФ и ПЗФ. Ширина полосы пропускания:

Для ФНЧ структура фильтра прототипа не изменяется.

Для ФВЧ преобразование эквивалентно инверсии частотной оси (индуктивности и емкости меняются местами).

Для ППФ индуктивность трансформируется в последовательный колебательный контур, а емкость - в параллельный колебательный контур.



Рис. Пример фрагмента ППФ.


Для ПЗФ емкость трансформируется в последовательный колебательный контур, а индуктивность - в параллельный колебательный контур.


Рис. Пример эквивалентной схемы ПЗФ.


Таблица преобразований параметров фильтра прототипа.

Элементы прототипа

ФНЧ

ФВЧ

ППФ

ПЗФ

Индуктив-ность Lk

Емкость Ck



Пример расчета ППФ с аппроксимацией Чебышева с неравномерностью 0.5 dB, N=3, ωс= 1 ГГц, Z0 = 50 Ом, Δ = 10%. Параметры фильтра прототипа:

g1 = 1.5963 = L1

g2 = 1.0967 = C2

g3 = 1.5963 = L3

Рис. Эквивалентная схема фильтра прототипа и трансформированная схема ППФ.


Преобразованные параметры ППФ:





Фильтры на элементах с сосредоточенными параметрами.


Фильтры метрового и дециметрового диапазонов обычно формируются из элементов с сосредоточенными параметрами. Т - четырехполюсник представляет собой фильтр верхних частот (Tee network high-pass filter), а П - четырехполюсник –фильтр нижних частот (Pi network low-pass filter).


А Б

Рис. (А) - Т - четырехполюсник ФВЧ, (Б) = П – ФНЧ.



Рис. Толстопленочные RC-элементы


Фильтры на элементах с квазисосредоточенными параметрами.


Фильтры на элементах с квазисосредоточенными параметрами.


Рис. ФНЧ на отрезках МПЛ, имитирующих индуктивные и емкостные элементы (они не являются резонаторами или трансформаторами).


Рис. (b) и (c) – Топология квазиемкостных элементов в виде «крыльев бабочки» или «трилистника».




Рис. ФНЧ с квазисосредоточенными элементами Т – четырехполюсника.




Фильтры на элементах с распределенными параметрами.


Для построения фильтров используются в основном следующие элементы: шлейфы, разомкнутые и короткозамкнутые резонаторы. Типы связи: индуктивная (непосредственный контакт), емкостная (через зазор), электромагнитная (связанные линии).


Рис. Виды подключения элементов фильтров к передающей линии и их эквивалентные схемы.




Полуволновые резонаторы с емкостной связью


Полуволновые резонаторы с электромагнитной связью

Изогнутые резонаторы с комбинированной связью («гарпин» структура)


Встречно – стержневая структура

Четвертьволновые короткозамкнутые шлейфы


Рис. Топология ФНЧ на элементах с распределенными параметрами:

а - на МПЛ; б - на щелевых линиях





Рис. Устройство, работающее в диапазоне частот от 10.7  до 11.8  ГГц. Металлизированные отверстия позволяют подавить не-ТЕМ колебания.


Фильтры на комбинированных элементах.


Сочетание элементов с распределенными и сосредоточенными параметрами позволяет выполнить повышенные требования к фильтрам, например, повысить крутизну АЧХ.


Рис. ППФ на связанных резонаторах (а) – обычный, () – с дополнительными индуктивно – емкостными резонаторами Кауэра.


Рис. Топология и фото фильтра на комбинированных элементах.





Рис. ПЗФ в виде комбинации щелевой линии и МПЛ. Уровень связи резонаторов с основным МПЛ трактом регулируется различным расположением щелевых резонаторов.

А Б

Рис. ФВЧ на 3 ГГц: (А) – на лицевой поверхности располагаются квазисосредоточенные параллельные и последовательные емкости, (Б) – на обратной стороне – по 2 разомкнутых щелевых резонатора.