RU2225672C2 - Low-frequency filter for short-wave transmitter - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering. SUBSTANCE: proposed filter has unidirectionally wound inductance coils 1 through 4 and capacitors 4 through 10 used in Kauertz low-frequency filter. Newly introduced in filter are additional capacitors 15, 16, first lead of capacitor 15 being connected to input of inductance coil 1 and second lead of capacitor 15, to inductance coil 2 adjacent to inductance coil 1. Fist lead of capacitor 16 is connected to input of inductance coil 2 and second lead of capacitor 16, to output of inductance coil 3 adjacent to inductance coil 2. Part of energy in low-frequency filter where inductance coils 1 through 3 are not separated by screens is transferred from inductance coil 1 to inductance coil 2 through magnetic field 13 and from inductance coil 2 to inductance coil 3, through magnetic field 14; that is why attenuation in suppressed frequency band of filter will be lower than that rated for classic filter at same frequencies. EFFECT: reduced size of filter rated at same parameters. 1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в фильтрующей системе коротковолновых передатчиков. The invention relates to radio engineering and can be used in a filtering system of short-wave transmitters.

Для передачи высокочастотных сигналов с подавленными до требуемого уровня гармоническими составляющими в диапазоне коротких волн используются фильтры нижних частот (ФНЧ) с характеристикой Чебышева или Кауэра, тип и структура которых выбираются из необходимости обеспечения требований по затуханию в полосах пропускания и заграждения. To transmit high-frequency signals with harmonic components suppressed to the required level in the shortwave range, low-pass filters (LPFs) with the Chebyshev or Cauer characteristics are used, the type and structure of which are selected from the need to ensure attenuation requirements in the passband and obstacle band.

Для выполнения требований, соответствующих фильтрам с нормированными значениями элементов [1], конструкция фильтра должна отражать электрическую схему, в которой все элементы имеют расчетные значения номиналов, а внесхемные электромагнитные связи отсутствуют. Реализация этих требований возможна в конструкции, содержащей электромагнитные экраны между индуктивностями, или при достаточно большом их пространственном разнесении [2, стр. 554]. Оба этих варианта зачастую конструктивно неприемлемы из-за возрастающих габаритных размеров ФНЧ; положение усугубляется в тех случаях, когда в конструкции передатчика используются несколько переключаемых фильтров. To fulfill the requirements corresponding to filters with normalized values of the elements [1], the filter design must reflect an electrical circuit in which all elements have rated values, and there are no off-circuit electromagnetic connections. The implementation of these requirements is possible in a design containing electromagnetic screens between inductances, or with a sufficiently large spatial diversity [2, p. 554]. Both of these options are often structurally unacceptable due to the increasing overall dimensions of the low-pass filter; the situation is aggravated when several switchable filters are used in the design of the transmitter.

Использование сильной магнитной связи между двумя индуктивностями приводит к канонической схеме с уменьшенным количеством конденсаторов [3, стр. 26, 58, 59]. Однако этот вариант схемы не может быть использован в ФНЧ коротковолнового передатчика по следующим причинам:
1. Количество индуктивностей в схеме не уменьшается.Using a strong magnetic coupling between the two inductances leads to a canonical circuit with a reduced number of capacitors [3, p. 26, 58, 59]. However, this version of the circuit cannot be used in the low-pass transmitter low-pass filter for the following reasons:
1. The number of inductances in the circuit does not decrease.

2. Обеспечение сильной связи между витками индуктивностей, намотанных проводниками большого диаметра без общего магнитопровода, невозможно. 2. Ensuring a strong connection between the turns of inductances wound by conductors of large diameter without a common magnetic circuit is impossible.

3. Появляется электромагнитная связь в следующей смежной паре индуктивностей ФНЧ. 3. An electromagnetic coupling appears in the next adjacent pair of low-pass filter inductances.

Для уменьшения габаритных размеров ФНЧ в его конструкции возможно использование индуктивностей с взаимно перпендикулярным расположением осей на одной плоскости [2, стр. 554], что значительно уменьшает электромагнитную взаимосвязь между индуктивностями, но при этом некоторые индуктивности могут оказаться соосными, что приводит к возникновению магнитной связи с коэффициентом связи К=0.05...0.2. To reduce the overall dimensions of the low-pass filter in its design, it is possible to use inductances with a mutually perpendicular arrangement of the axes on the same plane [2, p. 554], which significantly reduces the electromagnetic relationship between the inductances, but some inductances may turn out to be coaxial, which leads to magnetic coupling with a coupling coefficient K = 0.05 ... 0.2.

Конструкция подобных фильтров описана в [2, стр. 554] и выбрана в качестве прототипа. The design of such filters is described in [2, p. 554] and selected as a prototype.

Анализ амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) ФНЧ, в котором между смежными индуктивностями, в том числе и при их взаимно-перпендикулярном расположении, имеется электромагнитная связь, показывает, что затухание в полосе заграждения становится значительно меньше затухания соответствующего фильтра Кауэра [1]. Это объясняется наличием эквивалентной индуктивности L между входом одной индуктивности L_К и выходом смежной с ней другой L_К+1

где М - коэффициент взаимоиндукции.An analysis of the amplitude-frequency characteristics (AFC) of the low-pass filter, in which there is an electromagnetic coupling between adjacent inductances, including when they are mutually perpendicular, shows that the attenuation in the obstacle band becomes much less than the attenuation of the corresponding Cauer filter [1]. This is explained by the presence of an equivalent inductance L between the input of one inductance L _K and the output of another LK _{+ 1} adjacent to it

where M is the mutual induction coefficient.

Знак "минус" в числителе выбран для индуктивностей с одинаковым направлением навивки. The minus sign in the numerator is selected for inductances with the same winding direction.

При наличии магнитной связи и, следовательно, эквивалентной индуктивности L часть энергии в полосе заграждения передается через магнитную связь, минуя LC-контуры в продольной ветви, которые определяют полюсы затухания, в связи с чем затухание ФНЧ в полосе заграждения будет много меньше расчетного. In the presence of magnetic coupling and, therefore, equivalent inductance L, a part of the energy in the barrier band is transmitted through magnetic coupling, bypassing the LC circuits in the longitudinal branch, which determine the attenuation poles, and therefore the attenuation of the low-pass filter in the barrier band will be much less than the calculated one.

Задача изобретения - обеспечение расчетных параметров ФНЧ [1] в малогабаритной конструкции. The objective of the invention is the provision of the calculated parameters of the low-pass filter [1] in a compact design.

Указанная задача решается тем, что ФНЧ коротковолнового передатчика, содержащий индуктивности с одинаковым направлением навивки и конденсаторы, входящие в состав фильтра нижних частот Кауэра, содержит дополнительные конденсаторы, причем первый вывод одного из них подключается к входу одной индуктивности фильтра, а второй его вывод к выходу последующей, смежной с предыдущей. This problem is solved by the fact that the low-pass filter low-pass filter, containing inductors with the same winding direction and the capacitors included in the Cauer low-pass filter, contains additional capacitors, the first output of one of them being connected to the input of one filter inductance, and the second output to the output subsequent, adjacent to the previous one.

Для уменьшения негативного воздействия взаимоиндукции между инпуктивностями ФНЧ целесообразно ввести параллельно индуктивности L конденсатор с емкостью

где f₀ - частота сформированного полюса затухания в полосе заграждения;

где f_К, f_К+1 - частоты полюсов затухания, определяемые (L_К, C_К) и (Z_К+1, C_К+1) - контурами продольной ветви, имеющими между собой магнитную связь.To reduce the negative effect of mutual induction between the inductances of the low-pass filter, it is advisable to introduce a capacitor L with a capacitance in parallel with the inductance

where f ₀ is the frequency of the formed attenuation pole in the obstacle;

where f _K , f _{K + 1} are the frequencies of the attenuation poles determined by (L _K , C _K ) and (Z _{K + 1} , C _{K + 1} ) are the contours of the longitudinal branch, which are magnetically coupled to each other.

Поскольку L>>L_К, L>>L_К+1, то резонансный контур (L,C) будет в достаточно широкой полосе частот заграждения вносить в передаточную характеристику фильтра затухание, позволяющее приблизить АЧХ анализируемого фильтра к АЧХ соответствующего фильтра Кауэра [1].Since L >> L _K , L >> L _{K + 1} , then the resonant circuit (L, C) will introduce attenuation into the transfer characteristic of the filter in a fairly wide band of frequencies of the barrier, allowing to bring the frequency response of the analyzed filter to the frequency response of the corresponding Cauer filter [1] .

Сопоставительный анализ рассматриваемой схемы с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается по структуре и по соединениям, следовательно, оно соответствует критерию "новизна". Использование индуктивностей с взаимно перпендикулярным их расположением в конструкции фильтра широко известно, однако применение дополнительного конденсатора, первый вывод которого соединен с входом одной индуктивности, а второй вывод с выходом другой индуктивности, смежной с предыдущей, позволяет устранить негативное воздействие конструктивной магнитной связи между упомянутыми индуктивностями, из чего следует вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия". A comparative analysis of the considered circuit with the prototype shows that the claimed device is different in structure and in connections, therefore, it meets the criterion of "novelty." The use of inductances with their mutually perpendicular arrangement in the filter design is widely known, however, the use of an additional capacitor, the first output of which is connected to the input of one inductance, and the second output with the output of another inductance adjacent to the previous one, eliminates the negative effect of the constructive magnetic coupling between the mentioned inductances, from which the conclusion follows that the technical solution meets the criterion of "significant differences".

На фиг.1 изображена схема анализируемого ФНЧ Кауэра, состоящего из индуктивностей 1, 2, 3, конденсаторов 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, входного 11 и выходного 12 зажимов, входящих в состав ФНЧ Кауэра, и магнитных связей 13, 14 между индуктивностями 1, 2 и 2, 3, а также из дополнительных конденсаторов 15, 16. Figure 1 shows a diagram of the analyzed LPF Cauer, consisting of inductors 1, 2, 3, capacitors 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, input 11 and output 12 terminals included in the LPF Cauer, and magnetic connections 13, 14 between inductors 1, 2 and 2, 3, and also from additional capacitors 15, 16.

На фиг.2 изображена схема ФНЧ, эквивалентная анализируемой схеме фиг.1, в которой вместо магнитных связей 13 и 14 показаны индуктивности 17 и 18. Figure 2 shows the low-pass filter circuit, equivalent to the analyzed circuit of figure 1, in which instead of magnetic connections 13 and 14 shows the inductance 17 and 18.

На фиг.3 изображена конструкция ФНЧ, в которой индуктивности 1, 2, 3 установлены без разделительных экранов. Оси индуктивностей 1 и 2 взаимно параллельны, но перпендикулярны к оси индуктивности 3. Между индуктивностями 1, 2 и 2, 3 имеются магнитные связи М, показанные на фиг.1 как 13 и 14. Магнитная связь между индуктивностями 1, 3 незначительна, т.к. оси их взаимно перпендикулярны и расстояние между ними достаточно велико. Figure 3 shows the design of the low-pass filter, in which the inductors 1, 2, 3 are installed without dividing screens. The axes of inductors 1 and 2 are mutually parallel, but perpendicular to the axis of inductance 3. Between inductors 1, 2 and 2, 3 there are magnetic couplings M, shown in Fig. 1 as 13 and 14. The magnetic coupling between inductors 1, 3 is negligible, i.e. to. their axes are mutually perpendicular and the distance between them is quite large.

Устройство работает следующим образом. Входной сигнал через зажим 11 поступает на индуктивность 1, конденсаторы 4, 5 и передается как в схеме фильтра Кауэра через индуктивности 2, 3 и конденсаторы 6, 7, 8, 9, 10 к выходному зажиму 12. В конструкции ФНЧ, не содержащей экранов между индуктивностями, часть энергии передается от индуктивности 1 к индуктивности 2 через магнитное поле 13, а от индуктивности 2 к индуктивности 3 через магнитное поле 14, вследствие чего затухание в полосе заграждения анализируемого фильтра будет меньше расчетного затухания на тех же частотах для фильтра Кауэра. The device operates as follows. The input signal through terminal 11 is fed to inductance 1, capacitors 4, 5 and transmitted as in the Cauer filter circuit through inductors 2, 3 and capacitors 6, 7, 8, 9, 10 to output terminal 12. In the design of the low-pass filter that does not contain shields between inductances, part of the energy is transferred from inductance 1 to inductance 2 through magnetic field 13, and from inductance 2 to inductance 3 through magnetic field 14, as a result of which the attenuation in the obstacle band of the analyzed filter will be less than the calculated attenuation at the same frequencies for the Cauer filter.

Вместо элементов магнитной связи 13, 14 ФНЧ фиг.1 на фиг.2 используются индуктивности 17 и 18, входящие в состав П-образной схемы замещения трансформаторной связи. Дополнительные емкости 15, 16 на фиг.1 и фиг.2 предназначены для компенсации токов через магнитные связи 13, 14 на фиг.1 или через индуктивности 17, 18 на фиг.2, вследствие чего влияние этих цепей на передаточные свойства ФНЧ в полосе заграждения значительно уменьшается, и АЧХ анализируемого фильтра с магнитными связями в конструкции без экранов приближается к АЧХ фильтра Кауэра. Instead of the magnetic coupling elements 13, 14 of the low-pass filter of FIG. 1, FIG. 2 uses inductances 17 and 18, which are part of the U-shaped transformer coupling equivalent circuit. Additional capacitance 15, 16 in figure 1 and figure 2 are designed to compensate for currents through magnetic coupling 13, 14 in figure 1 or through inductors 17, 18 in figure 2, as a result of which the influence of these circuits on the transfer properties of the low-pass filter in the obstacle significantly decreases, and the frequency response of the analyzed filter with magnetic coupling in the design without screens approaches the frequency response of the Cauer filter.

Приблизить АЧХ ФНЧ с магнитными связями между смежными индуктивностями к АЧХ ФНЧ Кауэра можно установкой дополнительного конденсатора по минимальному отклонению по частоте от расчетных значений полюсов затухания в полосе заграждения. Того же результата можно добиться расчетным путем по измеренному значению затухания в полосе заграждения, отличающемуся от расчетного, и последующим вычислениям коэффициента связи и номинала дополнительного конденсатора. Положительные экспериментальные данные подтверждаются расчетами. It is possible to approximate the LPF frequency response with magnetic coupling between adjacent inductors to the Cauer LPF frequency response by installing an additional capacitor for the minimum frequency deviation from the calculated values of the attenuation poles in the obstacle band. The same result can be achieved by calculation using the measured attenuation value in the obstacle band, which differs from the calculated one, and subsequent calculations of the coupling coefficient and the value of the additional capacitor. Positive experimental data are confirmed by calculations.

В конструкции ФНЧ 7-го порядка с характеристикой Кауэра, не содержащей экранов между индуктивносгями с одинаковым направлением навивки, составило 26 dB вместо расчетного значения 40 dB. После использования в схеме этого ФНЧ двух дополнительных конденсаторов затухание в полосе заграждения составило не менее 38 dB, что достаточно близко к расчетному значению 40 dB. In the design of the 7th order low-pass filter with a Cauer characteristic that does not contain shields between inductors with the same winding direction, it was 26 dB instead of the calculated value of 40 dB. After using two additional capacitors in the circuit of this low-pass filter, the attenuation in the obstacle band was at least 38 dB, which is fairly close to the calculated value of 40 dB.

Источники информации
1. Г. Ханзел. Справочник по расчету фильтров. М.: Советское радио, 1974.Sources of information
1. G. Hansel. Reference for the calculation of filters. M .: Soviet Radio, 1974.

2. Н. Д. Босый. Электрические фильтры. Киев, Гос. изд. технической литературы УССР, 1959. 2. N. D. Barefoot. Electric filters. Kiev, State. ed. technical literature of the USSR, 1959.

3. Р.Зааль. Справочник по расчету фильтров. М.: Радио и связь, 1983. 3. R. Zaal. Reference for the calculation of filters. M .: Radio and communications, 1983.

Claims (1)

Фильтр нижних частот коротковолнового передатчика, содержащий индуктивности с одинаковым направлением навивки и конденсаторы, входящие в состав фильтра нижних частот Кауэра, отличающийся тем, что он содержит дополнительные конденсаторы, причем первый вывод дополнительного конденсатора подключен к входу одной индуктивности фильтра, а второй его вывод - к выходу смежной с ней последующей индуктивности.The low-pass filter of the short-wave transmitter, containing inductances with the same winding direction and capacitors included in the Cauer low-pass filter, characterized in that it contains additional capacitors, the first output of the additional capacitor connected to the input of one filter inductance, and the second output to the output of the adjacent inductance adjacent to it.

Images