RU2536392C2 - Narrow-band lc-filter - Google Patents

Abstract

FIELD: physics, radio.

SUBSTANCE: proposed device relates to radio electronics and may be used in various devices of selection and processing of signals used in communications equipment. A narrow-band LC-filter comprises the first capacitor, the first inductance coil, to the second output of which the second capacitor is connected, the second output of which is the output of the filter and is connected to the third capacitor, the second outputs of the first and third capacitors are connected to a common bus, at the same time to the first output of the first capacitor there is the fourth capacitor connected, the second output of which is connected to the fifth capacitor and the second inductance coil, at the same time the second output of the fifth capacitor is connected to the first output of the third capacitor, the second output of the second inductance coil is connected to the common bus.

EFFECT: increased steepness of AFC filter slopes.

2 cl, 5 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к радиоэлектронике и может быть использовано в различных устройствах селекции и обработки сигналов, применяемых в аппаратуре связи.The proposed device relates to electronics and can be used in various devices for the selection and processing of signals used in communication equipment.

При проектировании средств радиосвязи, например, приемников эталонных частот, частот бедствия и т.п. часто используют полосовые LC-фильтры, которые наряду с высоким подавлением помех должны обеспечивать минимально возможное рабочее затухание в полосе пропускания. Среди многих существующих схем полосовых фильтров для этих целей может быть использована схема, содержащая первый конденсатор, к первому выводу которого подключена первая катушка индуктивности, второй вывод которого соединен со вторым конденсатором, второй вывод которого соединен с выходом фильтра и третьим конденсатором, при этом вторые выводы первого и третьего конденсаторов соединены с общей шиной. Эта схема представляет собой каскадное соединение двух известных полузвеньев полосовых фильтров [1] и выбрана в качестве прототипа. Фильтр-прототип является фильтром первого класса по затуханию и первого класса по характеристическому сопротивлению, содержащим минимальное число индуктивных элементов, что позволяет уменьшить величину рабочего затухания в полосе пропускания. Недостатком прототипа является недостаточная крутизна скатов его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), обусловленная тем, что фильтр не имеет полюсов затухания на конечных частотах.When designing radio communications, for example, reference frequency receivers, distress frequencies, etc. LC bandpass filters are often used, which, along with high interference suppression, should provide the lowest possible operational attenuation in the passband. Among the many existing bandpass filter circuits, a circuit containing a first capacitor can be used for these purposes, the first output of which is connected to the first inductor, the second output of which is connected to the second capacitor, the second output of which is connected to the output of the filter and the third capacitor, while the second conclusions the first and third capacitors are connected to a common bus. This scheme is a cascade connection of two well-known half-links of band-pass filters [1] and is selected as a prototype. The prototype filter is a filter of the first class according to the attenuation and the first class according to the characteristic resistance, containing the minimum number of inductive elements, which reduces the amount of working attenuation in the passband. The disadvantage of the prototype is the lack of steepness of the slopes of its amplitude-frequency characteristics (AFC), due to the fact that the filter does not have attenuation poles at finite frequencies.

Задачей изобретения является увеличение крутизны скатов АЧХ фильтра.The objective of the invention is to increase the slope of the slopes of the frequency response of the filter.

Поставленная задача решается тем, что в фильтр, содержащий первый конденсатор, первый вывод которого является входом фильтра и подключен к первой катушке индуктивности, ко второму выводу которой подключен второй конденсатор, второй вывод которого является выходом фильтра и подключен к третьему конденсатору, вторые выводу первого и третьего конденсаторов соединены с общей шиной, дополнительно введены четвертый и пятый конденсаторы, а также вторая катушка индуктивности, при этом к первому выводу первого конденсатора подключен четвертый конденсатор, второй вывод которого соединен с пятым конденсатором и второй катушкой индуктивности, при этом второй вывод пятого конденсатора соединен с первым выводом третьего конденсатора, второй вывод второй катушки индуктивности соединен с общей шиной.The problem is solved in that in the filter containing the first capacitor, the first output of which is the input of the filter and connected to the first inductor, the second output of which is connected to the second capacitor, the second output of which is the output of the filter and connected to the third capacitor, the second output of the first and the third capacitors are connected to a common bus, the fourth and fifth capacitors, as well as the second inductor, are additionally introduced, while a fourth is connected to the first output of the first capacitor a capacitor, the second terminal of which is connected to the fifth capacitor and the second inductor, while the second terminal of the fifth capacitor is connected to the first terminal of the third capacitor, the second terminal of the second inductor is connected to a common bus.

Кроме того, фильтр имеет второй вариант выполнения, который отличается от первого варианта тем, что к первому выводу первого конденсатора подключен шестой конденсатор, второй вывод которого соединен с входной потенциальной клеммой фильтра и с седьмым конденсатором, второй вывод седьмого конденсатора соединен с общей шиной, к первому выводу третьего конденсатора подключен восьмой конденсатор, второй вывод которого соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра и с девятым конденсатором, второй вывод девятого конденсатора соединен с общей шиной.In addition, the filter has a second embodiment, which differs from the first embodiment in that the sixth capacitor is connected to the first output of the first capacitor, the second output of which is connected to the input potential terminal of the filter and the seventh capacitor, the second output of the seventh capacitor is connected to a common bus, to the eighth capacitor is connected to the first terminal of the third capacitor, the second terminal of which is connected to the output potential terminal of the filter and the ninth capacitor, the second terminal of the ninth capacitor is connected a common bus.

Сопоставительный анализ показывает, что заявленное техническое решение отличается от прототипа тем, что в устройство дополнительно введены четвертый и пятый конденсаторы и вторая катушка индуктивности, при этом к первому выводу первого конденсатора подключен четвертый конденсатор, второй вывод которого соединен с пятым конденсатором и второй катушкой индуктивности, при этом второй вывод пятого конденсатора соединен с первым выводом третьего конденсатора, второй вывод второй катушки индуктивности соединен с общей шиной. Кроме того, во втором варианте выполнения к первому выводу первого конденсатора подключен шестой конденсатор, второй вывод которого соединен с входной потенциальной клеммой фильтра и с седьмым конденсатором, второй вывод седьмого конденсатора соединен с общей шиной, к первому выводу третьего конденсатора подключен восьмой конденсатор, второй вывод которого соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра и с девятым конденсатором, второй вывод девятого конденсатора соединен с общей шиной.Comparative analysis shows that the claimed technical solution differs from the prototype in that the fourth and fifth capacitors and the second inductor are additionally introduced into the device, while the fourth capacitor is connected to the first output of the first capacitor, the second output of which is connected to the fifth capacitor and the second inductor, wherein the second terminal of the fifth capacitor is connected to the first terminal of the third capacitor, the second terminal of the second inductor is connected to a common bus. In addition, in the second embodiment, the sixth capacitor is connected to the first terminal of the first capacitor, the second terminal of which is connected to the input potential terminal of the filter and the seventh capacitor, the second terminal of the seventh capacitor is connected to a common bus, the eighth capacitor is connected to the first terminal of the third capacitor, the second terminal which is connected to the potential output terminal of the filter and to the ninth capacitor, the second terminal of the ninth capacitor is connected to a common bus.

При сравнении заявленного устройства не только с прототипом но и с другими техническими решениями, известными в науке и технике, не обнаружены решения, обладающие сходными признаками.When comparing the claimed device, not only with the prototype but also with other technical solutions known in science and technology, solutions with similar features were not found.

На фиг.1 представлена электрическая схема первого варианта исполнения фильтра. Фильтр содержит первый конденсатор 1, первый вывод которого соединен с первой катушкой индуктивности 2, второй вывод которой соединен со вторым конденсатором 3, ко второму выводу которого подключен третий конденсатор 4. Вторые выводы первого и третьего конденсаторов соединены с общей шиной. Кроме того, к первому выводу первого конденсатора 1 подключен четвертый конденсатор 5, ко второму выводу которого подключены вторая катушка индуктивности 6 и пятый конденсатор 7, второй вывод катушки индуктивности 6 соединен с общей шиной, а пятый конденсатор 7 соединен с первым выводом третьего конденсатора 4.Figure 1 presents the electrical circuit of the first embodiment of the filter. The filter contains a first capacitor 1, the first output of which is connected to the first inductor 2, the second output of which is connected to the second capacitor 3, the third capacitor 4 is connected to the second output of the second. The second outputs of the first and third capacitors are connected to a common bus. In addition, the fourth capacitor 5 is connected to the first output of the first capacitor 1, the second inductor 6 and the fifth capacitor 7 are connected to the second output of the second capacitor 7, the second output of the inductor 6 is connected to a common bus, and the fifth capacitor 7 is connected to the first output of the third capacitor 4.

Второй вариант выполнения фильтра представлен электрической схемой, приведенной на фиг.2. Здесь введены дополнительно шестой, седьмой, восьмой и девятый конденсаторы. Шестой конденсатор 8 подключен к первому выводу первого конденсатора 1, второй вывод конденсатора 8 соединен с входной потенциальной клеммой фильтра и с седьмым конденсатором 9, второй вывод которого соединен с общей шиной. Восьмой конденсатор 10 подключен к первому выводу конденсатора 4, второй вывод конденсатора 10 соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра и с девятым конденсатором 11, второй вывод которого соединен с общей шиной.The second embodiment of the filter is represented by the electrical circuit shown in figure 2. Here, an additional sixth, seventh, eighth and ninth capacitors are introduced. The sixth capacitor 8 is connected to the first terminal of the first capacitor 1, the second terminal of the capacitor 8 is connected to the input potential terminal of the filter and to the seventh capacitor 9, the second terminal of which is connected to a common bus. The eighth capacitor 10 is connected to the first terminal of the capacitor 4, the second terminal of the capacitor 10 is connected to the output potential terminal of the filter and to the ninth capacitor 11, the second terminal of which is connected to a common bus.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В силу симметрии схема, приведенная на фиг.1, может быть представлена ее мостовым эквивалентом с сопротивлениями ветвей Z_a и Z_b, схемы которых показаны на фиг.3.By virtue of symmetry, the circuit shown in FIG. 1 can be represented by its bridge equivalent with the resistance of the branches Z _a and Z _b , the circuits of which are shown in FIG. 3.

Сопротивления Z_a и Z_b, выраженные через значения элементов, можно записать следующим образом:Resistances Z _a and Z _b expressed in terms of element values can be written as follows:

Здесь L₁ - половинное значение индкутивности катушки 2Here L ₁ - half the value of the inductance of the coil 2

L₂ - удвоенное значение индуктивности катушки 6L ₂ - double the value of the inductance of the coil 6

C₁ - удвоенное значение емкости конденсатора 3C ₁ - doubled value of capacitor 3

С₂ - емкость конденсаторов 5 и 7C ₂ - capacitance of capacitors 5 and 7

C₃ - емкость конденсаторов 1 и 4.C ₃ - capacitance of capacitors 1 and 4.

Выберем частоты резонансов реактивных сопротивлений Z_a и Z_b в соответствии с фиг.4.Choose the resonance frequency of the reactances Z _a and Z _b in accordance with figure 4.

В этом случае схема имеет второй класс по затуханию и первый класс по характеристическому сопротивлению. Полоса пропускания фильтра расположена между частотами ω₁ и ω₃.In this case, the circuit has a second class in attenuation and a first class in characteristic impedance. The passband of the filter is located between the frequencies ω ₁ and ω ₃ .

Для того чтобы частота параллельного резонанса двухполюсника Z_a совпадала с частотой последовательного резонанса двухполюсника Z_b, необходимо выполнить следующее условие:In order for the parallel resonance frequency of the two-terminal network Z _{a to} coincide with the frequency of the serial resonance of the two-terminal network Z _b , the following condition must be fulfilled:

$$\frac{L_1}{L_2}=\frac{C_2}{C_1}\cdot \frac{C_1+C_2+C_3}{C_2+C_3}\left(\text{2}\right)$$

$$\frac{L_{\mathrm{one}}}{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="L"\; filenames="00000006.png,00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">L</figure-callout>}}_2}=\frac{C_2}{C_{\mathrm{one}}}\cdot \frac{C_{\mathrm{one}}+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="C"\; filenames="00000006.png,00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">C</figure-callout>}}_2+C_3}{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="C"\; filenames="00000006.png,00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">C</figure-callout>}}_2+C_3}\left(\text{2}\right)$$

Выбирая значения индуктивностей L₁ и L₂ мостового эквивалента равными для номинального характеристического сопротивления Z_m, получим:Choosing the values of the inductances L ₁ and L _{2 of the} bridge equivalent equal to the nominal characteristic resistance Z _m , we obtain:

Используя соотношения (1) и (3) с учетом условия (2), получим формулы для расчета элементов схемы фиг.1:Using relations (1) and (3), taking into account condition (2), we obtain formulas for calculating the elements of the circuit of figure 1:

$$\begin{array}{l}{L}_1=L_2=\frac{Z_m{\omega }_3}{\sqrt{\left({\omega }_2^2-{\omega }_1^2\right)\left({\omega }_3^2-{\omega }_2^2\right)}}{\text{ C}}_{\text{1}}=\frac{1}{L_1{\omega }_1^2}\\ {\text{C}}_{\text{2}}=\frac{1}{L_1{\omega }_2^2}{\text{ C}}_{\text{3}}=\frac{C_2^2}{C_1-C_2}\left(\text{4}\right)\end{array}$$

$$\begin{array}{l}{L}_{\mathrm{one}}={\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="L"\; filenames="00000006.png,00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">L</figure-callout>}}_2=\frac{Z_m{\omega }_3}{\sqrt{\left({\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\omega "\; filenames="00000006.png,00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">\omega </figure-callout>}}_2^2-{\omega }_{\mathrm{one}}^2\right)\left({\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="\omega "\; filenames="00000006.png,00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">\omega </figure-callout>}}_3^2-{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\omega "\; filenames="00000006.png,00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">\omega </figure-callout>}}_2^2\right)}}{\text{C}}_{\text{one}}=\frac{\mathrm{one}}{L_{\mathrm{one}}{\omega }_{\mathrm{one}}^2}\\ {\text{<figure-callout id="2" label="C" filenames="00000006.png,00000009.png" state="{{state}}">C</figure-callout>}}_{\text{2}}=\frac{\mathrm{one}}{L_{\mathrm{one}}{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\omega "\; filenames="00000006.png,00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">\omega </figure-callout>}}_2^2}{\text{<figure-callout id="3" label="C" filenames="00000006.png,00000009.png" state="{{state}}">C</figure-callout>}}_{\text{3}}=\frac{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="C"\; filenames="00000006.png,00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">C</figure-callout>}}_2^2}{C_{\mathrm{one}}-C_2}\left(\text{four}\right)\end{array}$$

Рассчитанный по этим формулам фильтр, приведенный на фиг.1, будет соответствовать мостовому эквиваленту, в котором реализуются два полюса затухания на конечных частотах. Подобный аналог мостового эквивалента, выполненный с использованием кварцевых резонаторов, приведен в работе [2].The filter calculated according to these formulas shown in FIG. 1 will correspond to the bridge equivalent, in which two attenuation poles at finite frequencies are realized. A similar analogue of the bridge equivalent, made using quartz resonators, is given in [2].

В случае, когда величины индуктивностей получаются неудобными для реализации, используется второй вариант выполнения этого фильтра, приведенный на фиг.2. Если в схему, состоящую из катушек индуктивности 2, 6 и конденсаторов 3, 5, 7, являющуюся фрагментом схемы фиг.1, на входе и выходе подключить конденсаторы, имеющие емкость С₀>C₂+C₃, можно получить эквивалент исходной схемы, заменив значения индуктивностей и емкостей этой схемы соответствующим образом. После этой процедуры пара емкостей C₃ и C₀ при использовании преобразований Нортона [3] заменяются тремя конденсаторами 9, 8 и 1 на входе и конденсаторами 4, 10, 11 на выходе фильтра. Выбирая соответствующий коэффициент трансформации n, получим необходимые, удобные для реализации значения элементов фильтра.In the case when the values of the inductances are inconvenient for implementation, the second embodiment of this filter, shown in FIG. 2, is used. If in the circuit consisting of inductors 2, 6 and capacitors 3, 5, 7, which is a fragment of the circuit of Fig. 1, at the input and output, connect capacitors having a capacitance C ₀ > C ₂ + C ₃ , you can get the equivalent of the original circuit, replacing the inductances and capacitances of this circuit accordingly. After this procedure, a pair of capacitors C ₃ and C ₀ using Norton transforms [3] are replaced by three capacitors 9, 8 and 1 at the input and capacitors 4, 10, 11 at the output of the filter. Choosing the appropriate transformation coefficient n, we obtain the necessary values of filter elements that are convenient for implementation.

На фиг.5 приведены сравнительные АЧХ двух фильтров на частоту 2 МГц, один из которых содержит два каскадно включенных звена, выполненных по схеме фиг.1, второй содержит четыре каскадно включенных звена фильтра прототипа. Фильтры содержат по четыре катушки индуктивности с добротностью 150 ед., обеспечивают вносимое затухание на средней частоте 2 дБ при относительной ширине полосы пропускания менее 9%. При этом первый из них обеспечивает существенно лучшую крутизну скатов АЧХ.Figure 5 shows the comparative frequency response of two filters at a frequency of 2 MHz, one of which contains two cascade-connected links made according to the scheme of figure 1, the second contains four cascade-connected links of the prototype filter. The filters contain four inductors with a quality factor of 150 units, provide insertion attenuation at an average frequency of 2 dB with a relative bandwidth of less than 9%. In this case, the first of them provides a significantly better slope of the slopes of the frequency response.

Источники информацииInformation sources

1. Н.Д. Босый. Электрические фильтры. Изд. техн. Лит. УССР, Киев, 1957. стр.169, рис.81.1. N.D. Barefoot. Electric filters. Ed. tech. Lit. USSR, Kiev, 1957. p. 169, Fig. 81.

2. Великин Я.И., Гельмонт З.Я., Зелях Э.В. Пьезоэлектрические фильтры. М.: Изд. «Связь», М. 1966, стр.140-141.2. Velikin Y.I., Helmont Z.Ya., Zelyakh E.V. Piezoelectric filters. M .: Publishing. “Communication”, M. 1966, pp. 140-141.

3. Чернее Х.И. Индуктивные связи и трансформации в электрических фильтрах. М., Связьиздат, 1962, стр.195, 244.3. Blacker H.I. Inductive coupling and transformations in electric filters. M., Svyazizdat, 1962, p. 195, 244.

Claims (2)

1. Узкополосный LC-фильтр, содержащий первый конденсатор, первый вывод которого является входом фильтра и подключен к первой катушке индуктивности, ко второму выводу которой подключен второй конденсатор, второй вывод которого является выходом фильтра и подключен к третьему конденсатору, вторые выводы первого и третьего конденсаторов соединены с общей шиной, отличающийся тем, что к первому выводу первого конденсатора подключен четвертый конденсатор, второй вывод которого соединен с пятым конденсатором и второй катушкой индуктивности, при этом второй вывод пятого конденсатора соединен с первым выводом третьего конденсатора, второй вывод второй катушки индуктивности соединен с общей шиной.1. A narrow-band LC filter containing a first capacitor, the first output of which is the input of the filter and connected to the first inductor, the second output of which is connected to a second capacitor, the second output of which is the output of the filter and connected to the third capacitor, the second conclusions of the first and third capacitors connected to a common bus, characterized in that a fourth capacitor is connected to the first output of the first capacitor, the second output of which is connected to the fifth capacitor and the second inductor, and the second terminal of the fifth capacitor is connected to the first terminal of the third capacitor, the second terminal of the second inductor is connected to a common bus. 2. Узкополосный LC-фильтр по п.1, отличающийся тем, что к первому выводу первого конденсатора подключен шестой конденсатор, второй вывод которого соединен с седьмым конденсатором и входной потенциальной клеммой фильтра, второй вывод седьмого конденсатора соединен с общей шиной, к первому выводу третьего конденсатора подключен восьмой конденсатор, второй вывод которого соединен с девятым конденсатором и выходной потенциальной клеммой фильтра, второй вывод девятого конденсатора соединен с общей шиной. 2. The narrow-band LC filter according to claim 1, characterized in that the sixth capacitor is connected to the first terminal of the first capacitor, the second terminal of which is connected to the seventh capacitor and the input potential terminal of the filter, the second terminal of the seventh capacitor is connected to a common bus, to the first terminal of the third the eighth capacitor is connected to the capacitor, the second terminal of which is connected to the ninth capacitor and the output potential terminal of the filter, the second terminal of the ninth capacitor is connected to the common bus.

Images