RU95925U1 - RADIO FREQUENCY FILTER - Google Patents

Abstract

Радиочастотный фильтр, включающий LC-фильтр, состоящий из n резонансных контуров, содержащих катушки индуктивности и конденсаторы, отличающийся тем, что дополнительно по входу и выходу LC-фильтра с характеристиками Баттерворда, Чебышева или Кауэра, согласованного с более низкоомным сопротивлением по отношению к сопротивлению R тракта, введены трансформирующие (согласующие) широкополосные звенья: по входу трансформирующее звено из сопротивления R тракта в более низкоомное сопротивление, по выходу LC-фильтра из более низкоомного в сопротивление R тракта, обеспечивающие согласование низкоомного LC-фильтра и тракта с сопротивлением R. An RF filter, including an LC filter, consisting of n resonant circuits containing inductors and capacitors, characterized in that it further comprises an input and output LC filter with Butterworth, Chebyshev or Cauer characteristics matched with a lower resistance with respect to the resistance R path, transforming (matching) broadband links are introduced: at the input, the transforming link from the resistance R of the path to a lower resistance, the output of the LC filter from the lower resistance to the resistance path R, matching the low-resistance LC filter and the path with resistance R.

Description

Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в области фильтрации радиочастотных сигналов, сигналов промежуточной частоты в радиоприемных устройствах, сигналов возбуждения в возбудителях передающих устройств, функционирующих в диапазоне радиочастот до 100 МГц.The utility model relates to radio engineering and can be used in the field of filtering radio frequency signals, intermediate frequency signals in radio receivers, excitation signals in the exciters of transmitting devices operating in the radio frequency range up to 100 MHz.

При разработке помехоустойчивого, с высоким динамическим диапазоном по входному сигналу радиоэлектронного оборудования, применяемого в диапазоне радиочастот до 100 МГц или имеющего тракт промежуточной частоты в случае супергетеродинного преобразования радиочастоты в данном диапазоне, существует проблема создания малогабаритных, неперестраиваемых, с низкими диссипативными потерями, не подверженных интермодуляционным искажениям и поэтому пассивных фильтров низкой частоты (ФНЧ), высокой частоты (ФВЧ), полосовых фильтров (ПФ) с полосой пропускания более 5%.When developing a noise-resistant, high dynamic range of the input electronic equipment used in the radio frequency range up to 100 MHz or having an intermediate frequency path in the case of superheterodyne conversion of the radio frequency in this range, there is the problem of creating small-sized, non-tunable, with low dissipative losses, not subject to intermodulation distortions and therefore passive low-pass filters (low-pass filters), high-pass filters (high-pass filters), band-pass filters (PF) with a band ropuskaniya more than 5%.

Известна конструкция фильтра на поверхностных акустических волнах (ПАВ-фильтр) [Речицкий В.И. Радиокомпоненты на поверхностных акустических волнах / Речицкий, В.И. - М.: Радио и связь, 1984. - 112 с.] (аналог), состоящая из пьезоэлектрических элементов, принцип действия которой основан на прямом и обратном пьезоэффекте, возбуждении и прохождении поверхностной акустической волны, предназначенная для селектирования радиочастотных сигналов. Однако ПАВ-фильтры применяются в диапазоне частот выше 50 МГц, реализуемы только полосовые фильтры с узкой полосой пропускания не более 10%.A known filter design for surface acoustic waves (SAW filter) [Rechitsky VI Radio components on surface acoustic waves / Rechitsky, V.I. - M .: Radio and communication, 1984. - 112 pp.] (Analog), consisting of piezoelectric elements, the principle of which is based on the direct and inverse piezoelectric effect, the excitation and passage of a surface acoustic wave, designed to select radio frequency signals. However, SAW filters are used in the frequency range above 50 MHz; only band-pass filters with a narrow passband of no more than 10% are realized.

Также известна конструкция кварцевого фильтра [Плонский А.Ф. Кварцевые резонаторы / Плонский, А.Ф. - М.: Госэнергоиздат, 1954. - 96 с.] (аналог), состоящая из пьезоэлектрических элементов, принцип действия которой основан также на прямом и обратном пьезоэффекте, возбуждении и прохождении механических колебаний внутри пьезоэлемента. Как и в предыдущем варианте, реализуемы только полосовые фильтры с узкой полосой пропускания не более 6%, с диссипативными потерями в полосе пропускания более 3 дБ.Also known is the design of a quartz filter [Plonsky AF Quartz resonators / Plonsky, A.F. - M .: Gosenergoizdat, 1954. - 96 pp.] (Analogue), consisting of piezoelectric elements, the principle of which is also based on the direct and inverse piezoelectric effect, the excitation and passage of mechanical vibrations inside the piezoelectric element. As in the previous version, only bandpass filters with a narrow passband of not more than 6%, with dissipative losses in the passband of more than 3 dB, are realized.

Вместе с тем известны конструкции LC-фильтров с характеристиками Баттерворда, Чебышева, Кауэра [Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров / Ханзел, Г.Е. - США, 1969. Пер. с англ., под ред. А.Е. Знаменского. - М.: Сов. радио, 1974. - 288 с.], позволяющие реализовывать ФНЧ, ФВЧ и ПФ с полосой пропускания более 5% (прототип). Конструкции фильтров содержат n резонансных контуров, содержащих катушки индуктивности и конденсаторы, сопряженных по входу и выходу с сопротивлением R.At the same time, LC-filter designs with the characteristics of Butterworth, Chebyshev, and Cauer are known [G. Hanzel Filter Calculation Guide / Hanzel, G.E. - USA, 1969. Per. from English, ed. A.E. Znamensky. - M .: Owls. radio, 1974. - 288 p.], allowing to implement low-pass filters, high-pass filters and PF with a passband of more than 5% (prototype). Filter designs contain n resonant circuits containing inductors and capacitors, coupled at the input and output with resistance R.

Недостатком данной конструкции являются большие номиналы катушек индуктивности при использовании фильтров в диапазоне частот до 100 МГц. Так как, в основном, расчет LC-фильтров проводится при условии согласования их по входу и выходу с сопротивлениями 50 Ом или 75 Ом, то на частотах ниже 100 МГц номиналы входящих в состав данных фильтров катушек индуктивности превышают сотни нГн. Известно, что характеристики фильтров, а именно диссипативные потери и неравномерность в полосе пропускания, зависят от собственной добротности конденсаторов и катушек индуктивности, входящих в их состав. Однако добротность конденсатора на несколько порядков превышает добротность катушки индуктивности, и поэтому, в первую очередь, на параметры фильтра влияет изменение добротности катушек индуктивности. Для того чтобы фильтр в диапазоне частот до 100 МГц имел низкие диссипативные потери и неравномерность в полосе пропускания, необходимо применять высокодобротные катушки индуктивности. При номиналах порядка сотен нГн такие катушки имеют большие размеры и поэтому, значительно возрастают габариты фильтра. Использование малогабаритных катушек индуктивности на каркасах с применением сердечников, с более тонким сечением провода, из которого изготавливается катушка индуктивности приводит к значительному снижению добротности катушки, а, следовательно, и к ухудшению параметров фильтра.The disadvantage of this design is the large ratings of the inductors when using filters in the frequency range up to 100 MHz. Since, basically, the calculation of LC filters is carried out provided that they are matched by input and output with resistances of 50 Ohms or 75 Ohms, then at frequencies below 100 MHz the ratings of the inductance coils included in these filters exceed hundreds of nH. It is known that the characteristics of filters, namely dissipative losses and unevenness in the passband, depend on the intrinsic Q factor of the capacitors and inductors included in their composition. However, the quality factor of the capacitor is several orders of magnitude higher than the quality factor of the inductor, and therefore, first of all, the filter parameters are affected by the change in the quality factor of the inductors. In order for the filter in the frequency range up to 100 MHz to have low dissipative losses and unevenness in the passband, it is necessary to use high-quality inductors. With ratings of the order of hundreds of nH, such coils are large in size and therefore, the dimensions of the filter increase significantly. The use of small-sized inductor coils on frames using cores with a thinner cross-section of the wire from which the inductor is made leads to a significant decrease in the quality factor of the coil, and, consequently, to a deterioration of the filter parameters.

Техническая задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, состоит в применении технических подходов, позволяющих реализовать LC-фильтры с характеристиками Баттерворда, Чебышева, Кауэра с низкими диссипативными потерями и неравномерностью в полосе пропускания за счет применения более высокодобротных катушек индуктивности с меньшими номиналами, чем при расчете фильтров, согласованных по входу и выходу с сопротивлением R тракта и, как следствие, улучшить характеристики фильтров без значительного увеличения их геометрических размеров.The technical problem, which the proposed utility model is aimed at, consists in applying technical approaches that make it possible to implement LC filters with Butterworth, Chebyshev, and Cauer characteristics with low dissipative losses and unevenness in the passband due to the use of higher-quality inductors with lower ratings than when calculating the filters matched by the input and output with the resistance R of the path and, as a result, improve the characteristics of the filters without significantly increasing their geome an insulating sizes.

Поставленная техническая задача решается тем, что в радиочастотный фильтр, включающий LC-фильтр, состоящий из n резонансных контуров, содержащих катушки индуктивности и конденсаторы, дополнительно по входу и выходу LC-фильтра с характеристиками Баттерворда, Чебышева или Кауэра, согласованного с более низкоомным сопротивлением по отношению к сопротивлению R, введены трансформирующие (согласующие) широкополосные звенья: по входу трансформирующее звено из сопротивления R в более низкоомное сопротивление, по выходу LC-фильтра из более низкоомного в сопротивление R, обеспечивающие согласование низкоомного LC-фильтра и тракта с сопротивлением R.The stated technical problem is solved in that in the radio-frequency filter, including an LC filter, consisting of n resonant circuits containing inductors and capacitors, additionally at the input and output of the LC filter with the characteristics of Butterworth, Chebyshev or Cauer, matched with a lower resistance with respect to the resistance R, transforming (matching) broadband links are introduced: at the input, the transforming link from the resistance R to a lower resistance, at the output of the LC filter from a lower resistance R, matching the low-resistance LC filter and the path with the resistance R.

На схеме (фиг.1) представлена конструкция предлагаемой полезной модели, где обозначены: 1 - трансформирующее звено из тракта с сопротивлением R в более низкоомный тракт, 2 - LC-фильтр, 3 - трансформирующее звено из более низкоомного тракта в тракт с сопротивлением R.The diagram (Fig. 1) shows the construction of the proposed utility model, where: 1 - a transforming link from a path with resistance R to a lower resistance path, 2 - an LC filter, 3 - a transforming link from a lower resistance path to a path with resistance R.

Принцип работы полезной модели заключается в том, что радиочастотный сигнал из тракта с сопротивлением R через трансформирующее звено 1, предназначенное для сопряжения тракта с сопротивлением R с более низкоомным трактом, поступает на согласованный с более низкоомным трактом LC-фильтр 2, где селектируется и далее уже отфильтрованный радиочастотный сигнал через трансформирующее звено 3, предназначенное для сопряжения более низкоомного тракта с трактом с сопротивлением R, поступает обратно в тракт с сопротивлением R.The principle of operation of the utility model is that the RF signal from the path with resistance R through the transforming link 1, designed to interface the path with resistance R with a lower resistance path, is fed to the LC filter 2, which is matched with the lower resistance path, where it is selected and then further the filtered radio frequency signal through the transforming link 3, designed to interface the lower impedance path with the path with resistance R, goes back to the path with resistance R.

Известно, что при расчете LC-фильтра номиналы катушек индуктивности и конденсаторов зависят от номинала сопротивления по входу и выходу фильтра. Как видно из формул (1), (2), номинал индуктивности L зависит прямо пропорционально от номинала сопротивления R, номинал емкости С обратно пропорционально от номинала сопротивления R.It is known that when calculating an LC filter, the values of inductors and capacitors depend on the nominal resistance at the input and output of the filter. As can be seen from formulas (1), (2), the inductance rating L depends directly on the resistance rating R, the capacitance rating C is inversely proportional to the resistance rating R.

где f_c - частота среза, Гц.where f _c is the cutoff frequency, Hz.

Также известно, что собственная добротность катушки индуктивности напрямую зависит от ее номинала при неизменных геометрических размерах катушки, так как увеличить номинал возможно только при применении каркасов с сердечниками, более тонкого сечения провода, из которого изготавливается катушка индуктивности. Однако это приводит к значительному снижению добротности катушки.It is also known that the intrinsic quality factor of an inductor directly depends on its nominal value at constant geometrical dimensions of the coil, since it is possible to increase the nominal value only when using frames with cores, a thinner section of the wire from which the inductor is made. However, this leads to a significant decrease in the quality factor of the coil.

Поэтому переход из сопротивления R в более низкоомное сопротивление позволил использовать в составе LC-фильтра катушки индуктивности с меньшими номиналами, чем при расчете фильтра для сопротивления R. Благодаря этому появилась возможность применить более высокодобротные катушки индуктивности без значительного увеличения их размеров, и как следствие, улучшить характеристики фильтра также без значительного увеличения его габаритов.Therefore, the transition from resistance R to a lower resistance made it possible to use inductors with lower nominal values as part of calculating the filter for resistance R. As a result, it became possible to use higher-quality inductors without a significant increase in their size, and as a result, to improve filter characteristics also without a significant increase in its dimensions.

Согласование фильтра с трактом осуществляется широкополосными трансформирующими звеньями. В качестве трансформирующих звеньев могут быть использованы L, С - цепи, трансформаторы на ферритах. L, С - цепи могут применяться при согласовании полосовых фильтров с полосой пропускания до 10%. Трансформаторы на ферритах в отличие от L, С - цепей не обладают частотной зависимостью и могут быть использованы в качестве согласующих звеньев в очень широком диапазоне частот, достигающем 5-10 октав. Несмотря на то, что сами трансформаторы на ферритах имеют собственные диссипативные потери, наблюдается выигрыш в характеристиках фильтра: меньшие затухание и неравномерность в полосе пропускания фильтра по сравнению с фильтрами, рассчитанными при условии согласования их с сопротивлением R за счет применения в несколько раз более высокодобротных катушек индуктивности.Coordination of the filter with the path is carried out by broadband transforming links. As transforming links, L, C - circuits, ferrite transformers can be used. L, C - circuits can be used when matching bandpass filters with a passband of up to 10%. Ferrite transformers, unlike L, C - circuits, do not have a frequency dependence and can be used as matching links in a very wide frequency range, reaching 5-10 octaves. Despite the fact that ferrite transformers themselves have their own dissipative losses, there is a gain in filter characteristics: less attenuation and unevenness in the filter passband compared to filters calculated on condition of matching them with resistance R due to the use of several times higher-quality coils inductance.

Наглядным примером служит реализация нерегулируемого ФНЧ для тракта с сопротивлением 50 Ом с частотой среза 25 МГц с минимальной неравномерностью и затуханием в полосе пропускания от 18,9 до 23,9 МГц. На частоте 37,8 МГц должно быть обеспечено подавление более 30 дБ.A good example is the implementation of an unregulated low-pass filter for a path with a resistance of 50 Ohms with a cut-off frequency of 25 MHz with minimal unevenness and attenuation in the passband from 18.9 to 23.9 MHz. At a frequency of 37.8 MHz, more than 30 dB should be suppressed.

Классическим решением является построение фильтра Чебышева седьмого порядка с коэффициентом отражения 10% с входным и выходным сопротивлением 50 Ом [Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров / Ханзел, Г.Е. - США, 1969. Пер. с англ., под ред. А.Е.Знаменского. - М.: Сов. радио, 1974. - 288 с.].The classic solution is to build a seventh-order Chebyshev filter with a reflection coefficient of 10% with an input and output resistance of 50 Ohms [G. Hanzel Filter Calculation Guide / Hanzel, G.E. - USA, 1969. Per. from English, ed. A.E. Znamensky. - M .: Owls. Radio, 1974. - 288 p.].

Среди малоразмерных неперестраиваемых индуктивностей, выпускаемых серийно, были выбраны индуктивности фирмы Epcos серии В82498, как индуктивности с наиболее высокой собственной добротностью. Однако собственная добротность таких индуктивностей на частоте 25 МГц не превышает 23. В ходе моделирования был построен фильтр (фиг.2) с характеристикой, приведенной на фиг.4 пунктиром, с максимальным затуханием в полосе пропускания от 18,9 до 23,9 МГц 1,94 дБ и неравномерностью 0,6 дБ.Among the small non-tunable inductances manufactured in series, Epcos B82498 series inductors were chosen as inductances with the highest intrinsic Q factor. However, the intrinsic Q factor of such inductances at a frequency of 25 MHz does not exceed 23. During the simulation, a filter (Fig. 2) was constructed with the characteristic shown in Fig. 4 by a dashed line, with a maximum attenuation in the passband from 18.9 to 23.9 MHz 1 , 94 dB and non-uniformity of 0.6 dB.

При пересчете схемы к входному и выходному сопротивлениям, равным 12,5 Ом, был построен фильтр, номиналы катушек индуктивности которого были уменьшены в 4 раза, что позволило использовать неперестраиваемые катушки индуктивности фирмы CoilCraft серии 1812SMS с собственной добротностью 75 на частоте 25 МГц. Данный фильтр (фиг.3) с характеристикой, приведенной на фиг.4 сплошной линией, имеет максимальное затухание в полосе пропускания от 18,9 до 23,9 МГц 0,78 дБ и неравномерность 0,35 дБ.When recalculating the circuit to the input and output resistances equal to 12.5 Ohms, a filter was built, the values of the inductors of which were reduced by 4 times, which allowed the use of non-tunable CoilCraft 1812SMS inductors with an intrinsic Q factor of 75 at a frequency of 25 MHz. This filter (Fig. 3) with the characteristic shown in Fig. 4 by a solid line has a maximum attenuation in the passband from 18.9 to 23.9 MHz of 0.78 dB and an unevenness of 0.35 dB.

Переход из 50 в 12,5 Ом и обратно осуществляется высокочастотными (ВЧ) трансформаторами, реализованными на сердечниках типа М200 ВНП-7 Тр3,5×2,0×2,4 ПЯ0.707.450ТУ с трифилярной намоткой из провода ПЭВТЛ-2 0,1 ТУ16-505.446-77 с количеством витков 4,75. Трансформатор имеет диссипативные потери не более 0,2 дБ в диапазоне частот до 30 МГц. Вместо примененного могут быть использованы покупные ВЧ трансформаторы, обеспечивающие трансформацию из 50 в 12,5 Ом и обратно и имеющие низкие потери в заданном диапазоне частот.The transition from 50 to 12.5 Ohms and vice versa is carried out by high-frequency (HF) transformers implemented on cores of the type M200 VNP-7 Tr3.5 × 2.0 × 2.4 ПЯ0.707.450ТУ with trifilar winding from PEVTL-2 0 wire, 1 TU16-505.446-77 with the number of turns 4.75. The transformer has a dissipative loss of not more than 0.2 dB in the frequency range up to 30 MHz. Instead of the applied one, purchased RF transformers can be used, which provide transformation from 50 to 12.5 Ohms and vice versa and have low losses in a given frequency range.

При макетировании были получены сходящиеся с моделью результаты. Фильтр (фиг.5), согласованный с сопротивлением 50 Ом, с АЧХ, представленной на фиг.6, имеет максимальное затухание в полосе пропускания от 18,9 до 23,9 МГц 1,22 дБ, неравномерность 0,36 дБ, ослабление на частоте 37,8 МГц 33,4 дБ.When prototyping, results were obtained that were consistent with the model. The filter (Fig. 5), matched with a resistance of 50 Ohms, with the frequency response shown in Fig. 6, has a maximum attenuation in the passband of 18.9 to 23.9 MHz 1.22 dB, unevenness 0.36 dB, attenuation by frequency of 37.8 MHz 33.4 dB.

При программно-аппаратном моделировании очевиден выигрыш как по максимальному затуханию (уменьшено на 0,72 дБ), так и по неравномерности (уменьшена на 0,24 дБ) в полосе пропускания фильтра.In hardware-software modeling, the gain is obvious both in the maximum attenuation (decreased by 0.72 dB) and in unevenness (reduced by 0.24 dB) in the filter passband.

Таким образом, предложенная полезная модель позволяет реализовать LC-фильтры с характеристиками Баттерворда, Чебышева, Кауэра с низкими диссипативными потерями и неравномерностью в полосе пропускания за счет применения более высокодобротных катушек индуктивности с меньшими номиналами, чем при расчете фильтров, согласованных по входу и выходу с сопротивлением R в диапазоне частот до 100 МГц и, как следствие, улучшить характеристики фильтров без значительного увеличения их геометрических размеров.Thus, the proposed utility model makes it possible to realize LC filters with Butterworth, Chebyshev, and Cauer characteristics with low dissipative losses and unevenness in the passband due to the use of higher-quality inductors with lower ratings than when calculating filters matched by input and output with resistance R in the frequency range up to 100 MHz and, as a result, improve the characteristics of the filters without significantly increasing their geometric dimensions.

Claims (1)

Радиочастотный фильтр, включающий LC-фильтр, состоящий из n резонансных контуров, содержащих катушки индуктивности и конденсаторы, отличающийся тем, что дополнительно по входу и выходу LC-фильтра с характеристиками Баттерворда, Чебышева или Кауэра, согласованного с более низкоомным сопротивлением по отношению к сопротивлению R тракта, введены трансформирующие (согласующие) широкополосные звенья: по входу трансформирующее звено из сопротивления R тракта в более низкоомное сопротивление, по выходу LC-фильтра из более низкоомного в сопротивление R тракта, обеспечивающие согласование низкоомного LC-фильтра и тракта с сопротивлением R.

A radio-frequency filter, including an LC filter, consisting of n resonant circuits containing inductors and capacitors, characterized in that it additionally has an input and output LC filter with the characteristics of Butterworth, Chebyshev or Cauer, matched with a lower resistance with respect to the resistance R of the path, transforming (matching) broadband links are introduced: at the input, the transforming link from the resistance R of the path to a lower resistance, the output of the LC filter from the lower resistance to the resistance path R, matching the low-resistance LC filter and the path with resistance R.