4.1.7 Электрические фильтры. Классификация фильтров, основные параметры. Элементная база построения фильтров.

Материал по данному вопросу изложен в [5, стр. 249…272; 7, стр.204…215].

Электрические фильтры являются важнейшим элементом, во многом определяющим стоимость, вес, габариты и надежность аппаратуры АСП с ЧРК.

Фильтры предназначены для формирования электрических сигналов с заданными свойствами и выделения определенной области частот спектра.

Классификация фильтров осуществляется по ряду признаков [5].

1. По виду АЧХ выделяют фильтры нижних (ФНЧ), верхних (ФВЧ) частот; полосовые (ПФ) и заграждающие (режекторные, ЗФ или РФ) фильтры. Условные графические обозначения данных фильтров и их типовые частотные характеристики для нормированного коэффициента передачи К_ф и затухания А_ф = -20lgК_ф приведены на рис. 4.50.

 

Рис.4.50 Классификация фильтров по виду АЧХ

 

На частотных характеристиках обычно указывают характерные точки- граничные частоты, для которых значение затухания больше, чем в области пропускания А₀ на заданную величину ΔА (обычно ΔА = 3 дБ).

Для определения области частот задерживания фильтра вводят величину минимально допустимого затухания в этой области А_{ф min} и соответствующую ей частоту f_з. Например, для ФНЧ (рис.4.50) область частот простирается от f_зв до ∞, для ПФ – это области (0; f_зн) и (f_зв; ∞ ).

2. По назначению фильтры АСП делятся на канальные, групповые, направляющие, линейные, вспомогательные.

Канальные фильтры (КФ) на передающей станции служат для формирования полосы частот канального сигнала, на приемной – для разделения полос частот  отдельных каналов. КФ являются полосовыми и включаются на выходах индивидуальных ПЧ передачи и на входах индивидуальных преобразователей приема.

Направляющие фильтры (НФ) разделяют различные частотные полосы, используемые в двухполосных двухпроводных системах для передачи сигналов в противоположных направлениях (рис.4.51). НФ представляют собой сочетание ФНЧ и ФВЧ с одной и той же частотой среза. На ОС один из фильтров включается на выходе передающей части, а второй – на входе приемной. В промежуточных усилительных пунктах НФ включаются на вхлде и выходе усилителей обоих направлений передачи. Качественно характеристики затухания НФ показаны на рис.4.51.

      

Рис.4.51 Направляющие фильтры

 

Линейные фильтры (ЛФ)  служат для разделения спектров разных систем передачи, работающих по одной и той же линии связи. Линейные фильтры подобны НФ и выполняются, как правило, по схеме ФНЧ и ФВЧ с одной частотой среза.

Групповые фильтры (ГФ) служат для выделения одной из боковых полос после группового ПЧ, для защиты группового тракта от помех и т.д. Используются также на переприемных пунктах по ВЧ. В зависимости от назначения ГФ могут быть полосовыми, ФНЧ или ФВЧ. Если ГФ реализуется как ПФ, его можно получить путем последовательного включения ФНЧ и ФВЧ. При этом затухание ПФ равно сумме затуханий ФНЧ и ФВЧ  А_пф(f) = А_нч(f) + А_вч(f) (рис.4.52)

Вспомогательные фильтры (ВФ)  используются для выделения одной частоты или узкой полосы частот. К ВФ относятся фильтры несущих, контрольных и вызывных частот; режекторные фильтры для подавления остатков несущих и контрольных частот; ФНЧ, включаемые на выходе индивидуальных демодуляторов; фильтры для выделения на промежуточных пунктах сигналов служебной связи и тока дистанционного питания.

Рис.4.52 Реализация полосового ГФ

 

Если ВФ реализуется как РФ (ЗФ), его можно получить путем параллельного соединения ФНЧ и ФВЧ. При этом коэффициент передачи РФ равен сумме коэффициентов передачи ФНЧ и ФВЧ (рис.4.53)

 

Рис.4.53 Реализация режекторного (заградительного) ВФ

 

1.     По типу элементов фильтры классифицируются на:

- фильтры на LC-элементах;

- пьезоэлектрические фильтры;

- магнитострикционные фильтры;

- электромеханические фильтры.

LC – фильтры весьма громоздки и часто не могут обеспечить хороших качественных показателей, поскольку добротность катушек индуктивности мала. Главным достоинством LC – фильтров является их дешевизна и простота изготовления. Эти фильтры в основном применяются в качестве ГФ, НФ, ЛФ, ВФ и очень редко – канальных фильтров.

Пьезоэлектрические фильтры основаны на использовании прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта. Каждый пьезоэлектрический кристалл (например, кварца – рис.4.54,а) может быть представлен в виде эквивалентной схемы (рис.4.54,б), где С_к, L_к, R_к – эквивалентные емкость, индуктивность и активное сопротивление кристалла, а С₀ – емкость кварцедержателя. Активное сопротивление кварца R_к намного меньше его реактивного сопротивления. Добротность такого элемента Q_э, определяемая в виде

Q_э = ωL_к/R_к,

очень высока и достигает десятков и сотен тысяч.

Рис.4.54 Пьезоэлектрические фильтры

 

С помощью кристаллов кварца можно строить различные схемы фильтров. В частности, на рис. 4.54, в приведено Т-звено такого фильтра. Ряд достоинств данных фильтров – малые потери, высокая добротность и крутизна склонов АЧХ и др. – делают их незаменимыми при создании канальных фильтров.

К недостаткам кварцевых фильтров можно отнести громоздкость, сложность изготовления, трудности в перестройке и высокую стоимость.

Наряду с естественными кристаллами кварца используют искусственные (пьезокерамика). Пьезокерамические фильтры проще в изготовлении, дешевле, но уступают естественным по параметрам.

Определенные преимущества с точки зрения производства и настройки имеют пьезомеханические фильтры (ПМФ). В них используется преобразование электрической энергии в механическую и обратно (прямой и обратный пьезоэффект), что позволяет получить высокодобротную частотно-избирательную систему. ПМФ используют в качестве КФ. Они дешевле кварцевых  и легче в настройке (подстройке).

К этому же типу фильтров относятся  и фильтры на объемных акустических волнах (ОАВ). Пьезоэлектрическая подложка содержит пары пластин (рис.4.54,г). При подаче на одну пару входного сигнала U_вх(t) из-за прямого пьезоэффекта в подложке благодаря упругим деформациям возникают объемные акустические волны. Они распространяются по подложке фильтра  и достигают выходной пары пластин. В результате обратного пьезоэффекта на обкладках этой пары возникает переменное напряжение U_вых(t). Такая пара пластин эквивалентна паре связанных контуров (рис.4.54,г). Чаще применяется многоконтурная система (рис.4.54,д), которая эквивалентна последовательному соединению нескольких парсвязанных контуров. Фильтры на ОАВ хорошо работают на частотах от 1 до 10 МГц и выше. В аппаратуре АСП с ЧРК они применяются в основном в генераторном оборудовании, а в последнее время – и в качестве полосовых КФ. Кроме того, они широко используются в качестве полосовых и режекторных фильтров в современных телевизионных приемниках для разделения видеосигнала и модулированной поднесущей звукового сопровождения. Обычно подобные фильтры имеют симметричную частотную характеристику.

Для получения более сложных частотных характеристик созданы фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ, рис.4.54,е). Для их создания на пьезоэлектрическую подложку с помощью фотолитографии напыляют тонкие металлические полоски – штыревую электродную структуру, которая вместе с подложкой образует встречно-штыревой преобразователь (ВШП). Изменяя число штырей во входном и выходном ВШП, глубину связи между ними и т.д., можно получить сложные формы АЧХ фильтров на ПАВ. Наиболее эффективно применение таких фильтров в диапазоне частот от 10 до 500…600 МГц и выше. Они широко используются в аппаратуре радиорелейных и спутниковых систем передачи, а также в высокоскоростных волоконно-оптических системах.

Для построения высококачественных фильтров используют также магнитострикционный эффект. Он заключается в том, что если ферромагнитный элемент поместить в магнитное поле, то при изменении напряженности этого поля изменяются и геометрические размеры ферроэлемента. Возможен и обратный магнитострикционный эффект: при изменении размеров ферромагнитного материала на зажимах катушки, намотанной на нем, возникнет переменное напряжение. Пример построения магнитострикционного фильтра (МСФ) показан на рис.4. 55.

 

                     

 

Рис.4.55 Магнитострикционный фильтр

 

Ферритовый стержень, имеющий круглую, прямоугольную или переменную форму поперечного сечения, помещается в постоянное (магниты S-N) и переменное магнитное поле (катушка L_вх, на которую поступает входной сигнал U_вх). В стержне возникают механические колебания (деформации), а в «приемной» части стержня возникает переменное магнитное поле, индуцирующее в катушке L_вых переменное выходное напряжение U_вых.

Более удобны в производстве и настройке (и более дешевы) электромеханические фильтры (ЭМФ), представляющие собой разновидность МСФ. ЭМФ реализуется аналогично пьезомеханическому, но с использованием магнитострикционного эффекта. В АСП с ЧРК ЭМФ широко применяются в качестве канальных ПФ в диапазоне 130…200 кГц [5].

 

Основные параметры электрических фильтров

Основные параметры электрических фильтров можно рассмотреть на примере полосового фильтра, как наиболее общего. Типовая характеристика затухания ПФ представлена на рис.4.56.

 

 

Рис.4.56 Характеристика затухания полосового фильтра

 

При выборе или разработке фильтра задают следующие основные параметры: граничные значения частот для области пропускания фильтра (f₁; f₂); граничные значения частот для области задерживания (0; f₃) и (f₄; ∞); граничные значения частот для переходных областей (f₃; f₁) и (f₂; f₄).

Для области задерживания основным параметром является минимально допустимое значение затухания А_з.min. В полосе пропускания наиболее важно значение среднего затухания А₀ и максимально допустимое отклонение затухания от среднего значения ΔА. Иногда задается поле допуска отклонений, которое в пределах полосы пропускания для каждой частоты имеет свое значение.

В переходной области частот наиболее важным параметром является крутизна характеристики фильтра Ѕ_ф, которая определяется в виде

Ѕ_ф = А_з.min - А₀/ (f₃ - f₁).

При передаче нетелефонных сигналов задают требования  к фазо-частотной характеристике группового времени задержки в полосе пропускания.

При реализации различных соединений фильтров необходимо знать частотные зависимости входных и выходных сопротивлений фильтров в полосе задерживания. В полосе пропускания они, как правило, частотно независимы и вещественны.