Выходные фильтры - Часть1

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 

Физика работы усилителей мощности высокой частоты такова, что при своей работе любой усилитель мощности, как бы хорошо он не был настроен, создает некоторый уровень внеполосных излучений. То есть, при подаче на его вход усиливаемого сигнала одной частоты, на выходе усилителя мощности будут присутствовать не только усиленный сигнал этой частоты, но и сигналы других частот, которые радиолюбители называют гармониками. Наравне с основным сигналом гармоники через фидер проникают в антенну и излучаются в эфир. В зависимости от своей мощности и частоты, эти излученные гармоники могут вызвать помехи телевизионному и радио приему, а также другой радиоаппаратуре. Для устранения проникновения внеполосных сигналов от выходного каскада в антенну, радиолюбители между выходным каскадом передатчика и фидером антенны устанавливают фильтр внеполосных излучений. Этот фильтр пропускает в фидер антенны полезный усиленный сигнал и не пропускает сигналы гармоник.

Построение такого фильтра для радиолюбителей облегчено тем, что обычно частоты внеполосных сигналов лежат выше спектра частот, излучаемых передатчиком при своей работе. Следовательно, установленный на выходе коротковолнового любительского передатчика фильтр нижних частот, который эффективно обрезает все сигналы выше определенной частоты, обычно, выше 30 МГц, поможет устранить помехи телевизионному приему при работе любительского передатчика.
В настоящее время можно приобрести весьма недорого очень приличные коммерческие фильтры нижних частот, например производства UA4CC. Однако, даже имея небольшой опыт в конструировании любительской аппаратуры, можно попробовать изготовить фильтр внеполосных излучений самостоятельно. Для изготовления фильтра нижних частот, эффективно подавляющего гармоники передатчика, потребуется надежная схема такого фильтра, несколько метров толстого медного провода, десяток конденсаторов, несколько кусков фольгированного стеклотекстолита, пара высокочастотных разъемов, немного терпения, аккуратности и конечно удачи.
В этой статье будет дано описание нескольких проверенных многими радиолюбителями схем простых, но эффективных фильтров нижних частот, которые может собрать даже начинающий радиолюбитель. Обладая набором измерительного оборудования, можно проверить параметры этих фильтров, подстроить их частотную характеристику, провести различные эксперименты с ними.
ФИЛЬТРЫ
Для того, что бы нам была понятно дальнейшее повествование, рассмотрим, что за устройство называют фильтром, и какие параметры фильтра интересны для радиолюбителя прежде всего.
Фильтр это четырехполюсник (то есть, устройство, имеющее два входных вывода и два выходных), служащий для селекции сигналов по частоте, и пропускающий в свою нагрузку лишь ту часть спектра, которая находится в пределах области его прозрачности. Спектральные составляющие других частот, которые как говорят, находятся в области непрозрачности фильтра, поступают в нагрузку фильтра с большим ослаблением.
Фильтры различают по частотным характеристикам. Радиолюбители обычно сталкиваются с фильтрами трех типов. Это фильтр верхних частот, фильтр нижних частот, и полосовой фильтр. Рассмотрим, в чем их отличия друг от друга.
Фильтр нижних частот, это фильтр, область прозрачности которого простирается от области нулевых частот, или от постоянного тока, до некоторой определенной частоты.
Фильтр верхних частот, это фильтр, область прозрачности которого находится выше некоторой определенной частоты и простирается до бесконечности.
Полосовой фильтр, это фильтр, область прозрачности которого начинается от некоторой определенной нижней частоты и заканчивается некоторой определенной верхней частотой.

Рис. 1 показывает характеристику фильтра верхних (рис.1 а), нижних частот (рис. 1б) и полосового фильтра (рис.1 в). На этом рисунке разъяснены такие важные параметры фильтра как полоса пропускания, область задерживания, глубина подавления в области задерживания, область прозрачности, затухание в области прозрачности, частота среза фильтра. Выделяют еще такой важный параметр фильтра, как крутизна скатов. Чем меньшую область частот на частотной характеристике фильтра занимает переход от полосы пропускания к полосе задерживания, тем больше крутизна скатов фильтра.
Для эффективного подавления внеполосных излучений необходим фильтр, обладающий небольшим затуханием в своей полосе пропускания, значительным подавлением в полосе непрозрачности, имеющий крутые скаты характеристики при переходе от полосы прозрачности к полосе непрозрачности, и характеристическое сопротивление по входу и выходу, равные сопротивлению нагрузки и генератора. О таком важном параметре фильтра как характеристическое сопротивление, будет сказано ниже. А сейчас рассмотрим, как можно практически определить, какой амплитудно - частотной характеристикой (или сокращенно АЧХ) из показанных на рис.1, обладает наш фильтр.
Снятие АЧХ фильтра
Рассмотрим, как наиболее просто можно снять АЧХ фильтра. Для этого собирается схема, показанная на рис.2. Фильтр подключают к высокочастотному генератору, выходное сопротивление которого равно характеристическому сопротивлению фильтра, выход генератора нагружают на нагрузку, сопротивление которой равно характеристическому сопротивлению фильтра. Параллельно входу и выходу фильтра включают вольтметры. Снимают зависимость от частоты генератора значения высокочастотного напряжение на входе фильтра, и на его выходе. На основании этих значений строят график АЧХ фильтра, примеры которых показаны на рис.1.
Обратите внимание на следующую особенность построения графиков АЧХ фильтра. Затухание фильтра, которое на графике обозначают буквой «А», может быть построено в нескольких масштабах. Например, если данные по фильтру сняты экспериментально, согласно схеме приведенной на рис.2, то сразу представляется, что наиболее просто построить АЧХ фильтра в Линейном масштабе.

В этом случае, затухание «А» равно отношению выходного и входного напряжения вольтметров (см. рис.2) установленных на входе и выходе фильтра. Однако линейный масштаб во многих случаях не очень удобен. Как правило, хороший фильтр может обеспечить ослабление мощности гармоник сигнала в полосе задерживания фильтра в 1000 и более раз. График амплитудно - частотной характеристики такого фильтра, построенный в линейном масштабе, будет выглядеть не наглядно. Для более удобного графического отображения амплитудно - частотной характеристики фильтра, затухание фильтра, как правило, строят в Логарифмическом масштабе. В этом случае откладывают десятичный логарифм отношения напряжений, действующих на входе и выходе фильтра. Логарифмический масштаб позволяет отследить как малые, так и большие изменения происходящие в АЧХ фильтра.

Однако, оперировать величиной подавления по напряжению во многих случаях нерационально. Действительно, пользователям фильтра важнее знать, как гармоники, поступающие на вход фильтра, ослабляются этим фильтром по мощности, чем иметь сведения, об ослаблении гармоник фильтра по напряжению. По этой причине, практически всегда, по умолчанию, график затухания фильтра строят как отношение мощности сигнала рассеиваемого в нагрузке к мощности, действующей на входе фильтра. Именно такие графики приведены практически во всей технической литературе, расчет затухания фильтра по мощности осуществляют компьютерные программы моделирования фильтров. Если уж используют график отношения напряжений на входе и выходе фильтра, то это оговаривают особо.
Как правило, при экспериментальном обмере фильтра, его АЧХ строят только на основании измерения напряжения на входе и выходе фильтра, поскольку, зная это напряжение, сопротивление нагрузки фильтра и генератора, характеристическое сопротивление фильтра, можно легко перейти к построению АЧХ фильтра в логарифмическом масштабе мощностей. На рис.2 показан пример расчета логарифмического затухания фильтра по мощности на основе показаний вольтметров, установленных на фильтре. Для того, что бы
пользоваться этой методикой, необходимо чтобы характеристическое сопротивление фильтра было постоянным во всем диапазоне частот обмера фильтра. Однако, это бывает крайне редко. Давайте же рассмотрим, что же такое за параметр характеристическое сопротивление фильтра.
Характеристическое сопротивление фильтра.
В предыдущем параграфе было рассмотрено, как можно практически снять и построить АЧХ фильтра. Однако, фильтр имеет еще два важных параметра, которые не отображены на амплитудно - частотных характеристиках, показанных на рис.1, но о которых необходимо помнить при работе с фильтрами. Это входное и выходное характеристическое сопротивление фильтра, обозначаемое как ZBX и Zвых. Эти сопротивления должно быть равны соответственно сопротивлению генератора, к которому подключен фильтр, и сопротивлению нагрузки, на которую нагружен фильтр. Если между фильтром, передатчиком и нагрузкой используется линия передачи (например, коаксиальный кабель), то волновое сопротивление линии передачи должно быть согласовано с характеристическим сопротивлением фильтра и сопротивлением нагрузки. При неравенстве характеристического входного и выходного сопротивления фильтра сопротивлению генератора и нагрузки, в тракте, где включен фильтр, возникают отражения сигналов от этого фильтра.
Радиолюбители, как правило, имеет дело с фильтрами, в которых входное и выходное характеристические сопротивления одинаковы. В этом случае говорят просто о характеристическом сопротивлении фильтра. На практике это означает, что фильтр имеющий, например, характеристическое сопротивление 50-Ом, предназначен для того, чтобы он был подключен на выход передатчика, рассчитанного на работу с нагрузкой 50-Ом, и что к этому фильтру будет подключен коаксиальный кабель волновым сопротивлением 50-Ом, к которому будет подключена антенна входным сопротивлением 50-Ом.
Однако, есть специальные трансформирующие фильтры, имеющие разное характеристическое сопротивление по входу и выходу. Задача этих фильтров не только осуществить фильтрацию сигнала передатчика, но и обеспечить трансформацию сопротивлений, например, сопротивления фидера 50-Ом, в который включен трансформирующий фильтр, в сопротивление антенны, равное, например, 75-Ом (диполь) или 240-Ом (петлевой вибратор). Специальные трансформирующие фильтры практически не применяются в радиолюбительской практике (мы не будем относить согласующие устройства, имеющие все признаки трансформирующего фильтра, и широко используемые радиолюбителями в своей работе в эфире, к этой категории фильтров), и по этой причине в этой статье мы на них останавливаться не будем. Рис.3 показывает обычное подключение фильтра нижних частот, имеющего входное и выходное характеристическое сопротивление равное волновому сопротивлению коаксиального кабеля в любительских условиях. Остановимся более подробно на работе схемы, показанной на рис.3.

Итак, что покажет КСВ - метр №1, включенный на выходе передатчика? Теоретически, при равенстве характеристического сопротивления фильтра волновому сопротивлению коаксиального кабеля и согласованной антенне этот КСВ метр должен показывать значение КСВ равное 1:1. Однако, на практике, этот КСВ метр обычно показывает значение КСВ большее, чем 1:1, в нашем примере на рис. 15.3 показано значение КСВ равное 1,5:1. А вот КСВ - метр №2 на практике обычно показывает значение КСВ равное 1:1, конечно, если входное сопротивление антенны согласовано с волновым сопротивлением линии передачи и характеристическим сопротивлением фильтра. Почему же это так происходит?
Дело в том, что практически невозможно выполнить фильтр, будь то фильтр нижних или верхних частот или полосовой фильтр, имеющий характеристическое сопротивление, согласованное с волновым сопротивлением линии передачи во всем диапазоне радиочастот, от нуля герц до десятков гигагерц. Как правило, производят согласование характеристического сопротивление фильтра с волновым сопротивлением коаксиального кабеля только в полосе прозрачности фильтра. Об этом, обычно оговаривается в техническом описании на фильтр, а если такого упоминания нет, то это подразумевается по умолчанию.
Следовательно, для высокочастотных гармоник передатчика, которые поступают на вход фильтра нижних частот, и которые должен подавить фильтр, характеристическое сопротивление фильтра не будет равно волновому сопротивлению линии передачи. Следовательно, произойдет отражение высокочастотных гармоник от входа фильтра на выход передатчика, и КСВ - метр № 1 покажет некоторое значение КСВ этих гармоник, существующее в отрезке коаксиального кабеля соединяющего передатчик и фильтр.
Обратите внимание на то, что показания КСВ метра № 1 будут носить качественный характер, который не отражает истинного значения КСВ в коаксиальном кабеле. Это происходит по следующим причинам. Во первых, на этот КСВ - метр будет действовать суммарное напряжение всех высокочастотных гармоник, отразившихся от фильтра. Во вторых, радиолюбителями для измерения КСВ, как правило, используются КСВ - метры отражательного типа, которые имеют высокую чувствительность на высоких частотах. Примеры конструкций КСВ - метров отражательного типа приведены, например, в литературе (Л.1). Например, если к КСВ- метру отражательного типа для измерения значений КСВ в антенно-фидерном тракте на частотах диапазона 160 метров необходимо подвести 100 ватт, то уже на диапазоне 144-МГц для проведения подобных измерений хватит и 1 ватта. Так что, даже высшие гармоники небольшой мощности, присутствующие в фидере, могут вызвать значительное отклонение стрелки КСВ -метра № 1. Этим и вызвано то, что КСВ - метр № 1 может показывать большое значение КСВ. А вот КСВ - метр № 2 обычно уже показывает значение КСВ в фидере равное 1:1. Действительно, практически всегда радиолюбителями используется согласованная антенна, входное сопротивление которой согласовано с волновым сопротивлением коаксиального кабеля. На эту антенну подается очищенное фильтром высокочастотное напряжение, не содержащее в своем составе высших гармоник. Поэтому, КСВ-метр №2 показывает значение КСВ в этом участке фидера равное 1:1.
Итак, используя схему, приведенную на рис.3, можно качественно судить о том, создает ли высшие гармоники его передатчик, и давятся ли эти гармоники фильтром. Чем выше значение КСВ, показываемое КСВ - метром № 1, тем больше гармоник производит передатчик, а показания КСВ - метра № 2 равные 1:1 говорят о том, что фильтр нижних частот, установленный в фидер между передатчиком и антенной, эффективно подавил эти гармоники.
Полный сборник статьи в формате pdf скачать
Продолжение следует Часть-2
Григоров И.Н.
Литература:
1. Григоров И.Н. Антенны. Настройка и согласование. - М.: ИП Радиософт, 2002.

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Счетчик тИЦ и PR