9.1. Классификация электрических фильтров

Электрические фильтры являются важнейшим элементом, во многом оп­ределяющим стоимость, вес, габариты и надежность аппаратуры МСП. Фильт­ры предназначены для формирования электрических сигналов с заданными свой­ствами и выделения определенной области частот спектра интересующего нас электрического сигнала. Большое разнообразие фильтров, отличающихся на­значением, видом частотных характеристик, физическими принципами работы и т.п., определяет необходимость предварительной их классификации по ряду признаков.

1. По виду АЧХ выделяют фильтры нижних (ФНЧ) и верхних частот (ФВЧ); полосовые (ПФ) и заграждающие фильтры (ЗФ). Условные графические изоб­ражения этих фильтров и их типовые частотные характеристики для нормированного коэффициента передачи и затухания приведены на рис. 6.1. На частотных характеристиках обычно указывают характерные точки —граничные частоты, для которых значение затухания больше, чем в области про­пускания , на какую-то заданную величину(обычно=3 дБ). Для определения области частот задерживания фильтра вводят величину минимально до­пустимого затухания в этой области и соответствующую ей частоту,Например, для ФНЧ (рис. 6.1, а) область частот простирается от до , дляПФ — это области ()и() (рис. 6.1, в).

2. По назначению фильтры аппаратуры МСП можно разделить на каналь­ные, групповые, направляющие, линейные, вспомогательные.

Канальные фильтры предназначены для выделения одной боковой полосы частот: на стороне передачи — из спектра амплитудно-модулированного ка­нального сигнала, на стороне приема — из спектра группового сигнала. Группо­вые фильтры предназначены для выделения определенной области частот, при­надлежащей стандартной группе в процессе группового преобразования на стороне передачи и приема, а также на переприемных пунктах транзита по ВЧ. Групповые и канальные фильтры обычно являются полосовыми. ПФ можно получить, например, путем последовательного включения фильтров НЧ и ВЧ > (рис. 6.2, а). При этом затухание ПФ будет равно сумме затуханий ФНЧ и ФВЧ (рис. 6.2, б): .

Заграждающий (или режекторный) фильтр можно получить, например, параллельным соединением ФНЧ и ФВЧ (рис. 8.3, а), при этом коэффициент передачи ЗФ равен сумме коэффициентов передачи ФНЧ и ФВЧ:. + (рис. 6.3, б).Направляющие фильтры (НФ) разделяют различные области частот, которые используются в двухполосных системах передачи для передачи сигналов в противоположных направлениях А—Б и Б—А (рис. +6.4). Их используют на всех промежуточных и оконечных станциях.

Характерис­тики затухания направляющих фильтров изображены на рис. 9.5.

Линейные фильтры (ЛФ) предназначены для разделения областей частот, принадлежащих разным системам передачи, которые работают на одной и той же линии связи. В этом случае ЛФ подобны НФ и выполняются, как правило, по схеме ФНЧ или ФВЧ. Для примера на рис. 9.6 указаны характеристики ЛФ для разделения АСП типа В-3 и В-12.

Вспомогательные фильтры используются для выделения одной частоты или узкой полосы частот. К таким фильтрам 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 и т.п.

9.1. Классификация электрических фильтров

Рис. 9.1

Ток дистанционного питания можно отделить от информационного сигна­ла с помощью «вилки» фильтров (см. рис. 6.7): сигнального (СФ) и дистанци­онного питания (ФДП).

Рис. 9.2

Здесь ПДП — плата дистанционного питания. Часто применяется и более простое решение этой задачи (см. рис. 9.8) — за счет мос­товой схемы разделения и высокочастотного линейного трансформатора (ЛТ) со средней точкой.

Рис. 9.3

3. По типу элементов, применяемых в фильтрах, они делятся:

• на фильтры на LС-элементах;

• пьезоэлектрические фильтры (на элементах, использующих пьезоэлект­рический эффект);

• магнитострикционные фильтры (на элементах, использующих магнитоcтрикционный эффект).

В LС-фильтрах используются катушки индуктивности, получаемые путем однослойной или многослойной намотки тонкого изолированного провода на некоторый каркас или непосредственно на магнитный сердечник катушки.

Рис. 9.4 Рис. 9.5

Рис. 9.6

Как правило, LС-фильтры весьма громоздки и зачастую не могут обеспечить хороших качественных показателей, поскольку добротность катушек индуктивности ма­ла. Главными достоинствами £С-фильтров являются их дешевизна и простота изготовления. Эти фильтры в основном применяются в качестве групповых, направляющих, линейных, вспомогательных и очень редко — в качестве ка­нальных фильтров.

Рис. 9.7 Рис. 9.8

Пьезоэлектрические фильтры основаны на использовании следующего физического яв­ления: при приложении к пластине из пьезоэлектрика (например, кристалл кварца) металлических обкладок и подачи на них переменного напряжения (рис. 6.9) в пьезоэлектрике возникают механические колебания, частота и амплитуда которых зависят от ам­плитуды и частоты электрических колебаний и наоборот, при изменении геометрических размеров элемента (механических колебаниях в элементе) в цепи будет возникать переменное напряжение.

Рис. 9.9

Каждый такой кристалл может быть представлен в виде эквивалентной схемы (см. рис. 9.14, б), где — эквивалентные емкость, индуктивность и активное сопротивление кристалла, а— емкость кварцедержателя. Активное сопротивлениекварца намного меньше его реактивного сопротив­ления. Добротность такого элемента, определяемая формулой, очень высока и достигает десятков и сотен тысяч. Как компонент электричес­кой схемы такой пьезоэлемент эквивалентен многорезонансному электричес­кому двухполюснику (рис. 9.14, в).

Хорошие электрические свойства подобных фильтров — малые потери, высо­кая добротность и крутизна склонов АЧХ и другие — делают их незаменимыми при построении каналь­ных фильтров.

Рис. 9.10

К недостаткам кварцевых фильтров можно отнести громоздкость, сложность изготовления, трудность в перестройке и большую стоимость. Кроме естественных кристаллов кварца, используют также искусственные кварцы — пьезокерамику.

Определенные преимущества с точки зрения производства и настройки имеют пьезомеханические фильтры (ПМФ), использующие прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Структурная схема такого фильтра приведена на рис. 6.11. При воздействии переменного напряжения на первый (прямой) пре­образователь 1 изменяются его геометрические размеры. Это изменение пере­дается механическим резонаторам 2 и 3, которые имеют собственные частоты механического резонанса. С выходом механического резонатора 3 механически соединен второй (обратный) пьезопреобразователь 4, который под действием механического резонатора изменяет свои геометрические параметры. Вслед­ствие этого изменяется выходное напряжение (обратный пьезоэффект). Следовательно, в таких системах путем преобразования электрической энергии в механическую и обратно можно получить высокодобротную частотно-избирательную систему. ПМФ применяются в качестве каналь­ных фильтров. Они дешевле кварцевых и легче поддаются настройке (подстройке).

Рис. 9.11

К этому же типу фильтров относятся и фильтры на объемных акустических волнах. Пьезоэлектрическая подложка 3 содержит пары пластин (рис. 9.12, а). При подаче на 1-ю пару входного сигнала из-за прямого пьезоэффектаI в подложке благодаря упругим деформациям образуются объемные акустические волны. Эти волны распространяются по подложке фильтра и достигают [выходной, 2-й пары пластин. В результате обратного пьезоэффекта на обкладках этой пары возникает переменное напряжение . Такая пара пластинэквивалентна паре связанных электрических контуров. Чащеприменяется многокон- турная сис­тема (рис. 6.13), которая эквива­лентна последовательному соединению нескольких пар связанных контуров.

Рис. 9.12

Фильтры на объемных акустических волнах хорошо работа­ ют на частотах от 1 до 10 МГц и выше.

Рис. 9. 13

В аппаратуре МСП они при­меняются в основном в генераторном оборудовании, а в последнее время — и в качестве канальных полосовых фильтров. Кроме того, они широко использу­ются в качестве полосовых и режекторных фильтров в современных телевизи­онных приемниках для разделения видеосигнала и модулирован­ной поднесущей звукового сопровождения. Обычно такой фильтр имеет симметричную частотную характеристику.

Для получения более сложных частотных характеристик разработаны фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) (рис. 9.14). Здесь на пье­зоэлектрическую подложку с помощью фотолитографической технологии на­пыляют тонкие металлические полоски — штыревую электродную структуру, которая совместно с подложкой образует встречно-штыревой преобразователь (ВШП). Изменяя число стержней во входном (ВШП1) и выходном (ВШП2) преобразователях, глубину связи между гребенками и т.д., можно получить раз­личные формы АЧХ фильтров на ПАВ. В качестве примера на рис. 6.15 показа­на АЧХ фильтра на ПАВ, применяемого в тракте промежуточной частоты со­временного телевизионного приемника [12, 35]. Наиболее эффективно применение таких фильтров в диапазоне частот от 10 до 500—600 МГц, где они используются в основном в аппаратуре радиорелейных и спутниковых систем передачи, а также в высокоскоростных волоконно-оптических системах пере­дачи для выделения, например, тактовой частоты цифрового сигнала.

Для построения высококачественных фильтров используют также магнитострикционный эффект. Он заключается в том, что если некоторый ферромаг­нитный элемент поместить в магнитное поле, то при изменении напряженнос­ти этого поля изменяются и геометрические размеры ферроэлемента. Возможен и обратный магнитострикционный эффект: если каким-то путем ме­нять размеры ферромагнитного материала, то на зажимах катушки, намотанной на нем, будет изменяться напряжение.

Построение магнитострикционного фильт­ра (МСФ) показано на рис. 9.16. Ферритовый стержень 3, имеющий круглую, прямоугольную или переменную форму поперечного сечения, помещается в постоянное (за счет магнитов 4) и переменное магнитное поле (за счет катушки, на которую поступает вход­ной сигнал.

Рис. 9.14 Рис. 9.15

В стержне возникают механические колебания, а в «приемной» части стержня образуется переменное магнитное поле, которое индуцирует в ка­тушке Lвых переменное выходное напряжение .

Рис. 916

Более удобны в производстве и настройке, а значит, и более дешевы так называемые электромеханические фильтры (ЭМФ), которые представляют собой разновидность МСФ. ЭМФ строится по такой же схеме, как и пьезомеханический фильтр, однако здесь в преобразователях 1 и 4 используется магнитострикционный эффект. В аппаратуре МСП электромеханические фильтры широко применяются в качестве канальных полосовых фильтров в диапазоне 130—200 кГц. При этом в блоках индивидуального преобразования (при формировании 12-канальной первичной группы) обязательно используются две ступени частотного преобразования.