Фильтрация сигналов промежуточной частоты (ПЧ) осуществляется, как правило, путем использования серийно выпускаемых кварцевых или монолитных фильтров, номенклатура которых чрезвычайно разнообразна. Для ряда устройств, таких, как преселекторы, системы с многократным преобразованием частоты, линии задержки в системах подавления импульсных помех, избирательные каскады в приемниках специального назначения, необходимо разрабатывать индивидуальные схемные решения. Во всех случаях желательно применять устройства минимальной сложности.
Учитывая вышесказанное, рассмотрим реализацию кварцевых полосовых избирательных цепей в виде решетчатых структур 2-го и 4-го порядков с характеристиками, аппроксимированными функциями Чебышева, Баттерворта и Гаусса, а также в виде многозвенных лестничных структур 2, 3 и 4-го порядков с чебышевской характеристикой. Все эти фильтры, как
правило, реализуются путем соединения стандартных, выпускаемых серийно избирательных элементов. В дальнейшем изложении используются основные определения и понятия, относящиеся к полосовым фильтрам, приведенные в разд. 1.3 при описании L/C-цепей.
Рассмотрим полосовые фильтры, имеющие решетчатую структуру. Фильтры данного типа, реализованные на основе наиболее распространенных, серийно выпускаемых кварцевых резонаторов, и представленная ниже простая методика их проектирования позволяют получить типичное значение относительной ширины полосы пропускания Вр ~ 0,02-0,35%, т.е. 200-3500 Гц на 1 МГц, что, впрочем, не является значительным ограничением для основных практически важных случаев.
На рис. 1.51 изображены соответствующие функции для фильтров с различными характеристиками. Следует отметить, что значение затухания на частотах f
cl и fc2 для всех характеристик составляет 3 дБ, и это позволяет осуществить их непосредственное сравнение. На рис. 1.52 и 1.53 приведены рекомендуемые схемы фильтров и формулы для их проектирования. В табл. 1.11 даны соответствующие коэффициенты к и q, используемые при расчетах. Информация о типичных значениях L/C широко распространенных кварцевых резонаторов дается на рис. 1.54. На рис. 1.55 изображены переходные характеристики (отклик на скачок напряжения на входе) рассмотренных решетчатых фильтров 4-го порядка. Величины сопротивлений R1 и R2 этих фильтров в общем значительно больше 50 Ом.
Если необходимо использовать данные устройства с каскадами, имеющими меньшее входное/выходное сопротивление, то согласование можно осуществить путем уменьшения числа витков во входной/выходной обмотке трансформатора или путем применения трансформаторов с отводами (автотрансформаторное включение).
Этот способ иллюстрируется в табл. 1.9; вполне допустимо.
Рис. 1.51. Типовые параметры фильтров с характеристиками Чебышева (Т), Баттерворта (В) и Гаусса (G) 2-го и 4-го порядков.
Рис. 1.52. Схема решетчатого полосового фильтра 2-го порядка и расчетные формулы.
Рис. 1.53. Схема решетчатого полосового фильтра 4-го порядка и расчетные формулы.
Таблица 1.11. Коэффициенты для расчета полосовых фильтров, приведенных на рис. 1.52 и 1.53
Вообще говоря, наилучшими избирательными свойствами обладают полосовые фильтры с чебышевской характеристикой. С точки зрения задержки сигнала и оптимизации группового времени запаздывания лучшие результаты можно получить, используя полосовые фильтры с характеристикой Баттерворта и особенно Гаусса. Необходимо иметь в виду, что, хотя в основу расчета положен чебышевский полосовой фильтр с Ар = 0,1 дБ, практически неравномерность характеристики фильтра в полосе пропускания достигает почти 2 дБ.
Рассмотрим многозвенные лестничные фильтры. Они обладают несимметричной частотной характеристикой и могут удовлетворить практически любым разумным требованиям. Фильтры этого типа применяются в основном в диапазоне 3-12 МГц, так как на более низких частотах и особенно на более высоких нельзя использовать распространенные, серийно выпускаемые кварцы. Можно рекомендовать для данных фильтров следующий диапазон значений полосы пропускания Вр: 0,007-0,1%, т.е. 70-1000 Гц на 1 МГц. Для фильтров с Вр ^ 0,03% можно использовать кварцы с относительно невысокой добротностью, имеющие низкую стоимость. На рис. 1.56 приведены типичные частотные характеристики лестничных фильтров 2, 3 и 4-го порядков, а также соответствующих двухкаскадных фильтров. На рис. 1.57 изображены схемы фильтров и расчетные формулы.
Рис. 1.54. Типовые значения L/C высококачественных кварцевых резонаторов, выпускаемых серийно.
Рис. 1.55. Переходная характеристика решетчатого кварцевого фильтра 4-го порядка.
Рис. 1.56. Типовая амплитудно-частотная характеристика лестничных полосовых фильтров 2, 3 и 4-го порядков, в том числе для двух последовательно соединенных идентичных каскадов.
Рис. 1.57. Схемы лестничных полосовых фильтров 2, 3 и 4-го порядков и расчетные формулы.
Рис. 1.58. Типовая зависимость входного сопротивления лестничных полосовых фильтров, изображенных на рис. 1.57, от частоты.
Таблица 1.12. Коэффициенты для расчета полосовых фильтров, приведенных на рис. 1.57.
Рис. 1.59. Широкополосные избирательные согласующие цепи для лестничного полосового фильтра.
.
Рис. 1.60. Значения реактивных сопротивлений компонент фильтров приведенных на рис. 1.59
На рис. 1.58 показана зависимость входного сопротивления фильтров от частоты f
mg при различных значениях Вр; зависимость при промежуточных значениях Вр можно получить с достаточной точностью путем интерполяции. В табл. 1.12 приведены значения коэффициентов Кт, используемые при расчетах.
Для перехода от относительно высокого значения входного сопротивления фильтра (R) к величине 50 Ом (R
50) можно использовать схемы, изображенные на рис. 1.59, для которых значения реактивных элементов приведены на рис. 1.60.
Неравномерность АЧХ в полосе пропускания для лестничных структур составляет 1-2 дБ и пропорционально увеличивается при их каскадировании. В этом случае предполагается, что взаимная развязка между каскадами (А,) составляет более 10 дБ.
Во всех описанных здесь полосовых кварцевых фильтрах необходимо применять кварцы, допуск резонансной частоты которых не превышает 20% от Вр фильтра, например для Вр“2000 Гц он составляет < 400 Гц. При величине Вр“0,025% значение вносимого затухания A
s для решетчатого фильтра равно 1-2 дБ, а для лестничного-0,08-1,5 дБ. Вносимое затухание As увеличивается с ростом числа кварцев и снижается пропорционально росту Вро/0, при этом величина А| зависит от собственной добротности кварцевых резонаторов. Согласующие цепи, изображенные на рис. 1.59, вносят дополнительное затухание от 0,3 до 0,5 дБ в зависимости от числа индуктивностей. Всегда следует использовать катушки индуктивности с максимальной ненагруженной добротностью QШL .
