RU2541195C2

RU2541195C2 - Harmonic filter for short-wave transmitter

Info

Publication number: RU2541195C2
Application number: RU2013111088/08A
Authority: RU
Inventors: Алексей Григорьевич Зиновьев; Алексей Викторович Богданов; Любовь Эдуардовна КОЛБИНА
Original assignee: Открытое акционерное общество "Омский научно-исследовательский институт приборостроения" (ОАО "ОНИИП")
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2015-02-10
Also published as: RU2013111088A

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering and can be used in power amplifiers of broadband radio transmitters. The harmonic filter for a short-wave transmitter comprises N LC-filters which are switched at the input and the output by input and output switches, each filter comprising a first and a second inductance coil in longitudinal arms connected to each other, and a capacitor connected between the point of connection of the inductance coils and a common bus, a variable capacitor which is common for all LC-filters; each LC-filter includes a step-down autotransformer, the secondary winding of which is connected in parallel to the capacitor, and the primary winding to the variable capacitor through one of N additional switches, wherein the variable capacitor is in form of a set of capacitors which are switched by a control device.

EFFECT: providing matching in the entire operating frequency band of a radio transmitter while simplifying tuning processes.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в фильтрах гармоник усилителей мощности широкодиапазонных радиопередатчиков, а также во входных цепях радиоприемников.The invention relates to the field of radio engineering and can be used in harmonic filters of power amplifiers of wide-range radio transmitters, as well as in the input circuits of radio receivers.

Для передачи высокочастотных сигналов с подавленными до требуемого уровня гармоническими составляющими в фильтрах гармоник коротковолновых радиопередатчиков обычно применяются фильтры нижних частот (ФНЧ) [1]. Исходя из требований к фильтрации высших гармоник, начиная со второй, фильтры проектируются на заданное значение затухания в полосе задерживания. При этом коэффициент перекрытия поддиапазонов по частоте выбирают обычно в пределах 1,4…1,8, то есть для коротковолнового передатчика, перекрывающего диапазон частот 1,5…30 МГц, потребуется от девяти до пяти фильтров соответственно, причем чем меньше количество фильтров, тем сложнее их структура. Поддиапазонные фильтры переключаются, как правило, при помощи реле, включенных на входе и выходе каждого фильтра.To transmit high-frequency signals with harmonic components suppressed to the required level in the harmonics filters of short-wave radio transmitters, low-pass filters (LPFs) are usually used [1]. Based on the requirements for filtering higher harmonics, starting from the second, the filters are designed for a given attenuation value in the delay band. In this case, the overlap coefficient of the sub-bands in frequency is usually chosen within 1.4 ... 1.8, that is, for a short-wave transmitter that covers the frequency range of 1.5 ... 30 MHz, nine to five filters are required, respectively, and the smaller the number of filters, the their structure is more complicated. Sub-band filters are switched, as a rule, by means of relays connected at the input and output of each filter.

Главными недостатками фильтров гармоник на основе переключаемых ФНЧ являются сложность в настройке, а также необходимость высокой точности изготовления катушек индуктивности и применения конденсаторов с малыми отклонениями емкости от номинальных значений, то есть более дорогих. В противном случае не удается обеспечить необходимый уровень согласования фильтра гармоник, так как коэффициент бегущей волны (КБВ) на входе фильтра гармоник наиболее чувствителен к точности его настройки. Кроме того, фильтры гармоник на основе переключаемых ФНЧ имеют большие габаритные размеры и массу, поскольку из всего набора переключаемых фильтров в работе находится только один [1].The main disadvantages of harmonic filters based on switchable low-pass filters are the difficulty in tuning, as well as the need for high precision manufacturing of inductors and the use of capacitors with small deviations of the capacitance from the nominal values, that is, more expensive. Otherwise, it is not possible to provide the necessary level of harmonics filter matching, since the traveling wave coefficient (KBW) at the input of the harmonics filter is most sensitive to the accuracy of its tuning. In addition, harmonic filters based on switchable low-pass filters have large overall dimensions and mass, since only one of the entire set of switchable filters is in operation [1].

В [2] проблему увеличенных размеров и массы фильтра гармоник решили следующим образом: уменьшили количество ФНЧ для диапазона частот 1,6…30 МГц до двух, но все L- и С-элементы выполнили переменными. Это устройство выбрано в качестве прототипа как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому.In [2], the problem of the increased size and mass of the harmonic filter was solved as follows: the number of low-pass filters for the frequency range 1.6 ... 30 MHz was reduced to two, but all L- and C-elements were made variable. This device is selected as a prototype as the closest in technical essence to the claimed.

Анализ прототипа показал, что при перестройке в диапазоне частот он не обеспечивает достаточного согласования и повышения КБВ в каждой его достаточно широкой полосе пропускания. Кроме того, большое число перестраиваемых элементов значительно усложняет процесс настройки фильтра гармоник при изготовлении, повышая его трудоемкость.Analysis of the prototype showed that when tuning in the frequency range, it does not provide sufficient coordination and increase the KBM in each of its sufficiently wide passband. In addition, a large number of tunable elements significantly complicates the process of tuning the harmonic filter in the manufacture, increasing its complexity.

Более рационально проблему согласования фильтра гармоник можно решить, взяв за основу не ФНЧ, а полосовые перестраиваемые фильтры, и обеспечивать согласование только на частоте передаваемого сигнала.More rationally, the harmonics filter matching problem can be solved by taking not tunable low-pass filters as the basis, but tunable bandpass filters, and ensure matching only at the frequency of the transmitted signal.

Задача изобретения - обеспечение согласования фильтра гармоник во всем рабочем диапазоне частот радиопередатчика при одновременном упрощении процессов настройки при изготовлении и перестройке фильтра гармоник во время работы в составе передатчика.The objective of the invention is the harmonization of the harmonic filter in the entire operating frequency range of the radio transmitter while simplifying the tuning processes in the manufacture and tuning of the harmonic filter during operation as part of the transmitter.

Указанная задача решается тем, что в фильтр гармоник коротковолнового передатчика, содержащий N переключаемых по входу и выходу при помощи входных и выходных переключателей LC-фильтров, каждый из которых содержит первую и вторую катушки индуктивности в продольных плечах, соединенные между собой, и конденсатор, включенный между точкой соединения катушек индуктивности и общей шиной, при этом каждый входной переключатель включен между входным разъемом и первой катушкой индуктивности соответствующего LC-фильтра, а каждый выходной переключатель включен между второй катушкой индуктивности соответствующего LC- фильтра и выходным разъемом, введен дополнительно конденсатор переменной емкости, общий для всех LC-фильтров, а в каждый LC-фильтр введен понижающий автотрансформатор, вторичная обмотка которого подключена параллельно конденсатору, при этом первичная обмотка автотрансформатора подключена к конденсатору переменной емкости через один из N дополнительно введенных переключателей, причем конденсатор переменной емкости преимущественно выполнен в виде набора конденсаторов, переключаемых при помощи устройства управления.This problem is solved by the fact that in the harmonic filter of the short-wave transmitter, containing N switchable input and output using input and output switches of LC filters, each of which contains the first and second inductors in the longitudinal arms, interconnected, and a capacitor included between the connection point of the inductors and the common bus, with each input switch connected between the input connector and the first inductor of the corresponding LC filter, and each output switch the spruce is connected between the second inductance coil of the corresponding LC filter and the output connector, an additional capacitor of variable capacitance common to all LC filters is introduced, and a step-down autotransformer is introduced into each LC filter, the secondary winding of which is connected parallel to the capacitor, while the primary winding of the autotransformer is connected to the capacitor of variable capacitance through one of N additionally entered switches, and the capacitor of variable capacitance is mainly made in the form of a set of capacitors , Switched by the control device.

На чертеже приведена схема заявленного устройства в исходном состоянии. Фильтр гармоник коротковолнового передатчика содержит N переключаемых по входу и выходу при помощи входных 1 и выходных 2 переключателей LC-фильтров 3, каждый из которых содержит первую 4 и вторую 5 катушки индуктивности в продольных плечах, соединенные между собой, и конденсатор 6, включенный между точкой соединения катушек индуктивности и общей шиной, при этом каждый входной переключатель 1 включен между входным разъемом 7 и первой катушкой индуктивности 4 соответствующего LC-фильтра 3, а каждый выходной переключатель 2 включен между второй катушкой индуктивности 5 соответствующего LC-фильтра 3 и выходным разъемом 8. Дополнительно введен конденсатор 9 переменной емкости, общий для всех LC-фильтров, а в каждый LC-фильтр введен понижающий автотрансформатор 10, вторичная обмотка которого подключена параллельно конденсатору 6, при этом первичная обмотка автотрансформатора 10 подключена к конденсатору 9 переменной емкости через один из N дополнительно введенных переключателей 11. Конденсатор переменной емкости выполнен в виде набора конденсаторов, переключаемых при помощи устройства управления 12.The drawing shows a diagram of the claimed device in its original state. The harmonic filter of the short-wave transmitter contains N inputs and outputs that can be switched using input 1 and output 2 switches of LC filters 3, each of which contains the first 4 and second 5 inductors in the longitudinal arms, interconnected, and a capacitor 6 connected between the point connecting the inductors and a common bus, each input switch 1 is connected between the input connector 7 and the first inductor 4 of the corresponding LC filter 3, and each output switch 2 is connected between the second the inductance 5 of the corresponding LC filter 3 and the output connector 8. In addition, a variable capacitor 9 is introduced, common to all LC filters, and a step-down autotransformer 10 is introduced into each LC filter, the secondary winding of which is connected parallel to the capacitor 6, while the primary winding the autotransformer 10 is connected to a variable capacitor 9 through one of the N additionally entered switches 11. The variable capacitor is made in the form of a set of capacitors switched using a device 12 a systematic way.

Фильтр гармоник представляет собой набор из N полосовых перестраиваемых LC-фильтров с асимметричной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), приближающейся к АЧХ ФНЧ, то есть затухание в полосе задерживания справа от частоты настройки значительно больше (на десятки дБ) затухания в полосе задерживания слева от частоты настройки. Кроме того, в полосе задерживания справа от частоты настройки имеем полюс затухания, частота которого зависит от величины коэффициента связи между обмотками автотрансформатора и при определенном его значении может совпадать с частотой третьей гармоники передаваемого сигнала. Каждый полосовой LC-фильтр перестраивается в соответствующем ему поддиапазоне частот.The harmonic filter is a set of N tunable bandpass LC filters with an asymmetric amplitude-frequency characteristic (AFC) approaching the low-pass frequency response, i.e. the attenuation in the delay band to the right of the tuning frequency is much greater (by tens of dB) of attenuation in the delay band to the left of frequency settings. In addition, in the delay band to the right of the tuning frequency, we have a damping pole, the frequency of which depends on the magnitude of the coupling coefficient between the windings of the autotransformer and, at a certain value, can coincide with the frequency of the third harmonic of the transmitted signal. Each band-pass LC filter is tuned in its corresponding frequency sub-band.

Фильтр гармоник коротковолнового передатчика работает следующим образом.The harmonics filter of the short-wave transmitter operates as follows.

Выходной сигнал усилителя мощности передатчика вместе с гармоническими составляющими сигнала поступает на входной разъем 7 фильтра гармоник, предварительно включенного и настроенного на частоту сигнала. Частота основного сигнала находится в полосе частот одного из поддиапазонов, поэтому при помощи устройства управления 12 включены соответствующие включенному поддиапазону входной 1 и выходной 2 переключатели, а конденсатор 9 переменной емкости подключен к первичной обмотке соответствующего включенному поддиапазону автотрансформатора 10 через соответствующий переключатель 11. На конденсаторе 9 переменной емкости при помощи устройства управления 12 предварительно установлено значение емкости, обеспечивающее настройку фильтра гармоник на заданную частоту. В результате сигнал проходит на выходной разъем 8 фильтра гармоник через соответствующий LC-фильтр 3 с минимальными потерями и максимальным КБВ на частоте настройки.The output signal of the transmitter power amplifier, together with the harmonic components of the signal, is fed to the input connector 7 of the harmonic filter, previously turned on and tuned to the frequency of the signal. The frequency of the main signal is in the frequency band of one of the subranges, therefore, using the control device 12, the input 1 and output 2 switches corresponding to the included subband are turned on, and the variable capacitor 9 is connected to the primary winding of the autotransformer 10 corresponding to the included subband through the corresponding switch 11. On the capacitor 9 variable capacitance using the control device 12 pre-set value of the capacitance, which provides the adjustment of the harmonic filter n and a given frequency. As a result, the signal passes to the output connector 8 of the harmonic filter through the corresponding LC filter 3 with minimal losses and maximum KBM at the tuning frequency.

Заявленный фильтр гармоник коротковолнового передатчика обеспечивает согласование во всем рабочем диапазоне частот на любой из частот настройки и, как результат, уменьшение затухания сигнала. Одновременно фильтр гармоник обеспечивает повышенную избирательность, причем благодаря асимметричной АЧХ включенного перестраиваемого полосового фильтра, приближающейся к АЧХ ФНЧ, уровень гармонических составляющих сигнала на выходе фильтра гармоник достаточно низкий. Кроме того, затухание второй и в большей степени третьей гармоник сигнала увеличивается благодаря наличию полюса затухания, частота которого зависит от величины коэффициента связи между обмотками автотрансформатора. Можно отметить еще одно достоинство заявленного фильтра гармоник - уровень третьей гармоники сигнала на выходе более чем на 20 дБ меньше, чем уровень второй гармоники, что компенсирует обратное соотношение гармоник на выходе усилителя мощности. Кроме того, заявленный фильтр гармоник по сравнению с обычными фильтрами гармоник на основе переключаемых ФНЧ обеспечивает исключение трудоемкой операции настройки фильтра гармоник при его изготовлении. Настройка осуществляется программным способом в автоматическом режиме до получения максимального значения КБВ на каждой задаваемой с определенным шагом частоте настройки. Результаты настройки сохраняются в устройстве управления и используются во время работы фильтра гармоник в составе передатчика. При таком способе настройки не требуется применение в фильтре гармоник конденсаторов с малыми отклонениями емкости от номинальных значений.The claimed harmonic filter of the short-wave transmitter provides matching in the entire operating frequency range at any of the tuning frequencies and, as a result, reduces signal attenuation. At the same time, the harmonic filter provides increased selectivity, and due to the asymmetric frequency response of the tunable band-pass filter included, approaching the low-pass filter frequency response, the level of harmonic components of the signal at the output of the harmonic filter is quite low. In addition, the attenuation of the second and to a greater degree of the third harmonics of the signal increases due to the presence of the attenuation pole, the frequency of which depends on the magnitude of the coupling coefficient between the windings of the autotransformer. One more advantage of the claimed harmonic filter can be noted - the level of the third harmonic of the signal at the output is more than 20 dB less than the level of the second harmonic, which compensates for the inverse ratio of harmonics at the output of the power amplifier. In addition, the claimed harmonic filter in comparison with conventional harmonic filters based on switchable low-pass filters provides the elimination of the time-consuming operation of tuning the harmonic filter in its manufacture. The adjustment is carried out in a programmatic way in automatic mode until the maximum value of the KBM is obtained at each tuning frequency set with a certain step. The tuning results are stored in the control device and are used during the operation of the harmonic filter in the transmitter. With this tuning method, the use of capacitors in the harmonic filter with small deviations of the capacitance from the nominal values is not required.

Заявленный фильтр гармоник может быть применен также в качестве входного устройства радиоприемника, причем в случае узкой полосы пропускания асимметрия АЧХ полосового перестраиваемого фильтра выражена слабо.The claimed harmonic filter can also be used as an input device of a radio receiver, and in the case of a narrow passband, the asymmetry of the frequency response of a tunable bandpass filter is weakly expressed.

Источники информацииInformation sources

1. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов /1. Radio transmitting devices: Textbook for high schools /

В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А Ляховкин и др.; Под ред.V.V. Shahgildyan, V.B. Kozyrev, A.A. Lyakhovkin and others; Ed.

В.В. Шахгильдяна.- 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 2003.-c.205...208.V.V. Shahgildyan. - 3rd ed., Rev. and additional.- M .: Radio and communication, 2003.-c.205 ... 208.

2. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: 1990.-c.l31.2. Red E. Reference manual on high-frequency circuitry: Circuits, blocks, 50-ohm technology: TRANS. with him. - M .: 1990.-c.l31.

Claims

1. The harmonic filter of the short-wave transmitter, containing N switchable input and output using the input and output switches of the LC filters, each of which contains the first and second inductors in the longitudinal arms, interconnected, and a capacitor connected between the connection point of the inductors and a common bus, wherein each input switch is connected between the input connector and the first inductor of the corresponding LC filter, and each output switch is connected between the second coil the inductance of the corresponding LC filter and output connector, characterized in that an additional capacitor of variable capacitance common to all LC filters is added, and a step-down autotransformer is introduced into each LC filter, the secondary winding of which is connected parallel to the capacitor, while the primary winding of the autotransformer is connected to a capacitor of variable capacity through one of the N additionally entered switches.

2. The harmonics filter of the shortwave transmitter according to claim 1, characterized in that the variable capacitor is made in the form of a set of capacitors switched using a control device.