RU2546309C1

RU2546309C1 - Harmonic filter for short-wave transmitter

Info

Publication number: RU2546309C1
Application number: RU2014111505/08A
Authority: RU
Inventors: Алексей Григорьевич Зиновьев; Алексей Викторович Богданов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Омский научно-исследовательский институт приборостроения" (ОАО "ОНИИП")
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2015-04-10

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: harmonic filter for a short-wave receiver comprises N middle inductance coils, where N is the number of frequency subbands, a first variable capacitor connected to the first terminal of each middle inductance coil through one of N first switches, and a second variable capacitor connected to the second terminal of each middle inductance coil through one of N second switches, N input L-shaped links, each consisting of two inductance coils, the connection point of which is connected to the first terminal of the corresponding middle inductance coil, wherein the input inductance coil of the input L-shaped link is inductively coupled with a middle inductance coil, and N output L-shaped links, each consisting of two inductance coils, the connection point of which is connected to the second terminal of the corresponding middle inductance coil.

EFFECT: matching a harmonic filter in the entire operating frequency band of a radio transmitter and increasing the transmission coefficient while reducing the level of harmonic components of the transmitted signal.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в фильтрах гармоник усилителей мощности широкодиапазонных радиопередатчиков.The invention relates to the field of radio engineering and can be used in harmonic filters of power amplifiers of wide-range radio transmitters.

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. При этом значительно возросли трудности согласования фильтра гармоник и повышения КБВ в каждой его достаточно широкой полосе пропускания.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. At the same time, the difficulties of matching the harmonic filter and increasing the KBM in each of its fairly wide passband have significantly increased.

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. Такое устройство, представленное в [3], выбрано в качестве прототипа как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому.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. Such a device, presented in [3], is selected as a prototype as the closest in technical essence to the claimed one.

Анализ прототипа показал, что он не обеспечивает достаточного согласования при перестройке в диапазоне частот, имеет большое затухание в полосе пропускания и малое затухание в полосе задерживания.The analysis of the prototype showed that it does not provide sufficient coordination during tuning in the frequency range, has a large attenuation in the passband and a small attenuation in the delay band.

Задача изобретения - обеспечение согласования фильтра гармоник во всем рабочем диапазоне частот радиопередатчика и повышение коэффициента передачи при одновременном снижении уровня гармонических составляющих передаваемого сигнала.The objective of the invention is to ensure harmonics filter harmonization in the entire operating frequency range of the radio transmitter and increase the transmission coefficient while reducing the level of harmonic components of the transmitted signal.

Указанная задача решается тем, что в фильтр гармоник коротковолнового передатчика, содержащий в средней своей части N средних катушек индуктивности, где N - число частотных поддиапазонов, первый конденсатор переменной емкости, подключаемый к первому выводу каждой средней катушки индуктивности при помощи одного из N первых переключателей, и второй конденсатор переменной емкости, подключаемый к второму выводу каждой средней катушки индуктивности при помощи одного из N вторых переключателей, введены дополнительно N входных Г-образных звеньев, каждое из которых состоит из двух катушек индуктивности, точка соединения которых соединена с первым выводом соответствующей средней катушки индуктивности, а входная катушка индуктивности входного Г-образного звена индуктивно связана со средней катушкой индуктивности, и N выходных Г-образных звеньев, каждое из которых состоит из двух катушек индуктивности, точка соединения которых соединена с вторым выводом соответствующей средней катушки индуктивности, а выходная катушка индуктивности выходного Г-образного звена индуктивно связана со средней катушкой индуктивности, при этом вход каждого входного Г-образного звена подключен к входному разъему фильтра гармоник через соответствующий входной переключатель, а выход каждого выходного Г-образного звена подключен к выходному разъему фильтра гармоник через соответствующий выходной переключатель, причем первый и второй конденсаторы переменной емкости преимущественно выполнены в виде набора конденсаторов, переключаемых при помощи устройства управления, при этом магнитные потоки индуктивно связанных входной катушки индуктивности входного Г-образного звена и средней катушки индуктивности, а также магнитные потоки индуктивно связанных выходной катушки индуктивности выходного Г-образного звена и средней катушки индуктивности направлены навстречу друг другу.This problem is solved by the fact that in the harmonic filter of the short-wave transmitter, containing in its middle part N medium inductors, where N is the number of frequency subbands, the first variable capacitor connected to the first output of each middle inductor using one of the N first switches, and a second capacitor of variable capacitance, connected to the second terminal of each middle inductor using one of the N second switches, N additional input L-shaped links are introduced ev, each of which consists of two inductors, the connection point of which is connected to the first output of the corresponding middle inductor, and the input inductance of the input L-shaped link is inductively connected to the middle inductor, and N output L-shaped links, each of which consists of two inductors, the connection point of which is connected to the second output of the corresponding middle inductor, and the output inductor of the output L-shaped link is inductively coupled with an average inductor, while the input of each input L-shaped link is connected to the input connector of the harmonic filter through the corresponding input switch, and the output of each output L-shaped link is connected to the output connector of the harmonic filter through the corresponding output switch, the first and second capacitors variable capacitance are mainly made in the form of a set of capacitors switched using a control device, while the magnetic flux of inductively coupled input coil and the inductance of the input L-shaped link and the middle inductor, as well as the magnetic fluxes of the inductively coupled output inductance coils of the output L-shaped link and the middle inductor are directed towards each other.

На фигуре приведена схема заявленного устройства в исходном состоянии. Фильтр гармоник коротковолнового передатчика содержит в средней своей части N средних катушек индуктивности 1, где N - число частотных поддиапазонов, первый конденсатор 2 переменной емкости, подключаемый к первому выводу каждой средней катушки индуктивности при помощи одного из N первых переключателей 3, и второй конденсатор 4 переменной емкости, подключаемый к второму выводу каждой средней катушки индуктивности при помощи одного из N вторых переключателей 5. Введены дополнительно N входных Г-образных звеньев 6, каждое из которых состоит из двух катушек индуктивности, точка соединения которых соединена с первым выводом соответствующей средней катушки индуктивности 1, при этом входная катушка индуктивности 7 входного Г-образного звена 6 индуктивно связана со средней катушкой индуктивности 1 с взаимоиндуктивностью [4], равной М. Также введены дополнительно N выходных Г-образных звеньев 8, каждое из которых состоит из двух катушек индуктивности, точка соединения которых соединена с вторым выводом соответствующей средней катушки индуктивности 1, при этом выходная катушка индуктивности 9 выходного Г-образного звена 8 индуктивно связана со средней катушкой индуктивности 1 с взаимоиндуктивностью [4], равной М. Вход каждого входного Г-образного звена 6 подключен к входному разъему 10 фильтра гармоник через соответствующий входной переключатель 11, а выход каждого выходного Г-образного звена 8 подключен к выходному разъему 12 фильтра гармоник через соответствующий выходной переключатель 13. Первый 2 и второй 4 конденсаторы переменной емкости выполнены в виде набора конденсаторов, переключаемых при помощи устройства управления 14.The figure shows a diagram of the claimed device in its original state. The harmonic filter of the short-wavelength transmitter contains in its middle part N middle coils 1, where N is the number of frequency subbands, a first capacitor 2 of variable capacitance connected to the first output of each middle coil inductance using one of the N first switches 3, and a second variable capacitor 4 capacitance connected to the second terminal of each middle inductor using one of the N second switches 5. An additional N input L-shaped links 6 are introduced, each of which consists of a coil of inductors, the connection point of which is connected to the first output of the corresponding middle inductor 1, while the input inductor 7 of the input L-shaped link 6 is inductively coupled to the middle inductor 1 with a mutual inductance [4] equal to M. An additional N output L-shaped links 8, each of which consists of two inductors, the connection point of which is connected to the second output of the corresponding middle inductor 1, while the output inductor 9 of the output L-shaped link 8 is inductively connected to the middle inductor 1 with a mutual inductance [4] equal to M. The input of each input L-shaped link 6 is connected to the input connector 10 of the harmonics filter through the corresponding input switch 11, and the output of each output Г -shaped link 8 is connected to the output connector 12 of the harmonic filter through the corresponding output switch 13. The first 2 and second 4 capacitors of variable capacitance are made in the form of a set of capacitors switched using a control device Nia 14.

Фильтр гармоник представляет собой набор из N полосовых перестраиваемых 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. Каждый полосовой фильтр перестраивается в соответствующем ему поддиапазоне частот при помощи конденсаторов переменной емкости.A harmonic filter is a set of N tunable bandpass filters with an asymmetric amplitude-frequency characteristic (AFC) approaching the LPF frequency response, that is, 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 the tuning frequency . Each band-pass filter is tuned in its corresponding frequency sub-range using variable capacitors.

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 поступают на вход 10 фильтра гармоник, предварительно включенного и настроенного на частоту сигнала. Частота основного сигнала находится в полосе частот одного из поддиапазонов, поэтому при помощи устройства управления 14 включены соответствующие включенному поддиапазону входной 11 и выходной 13 переключатели, а первый 2 и второй 4 конденсаторы переменной емкости подключены к соответствующей средней катушке индуктивности 1 через соответствующие первый 3 и второй 5 переключатели. На конденсаторах 2 и 4 переменной емкости при помощи устройства управления 14 предварительно установлены значения емкостей, обеспечивающие настройку фильтра гармоник на заданную частоту. В результате сигнал проходит на выход 12 фильтра гармоник через соответствующие входное Г-образное звено 6, среднюю катушку индуктивности 1 и выходное Г-образное звено 8 с минимальными потерями и максимальным КБВ на частоте настройки. А благодаря наличию индуктивной связи между входной катушкой индуктивности 7 входного Г-образного звена 6 и средней катушкой индуктивности 1, а также благодаря наличию индуктивной связи между выходной катушкой индуктивности 9 выходного Г-образного звена 8 и средней катушкой индуктивности 1 в полосе задерживания включенного фильтра возникает полюс затухания с частотой, примерно равной или близкой (в зависимости от частоты настройки) частоте третьей гармоники передаваемого сигнала. Полюс затухания возникает благодаря тому, что индуктивно связанные катушки индуктивности имеют взаимно противоположное направление намотки, что и обеспечивает встречное направление их магнитных потоков при соответствующем взаимном расположении катушек индуктивности. При этом катушки индуктивности 7 и 9 расположены относительно соответствующей средней катушки индуктивности 1 на определенном расстоянии от нее, так как от величины индуктивной связи между катушками индуктивности зависит частота полюса затухания и уровень подавления гармонических составляющих передаваемого сигнала.The output signal of the transmitter power amplifier, together with the harmonic components of the signal, is fed to input 10 of a harmonic filter, previously turned on and tuned to the signal frequency. The frequency of the main signal is in the frequency band of one of the subranges, therefore, using the control device 14, the input 11 and output 13 switches corresponding to the included subband are turned on, and the first 2 and second 4 variable capacitors are connected to the corresponding middle inductor 1 through the corresponding first 3 and second 5 switches. On capacitors 2 and 4 of variable capacitance, using the control device 14, the capacitance values are pre-set, which ensure the harmonics filter is tuned to a given frequency. As a result, the signal passes to the output 12 of the harmonic filter through the corresponding input L-shaped link 6, the middle inductor 1 and the output L-shaped link 8 with minimal losses and maximum KBB at the tuning frequency. And due to the presence of inductive coupling between the input inductor 7 of the input L-shaped link 6 and the middle inductor 1, and also due to the presence of inductive coupling between the output inductor 9 of the output L-shaped link 8 and the middle inductor 1 in the delay band of the filter the attenuation pole with a frequency approximately equal to or close (depending on the tuning frequency) to the frequency of the third harmonic of the transmitted signal. The attenuation pole arises due to the fact that inductively coupled inductors have a mutually opposite direction of winding, which ensures the opposite direction of their magnetic fluxes with the corresponding mutual arrangement of the inductors. In this case, the inductors 7 and 9 are located relative to the corresponding average inductor 1 at a certain distance from it, since the frequency of the attenuation pole and the level of suppression of the harmonic components of the transmitted signal depend on the inductive coupling between the inductors.

Заявленный фильтр гармоник коротковолнового передатчика обеспечивает согласование во всем рабочем диапазоне частот на любой из частот настройки и, как результат, уменьшение затухания передаваемого 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, в том числе благодаря наличию полюса затухания. Можно отметить еще одно достоинство заявленного фильтра гармоник - уровень третьей гармоники сигнала на выходе значительно 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 ensures matching in the entire operating frequency range at any of the tuning frequencies and, as a result, reduces the attenuation of the transmitted signal. At the same time, the harmonic filter provides increased selectivity, and thanks to the asymmetric frequency response, a tunable band-pass filter included, approaching the low-pass filter, the level of harmonic components of the signal at the output of the harmonics filter is quite low, including due to the attenuation pole. One more advantage of the claimed harmonic filter can be noted - the level of the third harmonic of the signal at the output is much lower 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.

Источники информацииInformation sources

1. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А Ляховкин и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2003. - c.205…208.1. Radio transmitting devices: Textbook for high schools / V.V. Shahgildyan, V.B. Kozyrev, A.A. Lyakhovkin and others; Ed. V.V. Shahgildyan. - 3rd ed., Revised. and add. - M .: Radio and communications, 2003. - p.205 ... 208.

2. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: 1990. - с.131.2. Red E. Reference manual on high-frequency circuitry: Circuits, blocks, 50-ohm technology: TRANS. with him. - M .: 1990. - p. 131.

3. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: 1990. - с.143.3. Red E. Reference manual on high-frequency circuitry: Circuits, blocks, 50 ohm technology: TRANS. with him. - M .: 1990. - p.143.

4. Справочник по радиотехнике. Под ред. Б.А. Смиренина. - М., Л.: Госэнергоиздат, 1950. - с.54.4. Handbook of radio engineering. Ed. B.A. Smirenin. - M., L .: Gosenergoizdat, 1950 .-- p.54.

Claims

1. The harmonic filter of the short-wave transmitter, containing in its middle part N middle inductors, where N is the number of frequency subbands, a first capacitor of variable capacitance connected to the first output of each middle inductor using one of the N first switches, and a second variable capacitor connected to the second terminal of each middle inductor using one of the N second switches, characterized in that an additional N input L-shaped links are introduced, each of which consists of two inductors, the connection point of which is connected to the first output of the corresponding middle inductor, and the input inductance coil of the input L-shaped link is inductively connected to the middle inductor, and N output L-shaped links, each of which consists of two coils inductance, the connection point of which is connected to the second terminal of the corresponding middle inductor, and the output inductor of the output L-shaped link is inductively connected to the middle th inductor, while the input of each input L-shaped link is connected to the input connector of the harmonic filter through the corresponding input switch, and the output of each output L-shaped link is connected to the output connector of the harmonic filter through the corresponding output switch.

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

3. The harmonic filter of the shortwave transmitter according to claim 1, characterized in that the magnetic fluxes of the inductively coupled input inductance coils of the input L-shaped link and the corresponding middle inductance coil are directed towards each other.

4. The harmonics filter of the shortwave transmitter according to claim 1, characterized in that the magnetic fluxes of the inductively coupled output inductance coils of the output L-shaped link and the corresponding middle inductance coils are directed towards each other.