RU2560792C1

RU2560792C1 - Harmonic filter of short-wave transmitter

Info

Publication number: RU2560792C1
Application number: RU2014120596/08A
Authority: RU
Inventors: Алексей Григорьевич Зиновьев; Алексей Викторович Богданов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Омский научно-исследовательский институт приборостроения" (ОАО "ОНИИП")
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2015-08-20

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: harmonic filter of a short-wave transmitter includes N LC filters switched as to input and output by means of input and output switches, each of the above filters includes the first and the second inductance coils in longitudinal arms, which are connected to each other, and a capacitor connected between the connection point of inductance coils and a common bus, as well as a capacitor of variable capacity, which is common for all LC filters, and to each LC filter there introduced is an additional inductance coil connected parallel to the capacitor and simultaneously connected to the capacitor of variable capacity through one of N additionally introduced switches, and the first inductance coil in each LC filter is inductively connected to the second inductance coil; with that, magnetic fluxes of the inductively connected inductance coils are directed towards each other.

EFFECT: providing coordination within the whole working range of frequencies of a radio transmitter at simplification of adjustment processes.

2 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. 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 усложняют 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 complicate 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 введена дополнительная индуктивность, подключенная параллельно конденсатору и одновременно подключенная к конденсатору переменной емкости через один из N дополнительно введенных переключателей, при этом в каждом LC-фильтре первая катушка индуктивности индуктивно связана со второй катушкой индуктивности, причем магнитные потоки индуктивно связанных катушек индуктивности направлены навстречу друг другу, а 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 variable capacitor is introduced, common to all LC filters, and an additional inductance is introduced into each LC filter, connected in parallel to the capacitor and simultaneously connected to the variable capacitor through one of N additionally entered switches, wherein in each LC filter the first inductor is inductively coupled to the second inductor, and the magnetic fluxes are inductively knitted inductors are directed towards each other, and a capacitor of variable capacitance is mainly made in the form of a set of capacitors switched using a control device.

На фигуре 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 3 введена дополнительная индуктивность 10, подключенная параллельно конденсатору 6 и одновременно подключенная к конденсатору 9 переменной емкости через один из N дополнительно введенных переключателей 11, при этом в каждом LC-фильтре 3 первая катушка индуктивности 4 индуктивно связана с второй катушкой индуктивности 5, причем магнитные потоки индуктивно связанных катушек индуктивности направлены навстречу друг другу, а взаимоиндуктивность [3] равна М. Конденсатор 9 переменной емкости выполнен в виде набора конденсаторов, переключаемых при помощи устройства управления 12.The figure 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 an additional inductance 10 is introduced into each LC filter 3, connected in parallel to the capacitor 6 and simultaneously connected to the variable capacitor 9 capacitance through one of the N additionally introduced switches 11, while in each LC filter 3, the first inductor 4 is inductively connected to the second inductor 5, and the magnetic fluxes are inductively coupled to ek inductance directed towards each other, and Vzaimoinduktivnye [3] is equal to M. The capacitor 9 of variable capacitance is formed as a set of capacitors 12 is switched by the control device.

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 LC-фильтра справа от частоты настройки имеем полюс затухания, частота которого зависит от величины коэффициента связи [3] между первой и второй катушками индуктивности и при некотором его значении, то есть при определенном расстоянии между катушками индуктивности, может совпадать с частотой 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. Каждый полосовой LC-фильтр перестраивается в соответствующем ему поддиапазоне частот при помощи конденсатора переменной емкости.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 LC filter’s 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 [3] between the first and second inductors and for some value of it, that is, for a certain distance between the inductors, it can coincide with the frequency of the third harmonic of the transmitted signal. The damping 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. Each band-pass LC filter is tuned in its corresponding frequency sub-range with a variable capacitor.

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 входной разъем 7 фильтра гармоник, предварительно включенного и настроенного на частоту сигнала. Частота основного сигнала находится в полосе частот одного из поддиапазонов, то есть в полосе частот соответствующего LC-фильтра 3, поэтому при помощи устройства управления 12 включены соответствующие данному LC-фильтру 3 входной 1 и выходной 2 переключатели, а конденсатор 9 переменной емкости подключен к дополнительной катушке индуктивности 10 включенного LC-фильтра 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 are 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 subbands, that is, in the frequency band of the corresponding LC filter 3, therefore, using the control device 12, the input 1 and output 2 switches corresponding to the LC filter 3 are turned on, and the capacitor 9 of variable capacity is connected to an additional the inductance coil 10 of the included LC filter through the corresponding switch 11. On the capacitor 9 of variable capacitance by means of the control device 12, the capacitance value is preset, providing oyku filter harmonics at a predetermined 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, подавление второй и в большей степени третьей гармоник сигнала увеличивается благодаря наличию полюса затухания, частота которого зависит от величины коэффициента связи между первой и второй катушками индуктивности в каждом LC-фильтре и может совпадать с частотой третьей гармоники передаваемого сигнала. Можно отметить еще одно достоинство заявленного фильтра гармоник - уровень третьей гармоники сигнала на выходе значительно меньше уровня второй гармоники, что компенсирует обратное соотношение уровней 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, the tunable band-pass filter included, approaching the low-pass filter, the level of harmonic components of the signal at the output of the harmonic filter is quite low. In addition, the suppression of the second and to a greater extent the third harmonics of the signal is increased due to the presence of a damping pole, the frequency of which depends on the magnitude of the coupling coefficient between the first and second inductors in each LC filter and may coincide with the frequency of the third harmonic of the transmitted signal. 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 harmonic levels 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, eliminates 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 saved in the control device and are used during 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 et al .; 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. - c.131.2. Red E. Reference manual on high-frequency circuitry: Circuits, blocks, 50 ohm technology: Per. with him. - M .: 1990. - p. 131.

3. Справочник по радиотехнике: Под ред. Б.А. Смиренина. - М., Л.: Госэнергоиздат, 1950. - с.54, 55.3. Handbook of Radio Engineering: Ed. B.A. Smirenin. - M., L .: Gosenergoizdat, 1950 .-- p. 54, 55.

Claims

1. The harmonic filter of the short-wave transmitter, containing N switchable input and output using 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 first and a second inductor and a common bus, with each input switch connected between the input connector and the first inductor of the corresponding LC filter, and each output switch connected between a second inductance coil of the corresponding LC filter and an output connector, characterized in that an additional variable capacitor common to all LC filters is added, and an additional inductance is connected to each LC filter, connected in parallel to the capacitor and simultaneously connected to the variable capacitor through one of N additionally entered switches, wherein in each LC filter the first inductor is inductively coupled to the second inductor, and the magnetic fluxes are inductive about connected inductors are directed towards each other.

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.