2.1.1 Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) тока в последовательном контуре
Запишем соотношение для тока в последовательном контуре (рис. 2.1):
, (2.1)
Рис. 2.1
Сопротивление последовательного контура Z (j w):
, (2.2)
где — реактивное сопротивление индуктивности,
— реактивное сопротивление емкости,
x — реактивное сопротивление контура.
Графики составляющих сопротивления последовательного контура показаны на рис. 2.2.
Рис. 2.2
На резонансной частоте w0 реактивное сопротивление контура x равно нулю:
, откуда , (2.3)
сопротивление контура становится чисто активным и равным r, а ток в контуре равным: (2.4)
Поделим соотношение (2.1) на (2.4) и запишем нормированную функцию:
. (2.5)
Преобразуем соотношение (2.2) с учетом (2.3):
,(2.6)
где — добротность контура.
Поделив на r получим соотношение для нормированного сопротивления контура:
(2.7)
Подставим (2.6) в (2.5) и (для того чтобы не затруднять преобразования выражениями в радикалах) запишем квадрат модуля полученного соотношения:
(2.8)
График полученной зависимости показан на рис. 2.3.
|
|
Рис. 2.3
Отсчитывая верхнюю и нижнюю граничные частоты и полосу пропускания контура по уровню, когда мощность в сопротивлении уменьшится в два раза, найдем эти величины:
(2.9)
Откуда или
(2.10)
Решение уравнения (2.10):
(2.11)
Откуда: , (2.12)
и (2.13)
Можно показать, что произведение частот, отсчитанных на любой высоте от 0 до 1 от оси частот, всегда будет удовлетворять соотношению (2.12). Такой вид симметрии характеристик называют геометрической симметрией [15].
В дальнейшем, используем для обозначения текущей частоты этого простейшего ППФ индекс «пф» , и преобразуем соотношения (2.7) и (2.8), подставив в них значение Q из (2.13):
(2.14)
(2.15)
Если ввести нормированную переменную , (2.16)
Атабеков [2] называет ее — обобщенной расстройкой контура, (разрядка Атабекова; см. изд. 1969г.) соотношения (2.14) и (2.15) можно переписать:
(2.17)
(2.18)
Соотношения (2.17) и (2.18) описывают простейший фильтр нижних частот (ФНЧ) с нормированными значениями индуктивности и активного сопротивления rН = 1, изображенный на рис. 2.4 а. Составляющие его входного сопротивления (2.17) показаны на рис. 2.4, б, а квадрат модуля функции передачи — на рис. 2.4, в.
Рис. 2.4
Нормированную переменную ФНЧ можно представить также как отношение текущей частоты ФНЧ к частоте среза
(2.19)
2.1.2 Если приравнять частоту среза ФНЧ к полосе пропускания ППФ , из соотношений (2.16), (2.19) можно найти связь частотных переменных ФНЧ и ППФ
Þ (2.20)
Используя замены переменных и установим связь между комплексными частотами ФНЧ и ППФ
(2.21)
Соотношение (2.21) позволяет найти структуру и величины элементов ППФ, если известна структура и величины элементов ФНЧ, например:
|
|
(2.22)
здесь также как в (2.3) . Преобразования иллюстрирующие соотношение (2.22) показаны на рис. 2.5.
Рис. 2.5
В общем случае каждая индуктивность ФНЧ превращается в последовательный контур ППФ настроенный на частоту , а каждая емкость ФНЧ — в параллельный контур, настроенный на частоту .(рис. 2.6).
Рис. 2.6
При этом полоса пропускания ППФ равна частоте среза ФНЧ, а вид и характерные точки АЧХ ППФ соответствуют (легко вычисляются по соотношению (2.20)) АЧХ ФНЧ.
Связь частотных характеристик ФНЧ и ППФ иллюстрируют графики на рис. 2.7, построенные с помощью соотношения (2.16).
Рис. 2.7 Связь частотных характеристик ФНЧ (пунктирная кривая) и ППФ
2.1.3 Рассмотрим пример расчета полосового трехконтурного фильтра
(n = 3) с максимально-гладкой АЧХ и следующими характеристиками:
- полоса пропускания 6 МГц;
- средне-геометрическая частота полосы пропускания f 0 = 60 МГц;
- сопротивление нагрузки (и сопротивление генератора) R = 75 Ом.
Для расчета используем фильтр-прототип нижних частот, показанный на рис. 1.13 а. Приравняем в соответствии с соотношением (2.20) частоты среза ФНЧ и ППФ и рассчитаем сначала фильтр нижних частот, используя соотношения (1.23):
пФ,
мкг.
Схемы фильтра-прототипа с нормированными элементами и ФНЧ, а также их частотные характеристики приведены на рисунках 2.8 а —2.8 г.
Рис. 2.8
Для того чтобы ФНЧ превратить в ППФ достаточно подключить параллельно к каждому конденсатору ФНЧ катушку индуктивности, а последовательно с каждой катушкой индуктивности ФНЧ — конденсатор. Все контура и параллельные и последовательные должны быть настроены на частоту МГц. Схема рассчитанного ППФ и его частотная характеристика приведены
на рис. 2.8 д и рис.2.8 е.