Усилители с электромеханическим фильтром

ВОПРОС №2

Электромеханические фильтры (ЭМФ) работают по принципу магнитострикции, согласно которому механические колебания в магнитном сердечнике возникают под действием частоты возбуждающего тока. Эффект магнитострикции заключается в способности некоторых материалов (никель, пермаллой) изменять свои размеры в магнитном поле.

В состав электромеханического фильтра входит:

– входной магнитострикционный электромеханический преобразователь;

– цепочка механических резонаторов, соединенных между собой упругими связками;

– выходной магнитострикционный электромеханический преобразователь.

Структурная схема ЭФМ показана на рисунке 19.6.

П1 П2

U_ВХ U_ВЫХ

М1 М2

_{N S N S}

L₁ Р Р Р Р L₂

_НС ^{С С С} _НС

_{N S N S}

Рис.19.6. Структурная схема ЭМФ

ЭМФ с механическими резонаторами преобразуют электрические колебания в механические и наоборот с помощью магнитострикционных электромеханических преобразователей П1 и П2. Механический преобразователь состоит из никелевого стержня (НС), охваченного катушкой из постоянных магнитов, создающих начальную намагниченность стержней.

Механические резонаторы конструктивно выполняются в виде цепочки металлических дисков, стержней, пластинок. Резонаторы соединены друг с другом стержнями (связками) из никеля. Получается механическая система. Эта механическая система аналогична электрической фильтрующей системе, в которой колебательные контуры заменены механическими резонаторами, которые по своим свойствам эквивалентны LC-контуру с очень высокой добротностью, а упругие связки действуют как емкости связи С_СВ.

Добротность механических резонаторов зависит от материала:

– сталь – 2000 ¸ 3000,

– алюминий и его сплавы – 5000 ¸ 10000,

– магний – 100000.

Ниже рассмотрен принцип работы ЭМФ.

Напряжение f_ПЧ подается на обмотку катушки входного магнитострикционного преобразователя П1, работа которого основана на магнитострикционном эффекте. Никелевый стержень, находящийся внутри входной катушки, под действием его магнитного поля в результате магнитострикционного эффекта совершает продольные механические колебания с частотой изменения тока в катушке. Эти колебания возбуждают механические резонаторы. Диски резонаторов не образуют жесткой конструкции, а являются системой связанных резонаторов, в которой распространяются механические колебания. При этом каждый диск резонирует подобно колебательному контуру, а связки действуют подобно С_СВ в многозвенных LC-фильтрах.

Последний резонатор возбуждает механические колебания никелевого стержня, находящегося внутри выходной катушки выходного магнитострикционного преобразователя П2. При механических колебаниях стержня изменяется его магнитная проницаемость. В результате обратного магнитострикционного эффекта в выходной катушке будет индуцироваться ЭДС и на выходах катушки L₂ возникает выходное напряжение U_ВЫХ промежуточной частоты.

Изменение длины сердечника МС1 зависит только от напряженности магнитного поля, но не зависит от его направления. Поэтому при подаче на катушку L₁ переменного напряжения U_ВХ длина сердечника МС1 будет изменяться как при положительных, так и при отрицательных полупериодах колебательного напряжения, то есть дважды за период. Это приведет к удвоению номинала частоты входного сигнала. Чтобы избежать такого удвоения частоты, применяют постоянные магниты М1 и М2, создающие дополнительное подмагничивающее поле. Во время одного полупериода магнитное поле, создаваемое этим током, складывается с подмагничивающим полем, и напряженность результирующего поля возрастает. Во время второго полупериода магнитные поля взаимно вычитаются и результирующее поле уменьшается. В результате этого частота колебаний сердечников МС1 и МС2 и, следовательно, частота входного напряжения будут соответствовать частоте входного сигнала.

Характеристика избирательности ЭМФ (рис.19.7) зависит от числа и размеров резонаторов, а также от связи между резонаторами, и может быть получена по форме, близкой к идеальной. Необходимо отметить, что резонансная частота ЭМФ зависит от размеров резонаторов. Увеличение числа резонаторов свыше 8¸9 уже мало сказывается на крутизне скатов характеристики, а значит, и на избирательности фильтра.

σ, дБ

f

∆f_П

Рис.19.7. Характеристика избирательности ЭМФ

Полоса пропускания ЭМФ может быть в пределах от десятков герц до десятков килогерц, резонансные частоты – до единиц мегагерц. Избирательность ЭМФ может составлять более 80 дБ.

Одна из возможных схем усилителя промежуточной частоты с ЭМФ показана на рисунке 19.8.

Принцип действия этой схемы ясен из принципа работы ЭМФ. Конденсаторы С₁ и С₂ совместно с катушками магнитострикционных преобразователей образуют колебательные контуры на входе и выходе фильтра. Эти колебательные контуры с помощью конденсаторов С₁ и С₂ настраиваются в резонанс на среднюю частоту f_ПЧ полосы пропускания фильтра. За счет резонансных свойств контуров схема обеспечивает наибольший коэффициент усиления.

ЭМФ

R_Э С_Э R_Ф C_Ф

Рис.19.8. Усилитель промежуточной частоты с ЭМФ

При условии согласования характеристического сопротивления фильтра с сопротивлением нагрузки коэффициент усиления каскада можно рассчитать по формуле

К₀ = ½ р₁ р₂ Y₂₁ R 1^–Amax·An,

где р₁, р₂ – коэффициенты включения КФ к выходу усилительного элемента и входу следующего каскада;

Y₂₁ – крутизна характеристики усилительного элемента;

R – нагрузочное сопротивление, равное характеристическому сопротивлению фильтра (обычно 50¸150 кОм);

А_max – затухание фильтра в полосе пропускания;

Аn – коэффициент преобразования электрической энергии в механическую (Аn < 1).

Достоинства ЭМФ:

1. Малые геометрические размеры (меньше LC-фильтров).

2. Высокая избирательность.

3. Сравнительно высокая стабильность параметров к изменению температуры и механическим воздействиям.

4. Высокая устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.

Недостатки ЭФМ:

1. Высокая сложность производства, что приводит к высокой стоимости.

2. Ограниченность рабочего диапазона. На частотах более единицМГц сложно обеспечить устойчивость работы.

3. Относительно большое затухание в полосе пропускания.

4. Неравномерность коэффициента передачи в полосе пропускания (рис.19.7).

Следует отметить, что с появлением новых материалов, с совершенствованием технологии и конструкции эти недостатки постепенно устраняются.

Выводы по 2-му вопросу:

1. Электромеханические фильтры имеют характеристики, близкие к идеальным: избирательность по соседнему каналу достигает значения 80 и более децибел.

2. В виду своей сложности и высокой стоимости электромеханические фильтры используются, как правило, в профессиональной технике связи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Этой лекцией закончилось изучение усилителей промежуточной частоты (УПЧ) – усилителей, нагрузкой которых является полосовой фильтр. Особенность такого усилителя в том, что полосовой фильтр настроен на одну частоту, является достаточно сложным устройством и поэтому обладает высокой избирательностью по соседнему каналу. УПЧ является составной частью супергетеродинного радиоприемника и знание принципа работы его отдельных элементов позволит лучше представить функционирование радиоприемников ВМФ при изучении дисциплины «Устройства приема и обработки радиосигналов в системах подвижной радиосвязи».