Дисковий електромеханічний фільтр для SSB
Широкому поширенню систем радіозв'язку, що використовують одну бічну смугу частот (SSB), до останнього часу перешкоджали утруднення у формуванні сигналу, пов'язані з отути хороших і зручних фільтруючих пристроїв. Вирішити це завдання шляхом створення електричних багатоконтурних фільтрів зосередженої селекції не уявлялося можливим внаслідок відносно низької добротності контурів, складених із звичайних котушок індуктивності та конденсаторів. Кварцові фільтри, придатні для SSB, занадто громіздкі, дорогі і складні у виробництві. Тому довелося шукати принципово нові шляхи побудови високовиборчих радіочастотних смугових фільтрів. Одним з таких шляхів стало використання для цілей фільтрації механічних коливальних систем. Такі електричні фільтри з механічними коливальними системами отримали назву електромеханічних. Зараз вже відомий цілий ряд різних типів електромеханічних фільтрів на робочі частоти від 60 до 550 кГц та смуги пропускання від кількох десятків Гц, до 33-40 кГц. Ці фільтри відрізняються високою вибірковістю, малими розмірами та вагою, гарною температурною та тимчасовою стабільністю. Немає сумніву, що найближчим часом вони повністю витіснять із зазначеного діапазону частот кварцові фільтри.
У цій статті наведено короткий опис дискового електромеханічного фільтра (ЕМФ) на робочу частоту 500 кГц і смугу пропускання 3,1 кГц, що випускається вітчизняною промисловістю під назвою ЕМФ-Д-500-ЗВ*) для односмугових систем. Основна увага приділена правилам експлуатації та особливостям побудови схем з електромеханічними фільтрами.
Принцип дії та конструкція
У фільтрах, що розглядаються, підлягають фільтрації електричніколивання підводяться до електромеханічного перетворювача, розташованого на вході фільтра. Тут вони перетворюються на механічні коливання, які потім у вигляді хвиль поширюються вздовж фільтруючої системи, що є ланцюжком пов'язаних резонаторів. Відфільтровані механічні коливання потрапляють на вихідний перетворювач, де вони знову перетворюються на електричні коливання, що надходять на вихід фільтра. В якості резонаторів застосовуються круглі металеві стрижні, що працюють в режимі крутильних або поздовжніх коливань, пластини різної форми, кульки з радіальними коливаннями і т.п. Для верхньої ділянки діапазону частот (300-550 кГц), що розглядається, найбільш зручні резонатори, виконані у вигляді дисків, в яких використовуються коливання вигину з двома вузловими колами.
Дискові резонатори 4 з'єднані між собою декількома дротиками 5 зв'язку, привареними до кожного диска в двох точках, розташованих біля його країв. Дві додаткові тяганини 6 і 7 служать для збільшення зв'язку між кінцевими і передконечними резонаторами, що потрібно відповідно до структури фільтра. Чим більше число і діаметр тяганини зв'язку, тим ширша смуга пропускання фільтра. До центру останнього резонатора приєднана тяганина 8 вихідного магнітострикційного перетворювача, виконаного так само, як і вхідний. Весь ланцюжок резонаторів за допомогою продовження зволікань зв'язку 5 утримується на опорних склянках 9 і 10, за допомогою яких коливальна система кріпиться в арматурі фільтра. У дні кожного з опорних склянок є отвір для зволікання перетворювача. Всередині склянок розміщуються котушки 1 і 11 Для підвищення ефективності перетворювачів вхідний та вихідний контури за допомогою зовнішніх конденсаторів налаштовуються на середню частоту фільтра. Електричні коливання підводяться до котушки 1. Змінне магнітне поле котушки, що виникає під дією струмів ВЧ, що протікають через неї, завдяки прямому ефекту магнітострикції збуджують у дроті 2 поздовжні механічні коливання, які передаються першому дисковому резонатору. Дротами зв'язку 5 ці коливання послідовно передаються від резонатора до резонатора і досягають кінцевого диска, який збуджує поздовжні коливаннядроті 8 вихідного перетворювача. Внаслідок зворотного ефекту магнітострикції в котушці 11 виникають електричні коливання, які надходять на вихід фільтра. Кожен резонатор електромеханічного фільтра за своїми функціями еквівалентний коливальному контуру електричного фільтра, а зволікання зв'язку - конденсаторам зв'язку між цими контурами. Таким чином, що більше в електромеханічному фільтрі резонаторів, то вище його вибірковість.
На рис. 3 наведено еквівалентну схему дискового фільтра. Тут послідовні контури LС є електричними аналогами дискових резонаторів, а конденсатори Сcв - відображають, з відомим наближенням, зволікання зв'язку. Опір навантаження R1 і R2 відображають демпфуючі властивості перетворювачів, які використовуються для узгодження фільтра. Якісно резонатори електромеханічного фільтра різко відрізняються від коливальних контурів електричного фільтра. Якщо добротність останніх зазвичай не перевищує 150-200, то перші, як правило, мають добротність 8000-15000, тобто майже сто разів більшу. Саме цим пояснюється надзвичайно висока вибірковість електромеханічних фільтрів, а також те, що їх можна побудувати на дуже вузькі смуги пропускання. Крім того, механічні резонатори, виконані зі спеціального залізонікелевого сплаву еленварного типу, мають дуже хорошу температурну і часову стабільність, і практично абсолютну циклічність своїх параметрів, що не спостерігається у електричних контурів. Так, наприклад, якщо температурний коефіцієнт частоти електричних контурів цих частотах становить (50-100)10 -6 I/град, то в механічних резонаторів він не перевищує (3-7)10 -6 I/град. Цим пояснюється висока стабільність електромеханічних фільтрів.
Зовнішній вигляд фільтра, що описується, показаний в заголовку статті. Його коливальна система та елементи наведені на рис. 4. Фільтр містить 9 резонаторів діаметром 8,5 мм та товщиною 1,82 - 1,87 мм. Відстань між ними становить 1 мм. Всі резонатори з'єднані між собою трьома зволіканнями-зв'язками діаметром 0,25 мм. Дріт перетворювача має діаметр 0,12 мм і довжину 10,5 - 11 мм.
Параметри та особливості експлуатації
Великий вплив на характеристики фільтра надає налаштування його електричних контурів, що включають котушки магнітострикційних перетворювачів L1, L2 і зовнішні конденсатори С1, С2 і С3, С4 (рис. 6). Між кожним з цих контурів і дротиком відповідного перетворювача є електромеханічний зв'язок. Як і в пов'язаній двоконтурній електричній системі, з контурів, що розглядаються, в зволікання перетворювачів вноситься додаткове згасання, що проявляється у вигляді демпфування зволікань. Ця складова згасання грає істотну роль відповідності фільтра. Коли контури L1С1С1 і L2С3С4 налаштовані в резонанс, загасання, що вноситься в зволікання, досягає максимального значення, коливальна система виявляється механічно найбільш сильно шунтованою я правильно узгодженою, в результаті чого нерівномірність частотної характеристики в смузі пропускання виходить мінімальною. Розлад контурів призводить до значного погіршення коефіцієнта передачі фільтра і появи глибоких западин в межах його смуги пропускання. Налаштування контурів фільтра повинно проводитися на середній частоті fср, що дорівнює 501,85 кГц. Для її здійснення до входу каскаду, що регулюється, від ГСС підводиться немодульована напруга зазначеної частоти. На виході наступного каскаду (Л2, рис. 6) включають ламповийвольтметр, за максимальним відхиленням стрілки якого налаштовуються конденсатори С1 і С4 (рис. 6). Так як внутрішній зв'язок між вхідним і вихідним контурами фільтра мала, налаштування кожного з контурів можна проводити, не шунтуючи інший. Добротність електричних контурів фільтра невелика (5-10), і їхнє налаштування виходить не гострим. Це дозволяє після налаштування замінити підстроювальні конденсатори С1 та С4 конденсаторами постійної ємності, що мають допуск +5%. Внаслідок описаного впливу контурів перетворювачів на параметри фільтра при шунтуванні контурів збільшується згасання і помітно зростає нерівномірність частотної характеристики смуги пропускання фільтра. Перше, мабуть, не потребує пояснень. Друге пояснюється так. При шунтуванні добротність контурів знижується. Це викликає зменшення втрат, що вносяться у зволікання магнітострикційних перетворювачів з електричної сторони, або, інакше кажучи, призводить до ослаблення демпфування коливальної системи перетворювачами. Якщо провести аналогію з електричними фільтрами, це еквівалентно розвантаженню фільтра, тобто його неузгодженню. Останнє, як відомо, викликає зростання нерівномірності частотної характеристики смуги пропускання. Якщо з'явиться необхідність шунтувати контури фільтра, бажано, щоб опори, підключені паралельно до його входу та виходу, були не менше 100 - 200 кОм. З цієї причини лампу, що стоїть на вході фільтра (Л1 на рис. 6), слід вибирати з великим внутрішнім опором.
___________ *) Назва фільтра розшифровується наступним чином: ЕМФ - електромеханічний фільтр, Д - дисковий, 500 - робоча частота в кГц, 3 - смуга пропускання в кГц, В - верхня бічна.
* Коефіцієнт прямокутностіє відношенням ширини смуги пропускання при заданому ослабленні сигналу до ширини смуги пропускання фільтра.