Глава 4. Параметры фильтров и их использование для расчета характеристик каскада УРУ на ЭЦВМ

4.1. Общие сведения о фильтрах передающих линий усилителей с распределенным усилением

Основное требование, предъявляемое к передающим линиям УРУ, заключается в простоте конструкции используемых фильтров. При этом должны обспечиваться: естественное включение междуэлектродных реактивностей усилительных элементов в состав фильтров, идентичность частотных зависимостей постоянных распространения фильтров входной и выходной линий (отсутствие взаимной расстройки или расфазировки ПЛ), получение нужной полосы пропускания, возможность достаточно хорошего согласования фильтров с нагрузочными сопротивлениями в диапазоне частот.

В УРУ наибольшее распространение получили следующие типы фильтров: фильтры нижних частот типа k или m (ФНЧ типа k или m), полосовой трехэлементный фильтр (ПТФ), дискретно-распределенный фильтр (ДРФ), представляющий в частном случае отрезок длинной линии, зашунтированный конденсатором, и полосовой фильтр типа k (ПФ типа k).

Схемы реактивных T-образных полузвеньев перечисленных фильтров показаны на рис. 4.1. Звенья Т или П-образных фильтров являются комбинациями T-образных полузвеньев.

Рис. 4.1. T-образные полузвенья фильтров, используемых в усилителях с распределенным усилением

Применение тех или иных фильтров в основном зависит от диапазона частот. ФНЧ типа k работоспособны практически до частот 700-800 МГц, наиболее просты в исполнении и настройке. Этот тип фильтра является основным при построении УРУ. Последовательно-производные ФНЧ типа m (m < 1) обычно используются в качестве согласующих полузвеньев и применяются в том же диапазоне частот при построении усилителей на электронных лампах. В транзисторных УРУ применение согласующих ФНЧ типа m в ряде случаев нецелесообразно ввиду того, что частотно-зависимые входные и выходные емкости транзисторов способствуют выравниванию в диапазоне частот характеристического сопротивления с Т-образной стороны ФНЧ типа k.

ФНЧ типа m (m > 1), реализуемый на ФНЧ типа k при наличии магнитной связи между катушками индуктивности в последовательных ветвях Т-образного фильтра, нашел применение только в диапазоне метровых волн. Такой фильтр по сравнению с ФНЧ типа k позволяет получить более линейную фазочастотную характеристику УРУ или компенсировать индуктивности вводов УЭ [9]. Однако сложность получения достаточно большой взаимоиндуктивности препятствует применению этого фильтра на более высоких частотах.

Полосовой трехэлементный фильтр успешно применяется в УРУ с коэффициентом перекрытия частотного диапазона k_д < 4. При этом можно получить большее волновое сопротивление, чем в ФНЧ типа k, при одних и тех же межэлектродных емкостях, что влечет за собой увеличение коэффициента усиления. Недостатком ПТФ является наличие дополнительной катушки индуктивности, что особенно неудобно в многосекционном УРУ. При полосе пропускания порядка 1 ГГц катушка индуктивности последовательной ветви ФНЧ типа k приобретает свойства элемента с распределенными параметрами и в принципе может быть заменена отрезком длинной линии. Таким образом, дискретно-распределенный фильтр является вырожденным фильтром нижних фастот типа k. Полосовой фильтр типа k ввиду своей сложности применялся только в метровом диапазоне волн [13]. Усилители с распределенным усилением на ПФ типа k с f_B > 300 МГц весьма сложны в настройке.

Далее мы будем рассматривать наиболее употребительные фильтры: ФНЧ типа k и m (m < 1), полосовой трехэлементный фильтр и дискретно-распределенный фильтр. Комплексные входные и выходные сопротивления усилительных элементов частично или полностью образуют последовательные или параллельные ветви фильтров (на рис. 4.2 Z_a или Y_b). При параллельном включении входа или выхода УЭ в передающую линию Y_b представляет собой сумму вносимой усилительным элементом комплексной проводимости и дополнительной проводимости, например, либо емкости монтажа, либо дополнительной емкости для обеспечения синфазности передающих линий. При последовательном включении в Z_a также входит комплексное вносимое сопротивление усилительного элемента.

Рис. 4.2. T-образное полузвено фильтра на сосредоточенных элементах

Особенностью фильтров УРУ является наличие потерь, обусловленных активными составляющими вносимых сопротивлений или проводимостей. Хотя в каждом фильтре потери малы, однако в многосекционном каскаде УРУ потери оказывают существенное влияние, ограничивая его коэффициент усиления и полосу пропускания.