§18.3. Мостовые фильтры
Для построения фильтров можно взять в качестве звеньев мосто вые четырехполюсники, которые являются каноническими схемами,
т.е. могут быть всегда реализованы. Они, однако, требуют большего числа элементов по сравнению с Т- и П-образными четырехполюс никами и поэтому применяются реже. Ограничимся рассмотрением лишь мостовых реактивных четырехполюсников, как звеньев филь тров нижних частот. Для мостовых четырехполюсников постоянная распространения может быть определена из равенства (17.58):
Аналогично тому, как это было сделано при выводе формул (18.2) и (18.3), получаем
c h a c c o s ô c = 4 ? ^ l ^ . |
( 1 8 - 4 7 ) |
а |
|
s h a c s i n ô c = 0. |
(18.48) |
Полоса пропускания определяется тем, что ас |
— 0 и ch ас = 1. |
Поэтому аналогично (18.5) условие существования полосы пропу |
скания определяется неравенством |
|
_ 1 ^ | * ± | 2 . ^ 1 . |
(18.49) |
Ясно, что реактивные сопротивления Za и 1Ь в полосе пропускания не могут быть одного знака, так как в этом случае абсолютное зна чение суммы всегда больше абсолютного значения разности. Поэтому в полосе пропускания одно из сопротивлений должно иметь индук
|
тивный, а другое — емкостный |
характер. |
|
|
Аналогично (18.8) находим, что замена неравенств (18.49) |
|
равенствами определяет |
граничные |
частоты. Первая |
граничная |
|
частота Д определяется |
равенством |
|
|
|
|
|
Zb + Zg |
_ |
j |
|
|
что возможно при |
zb—Za |
|
' |
|
|
|
|
|
|
|
|
Za (/x) = 0 или Z ô ( / 1 ) = co. |
(18.50) |
|
Вторая граничная частота / 2 |
аналогично определяется равенством |
|
|
Zb + |
Za = |
- |
I, |
|
|
что возможно при |
^ь — |
|
|
|
|
|
= 0 |
или |
Z a ( / 2 ) = co. |
(18.51) |
|
Zb(fi) |
Рассмотрим фильтр нижних частот. Для него fx = 0. Если при нять первое решение (18.50), то наиболее просто выбрать
Далее вторая граничная частота равна частоте |
среза (/2 |
= / 0 ) . |
Это согласно первому решению (18.51) получается при |
|
|
Zb = ju>Lb-j-~-t |
|
(18.53) |
|
если |
|
|
|
|
|
ш0 = 2Л /о = - ^ = - . |
(18.54) |
Схема звена |
фильтра нижних частот |
показана |
на рис, |
18.25. |
В полосе пропускания (/ </ 0 )величины Z a |
nZb разного знака, в поло |
се задерживания |
(/ > /0 ) — одного знака. |
|
|
|
Рис. 18.25
Мостовой четырехполюсник можно заменить эквивалентным Т-образным четырехполюсником. Согласно (17.33) для этого необ ходимо, чтобы в Т-образном четырехполюснике
Zi = Za, Z2 — Zb Za.
Поэтому для фильтра нижних частот надо положить
Z1 = jwLa, Zz = —j-^r- + j(ü(Lb — La). |
(18.55) |
Сравнивая с тем, что было получено в § 18.2 для последовательнопроизводного полузвена типа m (см. рис. 18.18), находим согласно (18.39) и (18.40)
|
Ьа = тЬъ Cb = mC2, L b = ^-Li. |
(18.56) |
Таким |
образом, |
|
|
|
|
|
(18.57) |
Равенствами (18.56) и (18.57) определяется |
эквивалентность |
звеньев мостового и Т-образного фильтров. |
|
При |
L a = L b |
эквивалентный Т-образный |
четырехполюсник |
является |
фильтром |
типа К. При L a > L b , т. е. при m > 1, мосто |
вой фильтр можно реализовать, но Т-образный фильтр (без трансфор матора) не может быть реализован, так как индуктивность согласно (18.55) получается отрицательной.
Возможен, как отмечалось, другой выбор сопротивлений Za и Zb для мостового фильтра. Если для первой граничной частоты fx = 0
принять второе решение (18.50), то проще всего положить
Для второй граничной частоты f2 = /0 второе решение (18.51) удовлетворяется, если
|
1 |
• п |
(18.59) |
|
у |
= J(ùCa |
|
iùLn |
со0 = 2nf0 =
Вторая схема звена мостового фильтра нижних частот показана на рис. 18.26.
Рис. 18.26
Этот мостовой четырехполюсник можно заменять эквивалент ным П-образным. четырехполюсником. Согласно (17.34) для этого необходимо, чтобы в П-образном четырехполюснике
Поэтому для фильтра нижних частот
ав і-]Нш<с--с»>-'5Ь z « = - ^ - ( 1 8 -6 0 )
Сравнивая с тем, что было получено в § 18.2 для параллельнопроизводного звена типа m (см. рис, 18.23), находим согласно (18.43) и (18.44)
|
L a |
= mLuCa = ~C2,Cb = mC2. |
(18.61) |
Таким образом, в этом случае |
|
|
|
|
(18.62) |
При Са = Сь эквивалентный П-образный четырехполюсник явля |
ется фильтром |
типа К. |
|
Мостовые |
звенья |
фильтров, изображенные на рис. |
18.25 и |
18.26, являются наиболее простыми, так как содержат лишь шесть элементов.
Учитывая равенства (18.50) и (18.51), можно построить более сложные фильтры, содержащие 8, 10 и более элементов. Аналогично можно получить схемы мостовых фильтров верхних частот, полосо вых и заграждающих фильтров.
§18.4. Расчет фильтров
1.Расчет фильтров по характеристическим параметрам. Как было указано в § 18.2, расчет фильтров по характеристическим параметрам давал бы хороший результат, если было бы возможным согласовать нагрузку с характеристическим сопротивлением звена
фильтра. В этом случае рабочее затухание фильтра совпадало бы с собственным (характеристическим) затуханием, и задача была бы решена. Но в действительности характеристическое сопротивление изменяется с частотой согласно (18.20) и (18.21), и согласование невозможно. Рабочее затухание ар отличается от собственного зату хания ас. В частности, в идеальной полосе пропускания, где ас = 0, нельзя считать, что ар = 0. Поэтому эффективная полоса пропу скания берется меньше идеальной так, чтобы характеристическое сопротивление оставалось почти постоянным, и задается максимально допустимое в этой полосе рабочее затухание Да на одно звено фильтра.
Займемся расчетом фильтра нижних частот типа К. Задается эффективная полоса пропускания от 0 до / к , допустимое рабочее затухание в этой полосе частот Да, минимальное рабочее затухание ûmin в эффективной полосе задерживания, простирающейся от частоты fk до бесконечности, и нагрузка фильтра RH (см. рис. 18.4). Предполагается, что внутреннее сопротивление генератора равно сопротивлению нагрузки. Между полосой пропускания и полосой задерживания находится полоса перехода (между / х и f k ) . Для вели чины затухания в этой полосе никаких условий не ставится. Внутри полосы перехода находится частота среза /0 , и отношение
|
х = £ |
(18.63) |
|
/о |
|
называется коэффициентом |
использования полосы |
пропускания. |
Для Т-образного звена фильтра характеристическое сопротивление
в |
эффективной полосе пропускания согласно |
(18.20) меняется от |
R0 |
до і ? 0 ] / і — ѵ?. Поэтому целесообразно в |
качестве нагрузки |
выбрать активное сопротивление, равное по величине среднему гео метрическому между этими величинами:
Для П-образного звена согласно (18.21) характеристическое сопротивление меняется от R0 до ^ 0 а . Поэтому нагрузочное сопро тивление как среднее геометрическое должно быть выбрано так:
* . - 5 7 і Ь - |
( І 8 ' 6 5 ) |