Дисков електромеханичен филтър за SSB
Широкото използване на радиокомуникационни системи с една странична лента (SSB) доскоро беше възпрепятствано от трудности с кондиционирането на сигнала поради липсата на добри и удобни филтриращи устройства. Не беше възможно да се реши този проблем чрез създаване на електрически многоконтурни филтри с концентрирана селекция поради относително ниския качествен фактор на контурите, съставени от конвенционални индуктори и кондензатори. Кварцовите филтри, подходящи за SSB, са твърде обемисти, скъпи и трудни за производство. Следователно беше необходимо да се търсят принципно нови начини за конструиране на високоселективни радиочестотни лентови филтри. Един от тези начини беше използването на механични осцилаторни системи за филтриращи цели. Такива електрически филтри с механични осцилиращи системи се наричат електромеханични. Вече са известни редица различни видове електромеханични филтри за работни честоти от 60 до 550 kHz и честотни ленти от няколко десетки Hz до 33-40 kHz. Тези филтри се характеризират с висока селективност, малки размери и тегло, добра устойчивост на температура и време. Няма съмнение, че в близко бъдеще те напълно ще заменят кварцовите филтри от посочения честотен диапазон.
Тази статия дава кратко описание на дисков електромеханичен филтър (EMF) за работна честота 500 kHz и честотна лента 3,1 kHz, произведен от местната индустрия под името EMF-D-500-ZV *) за еднолентови системи. Основно внимание е отделено на правилата за работа и особеностите на конструкцията на схеми с електромеханични филтри.
Принцип на работа и дизайн
В разглежданите филтри, електрическите компоненти, които трябва да бъдат филтриранитрептенията се подават към електромеханичен преобразувател, разположен на входа на филтъра. Тук те се преобразуват в механични вибрации, които след това се разпространяват под формата на вълни по филтърната система, която представлява верига от свързани резонатори. Филтрираните механични вибрации влизат в изходния преобразувател, където отново се преобразуват в електрически вибрации, подавани към изхода на филтъра. Като резонатори се използват кръгли метални пръти, работещи в режим на усукващи или надлъжни вибрации, пластини с различна форма, топки с радиални вибрации и др. За горната част на разглеждания честотен диапазон (300-550 kHz) най-удобните резонатори са направени под формата на дискове, които използват огъващи трептения с два възлови кръга.
Дисковите резонатори 4 са свързани помежду си чрез няколко съединителни проводника 5, заварени към всеки диск в две точки, разположени в краищата му. Два допълнителни проводника 6 и 7 служат за увеличаване на свързването между крайния и предкрайния резонатори, което се изисква в съответствие със структурата на филтъра. Колкото по-голям е броят и диаметърът на съединителните проводници, толкова по-широка е честотната лента на филтъра. Проводникът 8 на изходния магнитострикционен преобразувател, направен по същия начин като входния, е прикрепен към центъра на последния резонатор. Цялата верига от резонатори, като продължават свързващите проводници 5, се задържат върху опорните чаши 9 и 10, с помощта на които осцилаторната система се закрепва към фитингите на филтъра. В долната част на всяка от опорните чаши има отвор за проводника на сондата. Намотки 1 и 11 са поставени вътре в чашите. За да се увеличи ефективността на преобразувателите, входните и изходните вериги са настроени на средната честота на филтъра с помощта на външни кондензатори. Електрически трептения се подават към намотка 1. Променливото магнитно поле на намотката, което възниква под въздействието на високочестотни токове, протичащи през нея, поради директния ефект на магнитострикция, възбужда надлъжни механични колебания в проводник 2, които се предават на първия дисков резонатор. Чрез проводници 5 тези трептения се предават последователно от резонатор на резонатор и достигат до крайния диск, който възбужда надлъжни трептения в8-жилен изходен преобразувател. Поради обратния ефект на магнитострикцията, в намотката 11 възникват електрически трептения, които се подават към изхода на филтъра. Всеки резонатор на електромеханичен филтър е еквивалентен по своите функции на осцилаторна верига на електрически филтър, а свързващите проводници са еквивалентни на свързващите кондензатори между тези вериги. Следователно, колкото повече резонатори има в един електромеханичен филтър, толкова по-висока е неговата селективност.
На фиг. 3 е показана еквивалентната схема на дисковия филтър. Тук последователните вериги LC са електрическите аналози на дисковите резонатори, а кондензаторите Ccv представляват, с известно приближение, комуникационните проводници. Товарните резистори R1 и R2 отразяват свойствата на затихване на преобразувателите, които се използват за съгласуване на филтъра. Качествено резонаторите на електромеханичния филтър се различават рязко от колебателните вериги на електрическия филтър. Ако коефициентът на качество на последния обикновено не надвишава 150-200, тогава първият, като правило, има коефициент на качество 8000-15000, тоест почти сто пъти по-голям. Това обяснява изключително високата селективност на електромеханичните филтри, както и факта, че те могат да бъдат конструирани за много тесни честотни ленти. Освен това механичните резонатори от специална желязо-никелова сплав от типа еленвар имат много добра температурна и времева стабилност и почти абсолютна цикличност на параметрите си, което не се наблюдава в електрическите вериги. Така например, ако температурният коефициент на честотата на електрическите вериги при тези честоти е (50-100)10 -6 I/deg, тогава за механичните резонатори той не надвишава (3-7)10 -6 I/deg. Това обяснява високата стабилност на електромеханичните филтри.
Външният вид на описания филтър е показан в заглавието на статията. Неговата трептителна система и елементи са показани на фиг. 4. Филтърът съдържа 9 резонатора с диаметър 8,5 мм и дебелина 1,82 - 1,87 мм. Разстоянието между тях е 1 мм. Всички резонатори са свързани помежду си с три снопа проводници с диаметър 0,25 mm. Проводникът на преобразувателя е с диаметър 0,12 mm и дължина 10,5 - 11 mm.
Параметри и характеристики на работа
Характеристиките на филтъра са силно повлияни от настройката на неговите електрически вериги, които включват намотки на магнитострикционни преобразуватели L1, L2 и външни кондензатори C1, C2 и C3, C4 (фиг. 6). Има електромеханична връзка между всяка от тези вериги и проводника на съответния преобразувател. Както в свързана електрическа система с две вериги, в проводниците на преобразувателите от разглежданите вериги се въвежда допълнително затихване, което се проявява под формата на затихване на проводниците. Този компонент на затихване играе важна роля в съвпадението на филтъра. Когато веригите L1C1C1 и L2C3C4 са настроени на резонанс, затихването, въведено в проводниците, достига максималната си стойност, осцилаторната система се оказва механично най-силно шунтирана и правилно съгласувана, в резултат на което неравномерността на честотната характеристика в лентата на пропускане е минимална. Разстройването на контурите води до значително влошаване на усилването на филтъра и появата на дълбоки вдлъбнатини в неговата лента на пропускане. Настройката на филтърните вериги трябва да се извърши на централната честота fav, равна на 501,85 kHz. За неговото изпълнение на входа на регулираната каскада от GSS се подава немодулирано напрежение с определената честота. На изхода на следващия етап (L2, на фиг. 6) се включва лампаволтметър, според максималното отклонение на стрелката на който се настройват кондензатори C1 и C4 (фиг. 6). Тъй като има малко вътрешно свързване между входните и изходните вериги на филтъра, всяка верига може да се настройва, без да се заобикаля другата. Коефициентът на качество на електрическите вериги на филтъра е нисък (5-10) и настройката им не е рязка. Това позволява, след настройка, да се заменят настройващите кондензатори C1 и C4 с постоянни кондензатори с толеранс от + 5%. Поради описаното влияние на веригите на преобразувателя върху параметрите на филтъра, когато веригите са шунтирани, затихването се увеличава и неравномерността на честотната характеристика в лентата на пропускане на филтъра се увеличава забележимо. Първото изглежда се разбира от само себе си. Второто се обяснява по следния начин. При шунтиране качественият фактор на веригите намалява. Това води до намаляване на загубите, въведени в проводниците на магнитострикционните преобразуватели от електрическата страна, или, с други думи, води до отслабване на затихването на осцилаторната система от преобразувателите. Ако направим аналогия с електрическите филтри, това е еквивалентно на разтоварване на филтъра, тоест неговото несъответствие. Известно е, че последното причинява увеличаване на пулсациите на лентата на пропускане. Ако стане необходимо да се шунтират филтърните вериги, желателно е съпротивленията, свързани успоредно на неговия вход и изход, да са поне 100 - 200 kOhm. По същата причина лампата на входа на филтъра (L1 на фиг. 6) трябва да бъде избрана с високо вътрешно съпротивление.
___________ *) Името на филтъра се дешифрира, както следва: EMF - електромеханичен филтър, D - диск, 500 - работна честота в kHz, 3 - честотна лента в kHz, V - горна страна.
* Коефициент на правоъгълносте отношението на честотната лента при дадено затихване на сигнала към честотната лента на филтъра.