Рассмотрим, что за устройство называют фильтром, и какие параметры фильтра интересны для радиолюбителя прежде всего. Фильтр это
четырехполюсник (то есть, устройство, имеющее два входных вывода и два выходных), служащий для селекции сигналов по частоте, и пропускающий в свою нагрузку лишь ту часть спектра, которая находится в пределах области его прозрачности.
Спектральные составляющие других частот, которые как говорят, находятся в области непрозрачности фильтра, поступают в нагрузку фильтра с большим ослаблением. Фильтры различают по частотным характеристикам. Радиолюбители обычно сталкиваются с фильтрами трех типов. Это фильтр верхних частот, фильтр нижних частот, и полосовой фильтр. Рассмотрим, в чем их отличия друг от друга.
Фильтр нижних частот, это фильтр, область прозрачности которого простирается от области нулевых частот, или от постоянного тока, до некоторой определенной частоты.
Фильтр верхних частот, это фильтр, область прозрачности которого находится выше некоторой определенной частоты и простирается до бесконечности. Полосовой фильтр, это фильтр, область прозрачности которого начинается от некоторой определенной нижней частоты и заканчивается некоторой определенной верхней частотой.
Рис. 1 показывает характеристику фильтра верхних (рис.1а), нижних частот (рис.1б) и полосового фильтра (рис.1 в).
На этом рисунке разъяснены такие важные параметры фильтра как полоса пропускания, область задерживания, глубина подавления в области задерживания, область прозрачности, затухание в области прозрачности, частота среза фильтра. Выделяют еще такой важный параметр фильтра, как крутизна скатов. Чем меньшую область частот на частотной характеристике фильтра занимает переход от полосы пропускания к полосе задерживания, тем больше крутизна скатов фильтра.
Для эффективного подавления внеполосных излучений необходим фильтр, обладающий небольшим затуханием в своей полосе пропускания, значительным подавлением в полосе непрозрачности, имеющий крутые скаты характеристики при переходе от полосы прозрачности к полосе непрозрачности, и характеристическое сопротивление по входу и выходу, равные сопротивлению нагрузки и генератора. О таком важном параметре фильтра как характеристическое сопротивление, будет сказано ниже. А сейчас рассмотрим, как можно практически определить, какой амплитудно - частотной характеристикой (или сокращенно АЧХ) из показанных на рис.1, обладает наш фильтр.
Снятие АЧХ фильтра.
Рисунок 2
Рассмотрим, как наиболее просто можно снять АЧХ фильтра. Для этого собирается схема, показанная на рис.2. Фильтр подключают к высокочастотному генератору, выходное сопротивление которого равно характеристическому сопротивлению фильтра, выход генератора нагружают на нагрузку, сопротивление которой равно характеристическому сопротивлению фильтра. Параллельно входу и выходу фильтра включают вольтметры. Снимают зависимость от частоты генератора значения высокочастотного напряжение на входе фильтра, и на его выходе. На основании этих значений строят график АЧХ фильтра, примеры которых показаны на рис.1.
Обратите внимание на следующую особенность построения графиков АЧХ фильтра. Затухание фильтра, которое на графике обозначают буквой «А», может быть построено в нескольких масштабах. Например, если данные по фильтру сняты экспериментально, согласно схеме приведенной на рис.2, то сразу представляется, что наиболее просто построить АЧХ фильтра в Линейном масштабе. В этом случае, затухание «А» равно отношению выходного и входного напряжения вольтметров (см. рис.2) установленных на входе и выходе фильтра. Однако линейный масштаб во многих случаях не очень удобен. Как правило, хороший фильтр может обеспечить ослабление мощности гармоник сигнала в полосе задерживания фильтра в 1000 и более раз. График амплитудно - частотной характеристики такого фильтра, построенный в линейном масштабе, будет выглядеть не наглядно. Для более удобного графического отображения амплитудно - частотной характеристики фильтра, затухание фильтра, как правило, строят в Логарифмическом масштабе. В этом случае откладывают десятичный логарифм отношения напряжений, действующих на входе и выходе фильтра. Логарифмический масштаб позволяет отследить как малые, так и большие изменения происходящие в АЧХ фильтра.
Однако, оперировать величиной подавления по напряжению во многих случаях нерационально. Действительно, пользователям фильтра важнее знать, как гармоники, поступающие на вход фильтра, ослабляются этим фильтром по мощности, чем иметь сведения, об ослаблении гармоник фильтра по напряжению. По этой причине, практически всегда, по умолчанию, график затухания фильтра строят как отношение мощности сигнала рассеиваемого в нагрузке к мощности, действующей на входе фильтра. Именно такие графики приведены практически во всей технической литературе, расчет затухания фильтра по мощности осуществляют компьютерные программы моделирования фильтров. Если уж используют график отношения напряжений на входе и выходе фильтра, то это оговаривают особо.
Как правило, при экспериментальном обмере фильтра, его АЧХ строят только на основании измерения напряжения на входе и выходе фильтра, поскольку, зная это напряжение, сопротивление нагрузки фильтра и генератора, характеристическое сопротивление фильтра, можно легко перейти к построению АЧХ фильтра в логарифмическом масштабе мощностей. На рис.2 показан пример расчета логарифмического затухания фильтра по мощности на основе показаний вольтметров, установленных на фильтре. Для того, что бы пользоваться этой методикой, необходимо чтобы характеристическое сопротивление фильтра было постоянным во всем диапазоне частот обмера фильтра. Однако, это бывает крайне редко. Давайте же рассмотрим, что же такое за параметр характеристическое сопротивление фильтра.
