16-5. Частотные электрические фильтры

Электрическими фильтрами называются четырехполюсники, обычно составленные из катушек индуктивности и конденсаторов, которые пропускают к приемнику из всего спектра

частот источника один или несколько заданных диапазонов частот.

Электрические фильтры широко применяются в проводной свя-Зи, в радиотехнике и технике сильных токов. Впервые применил электрический фильтр для одновременного телеграфирования и телефонирования по одному проводу русский военный связист капитан Г. Г. Игнатьев в 1880 году.

Принцип работы электрических фильтров основывается на известных положениях: во-первых, что индуктивное сопротивление прямо пропорционально, а емкостное — обратно пропорционально частоте, и, во-вторых, что в индуктивности ток на угол отстает от напряжения, а в емкости — на столько же опережает. Различные комбинации катушек индуктивности и конденсаторов дают фильтры, различные по своему действию.

Назовем идеальными фильтры, состоящие из чисто реактивных элементов, и будем рассматривать симметричные фильтры следующих типов: низкочастотные, высокочастотные, полосные, многополосные и заграждающие.

Приведенная классификация фильтров — не единственная. Фильтры разделяются еще на следующие типы: фильтры постоянной К, фильтры постоянной М, мостиковые фильтры, фильтры, образованные индуктивно связанными цепями, кварцевые фильтры, -фильтры и др.

Низкочастотные фильтры пропускают токи с частотами от 0 до высокочастотные — токи с частотами от до .

Полосные фильтры пропускают токи, частоты которых лежат в пределах от до а многополосные фильтры — токи одновременно нескольких диапазонов частот — от до от до и т. д. Заграждаю фильтры пропускают токи с частотами от 0 до и от до

Поскольку фильтр — частный случай четырехполюсника, то его свойства определяются вторичными параметрами: характеристическим сопротивлением и постоянной передачи g, причем , где а — постоянная или коэффициент затухания и b — постоянная или коэффициент фазы.

Областью пропускания идеального фильтра называют Диапазон частот, в котором коэффициент затухания фильтра а равен нулю, а областью затухания (не пропускания) — диапазон частот, в котором коэффициент затухания а отличен от нуля.

В области пропускания токи и напряжения на входе и на выходе фильтра должны быть одинаковыми по абсолютному значению. Это было бы возможно, если бы фильтр был согласован с сопротивлением нагрузки, т. е. во всем диапазоне частот области пропускания, что, однако, как будет показано в § 16-6, принципиально недостижимо.

Действительно, при согласовании фильтра с нагрузкой токи и напряжения входа и выхода связаны соотношением (16-15)

Тогда очевидно, что при будем иметь:

    (16-38)

Если же оба условия одновременно выполнены не будут, то величины токов и напряжений на входе и выходе уже не будут одинаковы.

Таким образом, в области пропускания фильтра равенство величин токов и напряжений на входе и выходе получается только для одной или нескольких таких частот этой области, для которых фильтр окажется согласованным с сопротивлением нагрузки.

При практическом выполнении фильтров всегда стремятся по возможности добиться согласованной нагрузки и уменьшить затухание в полосе пропускания. Например, потери в элементах фильтра можно часто уменьшить настолько, что станет допустимым рассматривать его как чисто реактивный. Однако характеристические сопротивления П- и Т-образных схем четырехполюсников и, в частности, фильтров зависят от частоты. Поэтому нельзя обеспечить согласование фильтра с заданным постоянным сопротивлением нагрузки во всей области пропускания. А это и означает, что, кроме одной или нескольких частот, принадлежащих области пропускания, для которых согласование будет иметь место, при всех остальных частотах токи и напряжения на входе и выходе не будут равны.

Даже для идеальных фильтров коэффициент а в области затухания не равен бесконечности. Практически в области затухания для одних фильтров а постепенно возрастает от нуля, у других сначала возрастает, затем уменьшается и т. д. Для получения резкого увеличения коэффициента а в области затухания, начиная от границ этой области, пользуются многозвенными фильтрами, состоящими из нескольких включенных в каскад П- и Т-звеньев, или фильтрами с более сложными схемами (например, типа М).