Откуда берутся гармоники и сколько их нужно подавить
Транзистор усилителя мощности линеен только при малом сигнале. Ближе к насыщению форма выходного тока искажается, и в спектре появляются составляющие на кратных частотах: 2f0, 3f0, 4f0. Чётные гармоники частично гасит двухтактная схема, нечётные остаются. У транзисторного усилителя, работающего близко к насыщению, вторая и третья гармоники нередко лишь на 15–30 дБ ниже основной частоты — это ориентир для оценки, точный уровень даёт измерение или паспорт усилителя.
Сколько нужно подавить, задают нормы на побочные излучения. Распространённый ориентир — рекомендация ITU-R SM.329 для категории A: побочное излучение должно быть ослаблено относительно мощности передатчика не меньше чем на 43 + 10·lg P дБ (P — мощность в ваттах). В абсолютных единицах это около −13 дБм независимо от мощности. Для конкретной службы и полосы действуют свои нормы — их берут из технических требований к радиосредству.
Требуемое подавление фильтра на частоте гармоники = норма (дБc) − |уровень гармоники на выходе усилителя (дБc)| + запас 6–10 дБ.
Шаг 1. Частота среза и правило октавы
Частоту среза ставят выше верхней рабочей частоты: у края полосы АЧХ уже начинает спадать, растут потери и КСВН. Запас берут такой, чтобы вся рабочая полоса оказалась на ровном участке, — в таблицах серий KADAMM для этого указана полоса пропускания с нормированными потерями, а не одна частота среза. Верхняя граница выбора — удвоенная нижняя рабочая частота: на ней уже должна быть полоса заграждения.
Отсюда правило октавы. Если верхняя рабочая частота больше удвоенной нижней, вторая гармоника нижнего края попадает в рабочую полосу верхнего, и один ФНЧ её не подавит. Широкодиапазонные передатчики — КВ-усилители, многодиапазонные радиостанции — поэтому переключают набор ФНЧ по поддиапазонам, каждый уже октавы. Если рабочая полоса узкая, а мешает гармоника, вместо ФНЧ иногда ставят полосовой фильтр, но у ФНЧ обычно меньше потери и выше допустимая мощность.
Шаг 2. Подавление на 2f0 и 3f0 и крутизна ската
В таблицах исполнений KADAMM подавление указано с частотами, на которых оно нормировано, например «40 при 2000–3000 МГц». Проверяют, что этот диапазон накрывает все гармоники рабочей полосы: 2f0 от нижнего до верхнего края, 3f0 и, для широкополосных усилителей, 4f0–5f0. Подавление, нормированное только у края, ещё не говорит, что фильтр подавит гармоники во всей полосе.
Крутизну задают порядок фильтра (число реактивных звеньев) и тип АЧХ. Ориентир для фильтра Баттерворта: ослабление растёт на 6 дБ на октаву на каждый порядок. На частоте вдвое выше среза фильтр 5-го порядка даёт около 30,1 дБ, 7-го — около 42,1 дБ. Фильтр Чебышева при том же порядке круче за счёт небольших пульсаций в полосе пропускания. Эллиптический фильтр (фильтр Кауэра) добавляет нули передачи — провалы АЧХ, которые можно поставить прямо на частоту гармоники и получить 60–90 дБ при умеренном порядке. Платой за крутизну становятся большие потери и чувствительность к допускам.
| Тип АЧХ | Полоса пропускания | Крутизна ската | Где уместен |
|---|---|---|---|
| Баттерворт | максимально гладкая | умеренная, 6 дБ на октаву на порядок | гармоники далеко от рабочей полосы |
| Чебышев | с пульсациями (доли дБ) | выше при том же порядке | передатчики с полосой меньше октавы |
| Эллиптический (Кауэра) | с пульсациями | очень высокая, нули на заданных частотах | гармоника близко к верхнему краю полосы |
Шаг 3. Паразитные полосы пропускания
Реальный ФНЧ подавляет не до бесконечности. У коаксиальных и микрополосковых фильтров на высоких частотах появляются паразитные полосы пропускания: звенья перестают вести себя как сосредоточенные индуктивности и ёмкости. Поэтому подавление нормируют в ограниченном диапазоне — например, до 6 ГГц у фильтра на 1,7 ГГц. Если усилитель широкополосный и его высшие гармоники выходят за этот диапазон, проверяют АЧХ фильтра дальше или ставят второй фильтр.
У волновода своя особенность: он сам по себе фильтр верхних частот, а на частотах гармоник в нём уже распространяются высшие типы волн. Обычный волноводный фильтр, рассчитанный на основную волну, может пропустить гармонику на высшем типе волны. Для мощных радиолокационных и связных передатчиков поэтому выпускают волноводные ФНЧ и специальные фильтры гармоник с нормированным подавлением в полосе 2f0–3f0.
Шаг 4. Мощность, потери и нагрев
Фильтр выбирают по средней мощности передатчика с запасом, а для импульсного сигнала проверяют ещё и импульсную мощность — она ограничена пробоем. Вносимые потери превращаются в тепло: при потерях L дБ в фильтре остаётся доля 1 − 10−L/10 входной мощности. При 100 Вт и потерях 0,5 дБ это около 11 Вт, при 1,5 дБ — около 29 Вт. Поэтому на выход мощного передатчика ставят фильтры с малыми потерями и крупным корпусом: в серии KADAMM ФНЧ у большинства моделей на 100 и 150 Вт потери 0,5–0,7 дБ, у маломощных фильтров на 1–30 Вт — обычно 1–2 дБ.
ФНЧ подавляет гармоники отражением: энергия гармоник возвращается к усилителю. Большинство усилителей это переносят, но если выходной каскад чувствителен к нагрузке на гармониках, между усилителем и фильтром ставят ферритовый вентиль (чем вентиль отличается от циркулятора). Фильтр ставят после последнего нелинейного узла тракта: ФНЧ перед усилителем гармоники усилителя не уберёт.
Пример расчёта: передатчик 400–470 МГц, 100 Вт
- Норма. 43 + 10·lg 100 = 63 дБc.
- Уровень гармоники усилителя (допущение примера): вторая гармоника -25 дБc.
- Требуемое подавление на 800–940 МГц: 63 − 25 = 38 дБ, с запасом — не меньше 45 дБ.
- Правило октавы: 2·400 = 800 МГц > 470 МГц — один ФНЧ подходит.
- Выбор: KADAMM ФНЧ-380/470-50-N — полоса 0,38–0,47 ГГц, подавление 50 дБ в полосе 760–6000 МГц (накрывает 2f0 и 3f0), средняя мощность 150 Вт, потери 0,7 дБ, N.
- Итог: вторая гармоника опустится до -75 дБc при норме −63 дБc; в фильтре рассеется около 15 Вт — корпус 152×40×32 мм ставят с теплоотводом.
Для передатчиков ниже 500 МГц в линейке пассивного оборудования DAS есть и KADAMM ФНЧ-410-N (до 410 МГц, 300 Вт, потери не более 0,41 дБ) и KADAMM ФНЧ-110-N (до 110 МГц, 50 Вт, потери не более 1,5 дБ). Обзор режекторных фильтров, ФНЧ и ФВЧ для радиосвязи — в статье «Режекторный фильтр, ФНЧ и ФВЧ: что это и как выбрать».
ФНЧ KADAMM: где вторая гармоника попадает в полосу подавления
В таблице — модели, у которых нормированная полоса подавления накрывает вторую гармонику всей указанной рабочей полосы. Последний столбец посчитан по правилу: 2f0 должна лежать внутри полосы, где подавление гарантировано.
| Модель | Полоса пропускания | Подавление, не менее | Мощность, потери | 2f0 подавляется при f0 |
|---|---|---|---|---|
| KADAMM ФНЧ-108-SMA | 0–108 МГц | 40 дБ при 150–2000 МГц | 10 Вт, 2 дБ | 75–108 МГц |
| KADAMM ФНЧ-512-TNC | 0–512 МГц | 60 дБ при 0,6–6 ГГц | 20 Вт, 2 дБ (1 дБ до 470 МГц) | 300–512 МГц |
| KADAMM ФНЧ-380/470-50-N | 380–470 МГц | 50 дБ при 760–6000 МГц | 150 Вт, 0,7 дБ | 380–470 МГц |
| KADAMM ФНЧ-900-SMA | 0–0,9 ГГц | 50 дБ при 1,2–2,0 ГГц | 30 Вт, 1,2 дБ | 600–900 МГц |
| KADAMM ФНЧ-1700-SMA | 0–1,7 ГГц | 40 дБ при 2800–6000 МГц | 100 Вт, 0,55 дБ | 1,4–1,7 ГГц |
| KADAMM ФНЧ-2250-SMA | 0–2,25 ГГц | 40 дБ при 2580–8000 МГц | 100 Вт, 1 дБ | 1,3–2,25 ГГц |
| KADAMM ФНЧ-3600-SMA | 0–3,6 ГГц | 45 дБ при 4,3–8,0 ГГц | 100 Вт, 1 дБ | 2,15–3,6 ГГц |
| KADAMM ФНЧ-5850/8200-WR137 | 5,85–8,2 ГГц | 40 дБ при 11,7–20,5 ГГц | 600 Вт, 0,5 дБ | 5,85–8,2 ГГц |
| KADAMM ФНЧ-7050/10000-WR112 | 7,05–10 ГГц | 40 дБ при 14,1–25 ГГц | 400 Вт, 0,5 дБ | 7,05–10 ГГц |
| KADAMM ФНЧ-8000/9000-WR90-Г | 8–9 ГГц | 50 дБ при 16–18 ГГц | КСВН 1,25, медь | 8–9 ГГц |
Почему последний столбец важен, видно на двух примерах. У KADAMM ФНЧ-2200-SMA подавление 40 дБ нормировано от 4400 МГц, поэтому вторую гармонику он гарантированно подавляет только у передатчика на 2,2 ГГц; для полосы 1,7–2,2 ГГц подходит KADAMM ФНЧ-2250-SMA с полосой подавления от 2580 МГц. У волноводного KADAMM ФНЧ-8200/12400-WR90 на 1000 Вт подавление не менее 60 дБ нормировано в полосе 18,4–20,8 ГГц, то есть для вторых гармоник частот 9,2–10,4 ГГц; для всего диапазона 8,2–12,4 ГГц есть исполнение KADAMM ФНЧ-8200/12400-WR90-2 с полосой подавления 16,4–31 ГГц, его допустимую мощность уточняйте у менеджера.
Для встраивания в аппаратуру есть миниатюрные фильтры LTCC и коаксиальные KADAMM ФНЧ-К в корпусе-переходнике. Все фильтры — в разделе «Фильтры СВЧ и радиочастотные».
Фильтры нижних частот KADAMM




Оснащение производства
Лаборатория и Тестирование
Связь и Телекоммуникации
Безопасность и Спецтехника
Энергетика и Электротехника