Про фільтри

Фільтри в системах радіозв’язку – компоненти електронних пристроїв завдання яких виділити зі спектру сигналів корисні складові і послабити всі інші. Зазвичай фільтри які встановлені на вході приймального та виході передаючого трактів забезпечують рівень фільтрації достатній для роботи радіообладнання в стандартних умовах. Але навіть при розподілі радіочастот на підставі розрахунків електромагнітної сумісності можливі ситуації коли сигнали навіть віддалених по частоті потужних передавачів призводять до завад для приймального тракту ретранслятора/радіостанції або його повного блокування.

Проблеми в рази загострюється в випадках відсутності радіочастотного планування або розміщення антен декількох ретрансляторів або радіостанцій на відносно невеликій відстані один від одного. Крім того треба мати на увазі можливість потужних завад від інших джерел радіовипромінювання в суміжних діапазонах частот включаючи широкосмугові сигнали систем РЕБ.

Для вирішенням зазначених проблем зазвичай використовуються додаткові фільтри в приймальному тракті ретранслятора – так звані «преселектори» (фільтри попередньої селекції). Ще одним з засобів боротьби з завадами є додаткова фільтрація вихідних сигналів передавачів ретрансляторів щоб знизити рівень перешкод для приймачів сусідніх каналів.

Типи фільтрів по характеру амплітудно частотної характеристики (АЧХ) і функціоналу:

Тип фільтра	Вигляд АЧХ	Функціонал
Смугово-пропускаючий		Фільтри-преселектори в приймальному тракті ретранслятора самостійно і в  комбінації з режекторними.Фільтри вихідного сигналу в передаючому тракті.
Режекторний		Фільтри-преселектори для придушення сигналів на певних частотах в приймальному тракті ретрансляторів і приймачів систем моніторінгу.
Фільтр нижніх частот		Захист від сигналів потужних передавачів вищих діапазонів.В якості фільтрів 2-их і 3-іх гармонік в складі передаючого тракту ретранслятора.
Фільтр верхніх частот		Захист від сигналів потужних передавачів нижчих діапазонів.

Тип фільтра вибирається виходячи з характеру завади – її рівнем і частотою або смугою частот по відношенню до приймальної частоти.

Розглянемо характеристики фільтрів та можливі варіанти їх використання.

Фільтри-преселектори

Фільтри-преселектори ефективно блокують частоти, що лежать за межами діапазону прийому корисних сигналів, знижуючи рівень перешкод і небажаних сигналів ще до їхнього потрапляння в основний тракт приймача. Така додаткова фільтрація підвищує вибірковість приймача, забезпечуючи якісніший прийом і можливість приймати слабкі сигнали навіть за наявності сильних завад.

Преселектори підключаються до приймального тракту ретранслятора між дуплексером і приймачем. Входи фільтра симетричні, тому немає значення, яким саме входом він підключається до дуплексера, а яким — до приймача ретранслятора.

У системах радіозв’язку VHF/UHF діапазонів використовуються фільтри-преселектори на об’ємних резонаторах (cavity filters) у компактному виконанні з резонаторами умовного внутрішнього перетину 1 або 2 дюйми, а також так звані «баночні» фільтри на об’ємних резонаторах із перетином 5 або 8 дюймів.

Основними характеристиками фільтрів-преселекторів є смуга пропускання та рівень придушення позасмугових частот.

 Смуга пропускання — це діапазон частот, у якому фільтр пропускає сигнали з мінімальними втратами. Її межі визначаються частотами зрізу, на яких рівень сигналу знижується до певної величини (найчастіше -2 або -3 дБ) відносно рівня сигналу на центральній частоті смуги пропускання фільтра.
Придушення позасмугових частот — це здатність фільтра суттєво ослаблювати сигнали, що знаходяться поза межами смуги пропускання. В багатьох випадках буде достатнім коли фільтр забезпечує придушення на рівні -10 і більше дБ.

Для оцінки ефективності фільтра використовується параметр, відомий як добротність (Q-фактор) — співвідношення центральної частоти фільтра до ширини смуги пропускання. Фільтри з високою добротністю мають вузьку смугу пропускання та високу селективність, тоді як фільтри з низькою добротністю пропускають ширший діапазон частот.
Основним фактором, що визначає добротність фільтрів на об’ємних резонаторах, є їхній перетин: чим більший перетин, тим вищим може бути Q-фактор.

Один і той самий фільтр може бути налаштований на в

ужчу або ширшу смугу пропускання в залежності від конкретної задачі. Чим вужча смуга пропускання, тим вищий рівень придушення, але й більші втрати. І навпаки: ширша смуга — менші втрати, але й менше придушення. Втрати можуть коливатися від -0,5 до -2 дБ. Правильне налаштування фільтра полягає в досягненні балансу між усіма параметрами для забезпечення максимальної чутливості приймача

В якості преселекторів в системах радіозв’язку використовуються смугово-пропускаючі, смугово-режекторні та режекторні фільтри.

Смугово-пропускаючі фільтри — це фільтри, які пропускають сигнали лише в певному частотному діапазоні (смузі пропускання) та придушують сигнали поза цим діапазоном. Зазвичай такі фільтри складаються з одного або кількох об’ємних резонаторів, налаштованих так, щоб смуга пропускання співпадала з частотою приймача.

Нижче наведені графіки амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) та коефіцієнта стоячої хвилі (КСХ) смугово-пропускаючого фільтра PF-VM3-3L на трьох резонаторах 1″ налаштованого на центральну частоту 156,45 МГц.

З графіка видно, що цей фільтр забезпечує придушення на рівні -10 дБ на частотах ±3 МГц від центральної частоти смуги пропускання. Такі фільтри можна використовувати для захисту від завад та перешкод, спричинених сигналами сусідніх передавачів, частоти яких віддалені від робочої частоти. Як приклад — захист приймального тракту ретранслятора від сигналів РЕБ, що працюють у вищих по частоті діапазонах.

Для порівняння нижче наведені графіки одноланкового фільтра на об’ємному резонаторі з перетином 5″ (PF-V1-5) налаштованого на частоту 162,00 МГц. Такий фільтр має більшу добротність (Q-фактор) та, відповідно, забезпечує вужчу смугу пропускання. Якщо смуга пропускання попереднього триланкового фільтра на рівні -10 дБ становить 6 МГц, то для одноланкового фільтра на об’ємному резонаторі 5″ — лише 1,7 МГц. Окрім вужчої смуги пропускання, фільтри з більшою добротністю мають більш круту АЧХ і, відповідно, забезпечують краще придушення на частотах, що наближаються до частоти прийому.

Смугово-режекторні фільтри — це фільтри, які поєднують смугово-пропускаючий та режекторний фільтри, з’єднані послідовно. АЧХ такого фільтра має смугу пропускання та вузьку смугу придушення (режекції) для певної частоти. Прикладом смугово-режекторного фільтра в компактному виконанні є PRF-VM6-SL. У цьому фільтрі три ланки резонаторів 1″ працюють як смугово-пропускаючий фільтр, а ще три ланки забезпечують режекцію.

У фільтрах на резонаторах 1–2″ мінімальне можливе рознесення між центральною частотою смуги пропускання та частотою режекції становить біля 4 МГц у діапазоні VHF. Таким чином, такі фільтри можуть забезпечувати суттєве придушення всіх перешкод, що знаходяться на відстані понад 4 МГц від частоти режекції. Чи розташована частота режекції вище або нижче смуги пропускання, визначається конструктивно під час виготовлення фільтра.

У складі приймального тракту багатоканальних ретрансляторів смугово-режекторні фільтри використовуються для забезпечення додаткової ізоляції між передавачем (Tx) і приймачем (Rx). У багатоканальних ретрансляторах дуплексер налаштовується на ширшу смугу пропускання, що знижує рівень придушення сигналу передавача (Tx) на частоті прийому порівняно з одноканальним налаштуванням. Додаткова режекція в преселекторі забезпечує придушення сигналів передавачів ще до -100 дБ, що суттєво підвищує чутливість приймачів.

Нижче наведені графіки амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) та коефіцієнта стоячої хвилі (КСХ) смугово-режекторного фільтра PRF-VM6-SL. Центральна частота смуги пропускання становить 161,76 МГц, а частота придушення (режекції) — 166,47 МГц.

Режекторні фільтри (також відомі як фільтри загородження або notch-фільтри) придушують сигнали у вузькому діапазоні частот, пропускаючи сигнали поза цією смугою. Вони застосовуються в системах радіозв’язку для захисту від перешкод, створених сторонніми передавачами на конкретній частоті, близькій до частоти прийому корисного сигналу. Часто режекторні фільтри використовуються для захисту приймальних трактів систем радіозв’язку або приймачів радіомоніторингу від потужних передавачів теле- та радіомовлення або інших перешкод із фіксованими частотами.

Фільтри високих і низьких частот

Фільтри високих частот (ФВЧ, High-Pass Filters) пропускають частоти, що перевищують задане значення, блокуючи низькочастотні сигнали. Це дозволяє ефективно запобігати проникненню низькочастотних завад та перешкод.

Фільтри низьких частот (ФНЧ, Low-Pass Filters) пропускають частоти, нижчі за задане значення, що допомагає уникнути впливу високочастотних перешкод.

Прикладом фільтра низьких частот є FLP-150-BNC, призначений для захисту абонентської радіостанції діапазону 136–174 МГц від потужних передавачів систем РЕБ, що працюють у діапазонах у частотних діапазонах, вищих за робочі частоти радіозв’язку.

При практичному використанні фільтрів цього типу важливо враховувати такі аспекти:
Фільтр забезпечує мінімальні втрати в робочому діапазоні 136–174 МГц і ефективно пригнічує сигнали поза цим спектром. Однак, якщо обладнання РЕБ генерує позасмугове випромінювання безпосередньо в межах частотного діапазону радіостанції (136–174 МГц), фільтр не зможе його усунути. Такі випромінювання можуть виникати як через окремі модулі РЕБ, так і внаслідок інтермодуляційних спотворень, спричинених взаємодією сигналів модулів, що працюють у різних діапазонах.

Ще одним прикладом використання фільтрів нижніх частот у передавальних трактах є фільтри 2-ї та 3-ї гармонік типу FLP-150. При проходженні радіосигналу через нелінійні елементи високочастотного тракту (тракт передавача, вихідний каскад, циркулятори в складі комбайнерів) виникають гармонічні компоненти сигналу, частоти яких є кратними робочій частоті. Особливо це критично для передаючого тракту  багатоканальних базових станцій з використанням комбайнера де друга і третя гармоніки виникають внаслідок інтермодуляційних процесів в ізоляторах комбайнерів. Так передавач на частоті 150 МГц буде випромінювати в етер другу гармоніку на частоті 300 МГц і третю на 450 МГц. Завдання фільтрів гармонік – зменшити потужність цих небажаних сигналів щоб мінімізувати їхній вплив на засоби зв’язку що працюють на вищих діапазонах.

В умовах щільної частотної сітки, яка характерна для сучасних систем зв’язку, в багатьох країнах є жорсткі вимоги до рівня гармонік в передавальних системах і фільтри дозволяють забезпечити відповідність цим стандартам. Фільтри других-третіх гармонік зазвичай реалізуються на основі LC-контурів або інших резонансних елементів.