В настоящей статье дано краткое описание дискового электромеханического фильтра (ЭМФ) на рабочую частоту 500 кГц и полосу пропускания 3,1 кГц, выпускаемого отечественной промышленностью под названием ЭМФ-Д-500-ЗВ *) для однополосных систем. Основное внимание в ней уделено правилам эксплуатации и особенностям построения схем с электромеханическими фильтрами.
 
Принцип действия и конструкция
 
        В рассматриваемых фильтрах подлежащие фильтрации электрические колебания подводятся к электромеханическому преобразователю, расположенному на входе фильтра. Здесь они преобразуются в механические колебания, которые затем в виде волн распространяются вдоль фильтрующей системы, представляющей собой цепочку связанных резонаторов. Отфильтрованные механические колебания попадают на выходной преобразователь, где они снова преобразуются в электрические колебания, поступающие на выход фильтра.
        В качестве резонаторов применяются круглые металлические стержни, работающие в режиме крутильных или продольных колебаний, пластины различной формы, шарики с радиальными колебаниями и т.п. Для верхнего участка рассматриваемого диапазона частот (300-550 кГц) наиболее удобны резонаторы, выполненные в виде дисков, в которых используются колебания изгиба с двумя узловыми окружностями.
        При таких колебаниях у дисковых резонаторов образуются три фазовые поверхности (рис. 1). Направления движения поверхностей I и III совпадают, направление же движения поверхности II противоположно первому. Точки поверхности диска, лежащие на узловых окружностях, которые представляют собой линии раздела фазовых поверхностей, остаются неподвижными. Края диска подвижны, причем скорость их движения в любой точке одинакова. Это позволяет осуществить связь между дисками в фильтре посредством проволочек-связок, расположенных по периферии резонаторов.
        Для электромеханических преобразователей используются материалы, обладающие пьезоэлектрическими или магнитострикционными свойствами. Чаще применяются магнитострикционные преобразователи. Электромеханические фильтры с резонаторами в виде дисков получили название дисковых фильтров. Конструкция колебательной системы такого фильтра схематически изображена на рис. 2. Входной преобразователь состоит из катущки 1, отрезка тонкой проволочки 2, изготовленной из железоникелевого сплава с хорошими магнитострикционными и демпфирующими свойствами, и постоянного магнита 3, задающего начальное магнитное смещение, необходимое для нормальной работы преобразователя. Проволочка входного преобразователя присоединена к центру первого из дисков 4 колебательной системы.

        Дисковые резонаторы 4 соединены между собой несколькими проволочками связи 5, приваренными к каждому диску в двух точках, расположенных у его краев. Две дополнительные проволочки 6 и 7 служат для увеличения связи между оконечными и предоконечными резонаторами, что требуется в соответствии с структурой фильтра. Чем больше число и диаметр проволочек связи, тем шире полоса пропускания фильтра.
        К центру последнего резонатора присоединена проволочка 8 выходного магнитострикционного преобразователя, выполненного так же, как и входной.
        Вся цепочка резонаторов посредством продолжения проволочек связи 5 удерживается на опорных стаканах 9 и 10, с помощью которых колебательная система крепится в арматуре фильтра. В дне каждого из опорных стаканов имеется отверстие для проволочки преобразователя. Внутри стаканов размещаются катушки 1 и 11 Для повышения эффективности преобразователей входной и выходной контуры с помощью внешних конденсаторов настраиваются на среднюю частоту фильтра.
        Электрические колебания подводятся к катушке 1. Переменное магнитное поле катушки, возникающее под действием протекающих через нее токов ВЧ, благодаря прямому эффекту магнитострикции возбуждают в проволочке 2 продольные механические колебания, которые передаются первому дисковому резонатору. Проволочками связи 5 эти колебания последовательно передаются от резонатора к резонатору и достигают оконечного диска, который возбуждает продольные колебания в проволочке 8 выходного преобразователя. Вследствие обратного эффекта магнитострикции в катушке 11 возникают электрические колебания, которые поступают на выход фильтра.
        Каждый резонатор электромеханического фильтра по своим функциям эквивалентен колебательному контуру электрического фильтра, а проволочки связи - конденсаторам связи между этими контурами. Таким образом, чем больше в электромеханическом фильтре резонаторов, тем выше его избирательность.

        На рис. 3 приведена эквивалентная схема дискового фильтра. Здесь последовательные контуры LС являются электрическими аналогами дисковых резонаторов, а конденсаторы Сcв - отображают, с известным приближением, проволочки связи. Нагрузочные сопротивления R1 и R2 отображают демпфирующие свойства преобразователей, которые используются для согласования фильтра.
        Качественно резонаторы электромеханического фильтра резко отличаются от колебательных контуров электрического фильтра. Если добротность последних обычно не превышает 150-200, то первые, как правило, имеют добротность 8000- 15000, то есть почти в сто раз большую. Именно этим и объясняется чрезвычайно высокая избирательность электромеханических фильтров, а также то, что их можно построить на очень узкие полосы пропускания. Кроме того, механические резонаторы, выполненные из специального железоникелевого сплава эленварного типа, обладают очень хорошей температурной и временной стабильностью, и практически абсолютной цикличностью своих параметров, что не наблюдается у электрических контуров. Так, например, если температурный коэффициент частоты электрических контуров на этих частотах составляет (50-100)10^-6 I/град, то у механических резонаторов он не превышает (3-7)10^-6 I/град. Этим и объясняется высокая стабильность электромеханических фильтров.

        Внешний вид описываемого фильтра показан в заголовке статьи. Его колебательная система и элементы приведены на рис. 4. Фильтр содержит 9 резонаторов диаметром 8,5 мм и толщиной 1,82 - 1,87 мм. Расстояние между ними составляет 1 мм. Все резонаторы соединены между собой тремя проволочками-связками диаметром 0,25 мм. Проволочка преобразователя имеет диаметр 0,12 мм и длину 10,5 - 11 мм.
 
Параметры и особенности эксплуатации
 
Фильтр имеет следующие электрические параметры:
Рабочая частота f=500 кГц.
Частота среза на уровне -6 дБ низкочастотного ската fн-5ОО.З + 0,15 кГц.
Полоса пропускания на уровне 6 дБ 2df_0,5=3,1 + 0,15 кГц.
Полоса пропускания на уровне 60 дБ 2df_0,001 < 5 кГц.
Коэффициент прямоугольности*

        Большое влияние на характеристики фильтра оказывает настройка его электрических контуров, включающих в себя катушки магнитострикционных преобразователей L1, L2 и внешние конденсаторы С1, С2 и С3, С4 (рис. 6). Между каждым из этих контуров и проволочкой соответствующего преобразователя имеется электромеханическая связь. Как и в связанной двухконтурной электрической системе, из рассматриваемых контуров в проволочки преобразователей вносится дополнительное затухание, проявляющееся в виде демпфирования проволочек. Эта составляющая затухания играет существенную роль в согласовании фильтра. Когда контуры L1С1С1 и L2С3С4 настроены в резонанс, вносимое в проволочки затухание достигает максимального значения, колебательная система оказывается механически наиболее сильно шунтированной я правильно согласованной, в результате чего неравномерность частотной характеристики в полосе пропускания получается минимальной. Расстройка контуров приводит к значительному ухудшению коэффициента передачи фильтра и появлению глубоких впадин в пределах его полосы пропускания.
        Настройка контуров фильтра должна производиться на средней частоте fср, равной 501,85 кГц. Для ее осуществления ко входу регулируемого каскада от ГСС подводится немодулированное напряжение указанной частоты. На выходе следующего каскада (Л2, на рис. 6) включают ламповый вольтметр, по максимальному отклонению стрелки которого настраиваются конденсаторы С1 и С4 (рис. 6). Так как внутренняя связь между входным и выходным контурами фильтра мала, настройку каждого из контуров можно производить, не шунтируя другой.
        Добротность электрических контуров фильтра невелика (5-10), и их настройка получается не острой. Это позволяет после настройки заменить подстроечные конденсаторы С1 и С4 конденсаторами постоянной емкости, имеющие допуск +5%.
        Вследствие описанного влияния контуров преобразователей на параметры фильтра при шунтировании контуров увеличивается затухание и заметно возрастает неравномерность частотной характеристики в полосе пропускания фильтра. Первое, по-видимому, не требует пояснений. Второе объясняется следующим образом. При шунтировании добротность контуров понижается. Это вызывает уменьшение потерь, вносимых в проволочки магнитострикционных преобразователей с электрической стороны, или, иначе говоря, приводит к ослаблению демпфирования колебательной системы преобразователями. Если провести аналогию с электрическими фильтрами, это эквивалентно разгрузке фильтра, то есть его рассогласованию. Последнее, как известно, вызывает возрастание неравномерности частотной характеристики в полосе пропускания.
        Если появится необходимость шунтировать контуры фильтра, желательно, чтобы сопротивления, подключенные параллельно его входу и выходу, были не менее 100 - 200 кОм. По этой же причине лампу, стоящую на входе фильтра (Л1 на рис. 6), следует выбирать с большим внутренним сопротивлением.

(Окончание следует)

___________
*) Название фильтра расшифровывается следующим образом: ЭМФ - электромеханический фильтр, Д - дисковый, 500 - рабочая частота в кГц, 3 - полоса пропускания в кГц, В - верхняя боковая.

* Коэффициент прямоугольности представляет собой отношение ширины полосы пропускания при заданном ослаблении сигнала к ширине полосы пропускания фильтра.