Использование статистических методов в производстве полосовых фильтров

     

 ( 3)

     

     

     

     

     

     ρ – плотность вещества; ν – коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации); U, V, W – амплитудные значения смещения в направлениях :координатных осей х, у, z соответственно.

     Решение этой системы применительно к конкретной геометрии резонатора и конкретному виду граничных условий позволяет определить характер продольных и поперечных колебаний, колебаний типа сдвига, кручения и т. п., а также рассчитать их резонансные частоты. Анализ таких решений показывает, что при сосредоточенном возбуждении механического резонатора колебания в нем в общем случае можно представить в виде суперпозиции продольных, поперечных и других типов колебаний[4].

3. Устройство

     Итак, мы рассмотрели механический фильтр в весьма общих чертах. Теперь рассмотрим конкретный фильтр и проследим путь сигнала от внутреннего сопротивления генератора до нагрузочного сопротивления. На Рис. 4 изображен дисковый фильтр с проволочными связками, в котором использован магнитострикционный ферритовый преобразователь. Из Рис. 4 видно, что электрический ток I от генератора проходит через резонирующую емкость CR и обмотку преобразователя. Проходя через обмотку, он создает магнитное поле, которое пронизывает ферритовый стержень, вызывая колебания последнего с частотой сигнала генератора. Эффект изменения размеров и возникновения вследствие этого колебания под действием переменного магнитного поля называется магнитострикцией.

     

     Рис. 4 Основные элементы механического фильтра, изображенного на Рис. 5

       Эти колебания передаются первому дисковому резонатору посредством тонкой проволочной связки. Механическая энергия передается от диска к диску посредством проволочных связок, приваренных по окружности каждого диска. Колебания от последнего диска через проволочную связку возбуждают выходной преобразователь. Механические напряжения, возникающие в выходном преобразователе, вызывают появление переменного магнитного поля, которое в свою очередь индуцирует электрическое напряжение Vl на зажимах обмотки выходного преобразователя и нагрузочного сопротивления R. Хотя мы ожидали сигнал, проходящий от входа к выходу, однако следует помнить, что в установившемся режиме энергия проходит в обоих направлениях.

     

     Рис. 5 Механический фильтр для телефонных систем с частотным разделением каналов

       На Рис. 5 изображен реальный механический фильтр с дисковыми резонаторами и с проволочными связками [4].

4. Классификация

     Электромеханические фильтры классифицируются по различным  признакам (Рис. 6)

     

     Рис. 6 Классификация электромеханических фильтров

     Полное  условное обозначение ЭМФ состоит  из следующих элементов: первый элемент – буквы ФЭМ (фильтр электромеханический); второй элемент – цифра, обозначающая конструктивно-технологическое исполнение фильтра; третий элемент – число, обозначающее регистрационный номер фильтра; четвертый элемент – число, обозначающее номинальную частоту фильтра в килогерцах; пятый элемент – число, обозначающее ширину полосы в килогерцах; шестой элемент – буква, обозначающая функциональное, назначение фильтра; седьмой элемент – цифра, обозначающая вид преобразователя; восьмой элемент – буква В, обозначающая всеклиматическое исполнение фильтра.

     Пример. обозначения фильтра: ФЭМ1-12-320-2С-ЗВ – фильтр электромеханический, с гантельными резонаторами, регистрационный номер 12, номинальная частота 320 кГц, полоса пропускания 2 кГц, с симметричным расположением частотной характеристики затухания, с магнитострикционным преобразователем, всеклиматического исполнения.

     Сокращенное обозначение фильтра включает элементы 1,2 и 3 полного обозначения[4].

5. Преимущества

     Электромеханические полосовые фильтры применяются в системах, требующих узкой полосы пропускания, малых потерь и высокой стабильности. Механические фильтры таким требованиям удовлетворяют, поскольку механические резонаторы обладают высокой добротностью и прекрасными температурными и временными характеристиками. Добротность резонаторов, выполненных из железоникелевых сплавов, лежит в пределах от 10 000 до 25 000. Это позволяет изготавливать механические фильтры с шириной полосы пропускания порядка 0,05% без заметных потерь и искажений АЧХ на границах полосы пропускания

     Столь же существенное значение, как и  высокая добротность, имеют температурный  коэффициент частоты и частотное старение механических резонаторов. Типовая температурно-частотная характеристика резонатора имеет форму параболы, а величина температурного коэффициента частоты составляет около 2-10~6 1/°С; поэтому на частоте 455 кГц изменение температуры в интервале +50СС приводит к сдвигу полосы пропускания приблизительно на 45 Гц. Этот сдвиг в зависимости от материала может происходить как в положительном, так и в отрицательном направлении. Столь высокая стабильность особенно важна в устройствах, работающих на одной боковой полосе, в которых изменение частоты, превышающее 100 Гц, вызывает или слабое подавление сигнала несущей частоты, или ухудшение тональной характеристики. Старение механического резонатора у типового механического фильтра приводит к изменению частоты не более чем на 50 млн. долей в течение всего срока службы устройства. Так, на частоте 455 кГц уход полосы пропускания не превосходит 25 Гц[3].

6. Характеристики

     Невозможно в одной таблице привести полную характеристику механических фильтров ввиду широкого разнообразия конструкций, материалов и способов их изготовления. Поэтому к данным, содержащимся в Табл. 1, следует относиться осторожно. Кроме того, сами величины не являются независимыми. Например, самые узкополосные фильтры не будут иметь высокую ударную прочность и малые потери. Широкополосные фильтры и одно- или двухрезонаторные фильтры, как правило, имеют наихудшую температурную стабильность. Высокочастотные и широкополосные фильтры обычно имею: малые выходные сопротивления и т.д. В таблице содержатся данные, относящиеся к большинству конструкций механических фильтров. Низкочастотные фильтры с настроечными индуктивностями производятся в малых количествах, и поэтому их характеристики вТабл. 1, Табл. 2 не приводятся.

     Табл. 1

     Характеристики  фильтров

 

     Табл. 2

     Основные  параметры электромеханических  фильтров

     

     Для дисков, совершающих изгибные колебания имеют место следующие соотношения частот, смещений и эквивалентных масс:

     

 ( 4)

     

;

     

7. Применение

     Механические  фильтры используются в системах связи в качестве фильтров ПЧ (промежуточной частоты) в радиоприемниках; они используются как канальные фильтры, сигнальные фильтры и фильтры пилотсигналов в телефонных системах с частотным разделением каналов и применяются в модемах систем с частотной манипуляцией. Область их применения в радиотехнике простирается от дешевых автомобильных АМ-приемников до высококачественных высокочастотных приемопередатчиков. Механические фильтры, используемые в качестве канальных фильтров в телефонии, удовлетворяют международным стандартам. Они являются основными частотно-избирательными элементами во многих, если не в большинстве, навигационных приемниках и системах управления поездами. Кроме того, одно- и двухрезонаторные камертонные фильтры в больших количествах применяются в качестве задающих генераторов и декодеров в системах телеуправления и телеконтроля, равно как и в системах аварийной сигнализации и вызова. Наконец, миллионы маленьких трехконтактных камертонных резонаторов из окиси цинка используются в схемах генераторов для наручных часов.

     В целом можно сказать, что механические фильтры находят применение всюду, где требуются стабильность и  узкополосная избирательность[3].

2. Производство  электромеханических полосовых  фильтров

1. Принципы  выбора технологии

     Выбор технологии, используемой для производства того или иного типа фильтра, зависит  от множества факторов. Среди них  объем производства, требования к  фильтру, доступность и цена оборудования, навыки обслуживающего персонала, наличие  стандартного и унифицированного оборудования для других фильтров, навыки технологов, занятых в производстве, и наличие у них свободного времени, доступность автоматического оборудования. Оценка влияния этих факторов определяет выбор стратегии разработки и производства фильтра. Часто технологию производства выбирают из соображений простоты или основываясь на имеющемся опыте. Но если время и средства позволяют, к этому вопросу можно подойти более продуманно.

2. Особенности производства

     Традиционный  подход к выбору технологии производства состоит из следующих шагов:

     1. Определить необходимую точность  изготовления согласующих элементов (электрических схем), преобразователей, резонаторов и элементов связи. Анализ может начинаться с элементов эквивалентных схем резонаторов, но в результате его должны быть выбраны величины допусков на частоты, добротности, эквивалентные массы резонаторов, упругость элементов связи, коэффициент связи и статические емкости (или индуктивности). Эти данные можно получить, анализируя методом Монте-Карло влияние разброса параметров на частотную характеристику.

     Определить  допуски на размеры и химическую чистоту, необходимые для обеспечения  рассчитанной точности выполнения элементов  схемы.

     Определить  станки, материалы, процессы, объем  измерений, детали, людские ресурсы, необходимые для выполнения шага 2.

     Предусмотреть методы коррекции после механической обработки или сборки. Сюда могут входить сортировка, подгонка и настройка. Этот шаг предназначен для сокращения затрат на шаге 3.

     Каждый  из предыдущих шагов связан со всеми  другими, поэтому можно гибко распределить допуски по элементам фильтра, например снизить требования к точности изготовления элементов связи за счет увеличения точности настройки и сократить таким образом стоимость сварочного аппарата или шлифовального станка.

     По  результатам проведенного анализа процесс производства механических фильтров можно отнести к одному из следующих типов:

     Жесткие требования к материалам, допускам и производственным процессам. При  этой технологии почти не требуется коррекции.

     Более мягкие требования к точности, но много циклов коррекции. Например, вместо задания жестких допусков на размеры керамической и металлической пластин металлокерамического преобразователя для получения заданного коэффициента связи с высокой точностью можно применить деполяризацию. Циклы коррекции могут охватывать весь процесс. При этом измеряются характеристики готовой продукции, и эти данные связаны обратной связью с началом процесса, где выполняется соответствующая коррекция. Например, частотная характеристика фильтров полосе пропускания измеряется после сварки и сборки. Информация о ней поступает к сварщику, который может, если это необходимо, уменьшить или увеличить напряжение или давление, чтобы уложить частотную характеристику в заданные пределы.