Электромеханические фильтры

Принцип работы
Конструкция
Система обозначений

2Г2.140.417-001
ФЭМ-500-0,6С
ФЭМ-035-500-0,5
ФЭМ1-25Т
ФЭМ1-038-128-1С-3В
ФЭМ3-043-003
ФЭМ4-008-305-1,1С-2
ФЭМ-11-Н-031 (ЭМФП ШИ2.067-814.031)
ФЭМ-I-Т-1-1343
ФЭМЦ-1М
ФЭМЦ-2М
ФЭМЦ-2МА
ФЭМЦ-120-1,0
ФЭМЦ-307,9Т
Э3-155
ЭМФ-172,00-1,0-2,2
ЭМФ-Д-500-3В
ЭМФП-6-465-6 "Надежда"
ЭМФЦ-301,4-0,8-3

Первые работы по электромеханическим фильтрам в СССР проводились конструкторским отделом Московского НИИ радиосвязи в середине пятидесятых. Руководил темой Константин Александрович Шульгин, основными разработчиками были Лев Хатунцев и Вeлиор Кустов. По их чертежам первые серийные экземпляры делались на ленинградском заводе им. Козицкого.

Впрочем надо отметить, что первый отечественный фильтр, а именно ЭМФ-Д-500, и по конструкции, и по параметрам сильно похож на первые западные ЭМФ от Артура Коллинза, появившиеся в 1952 году. И есть немалая вероятность, что наш начальный этап был лишь копированием...

В электромеханических фильтрах промежуточной частоты применяли магнитострикционные преобразователи, принцип действия которых основан на изменении формы и размеров ферромагнитных тел при их намагничивании. В качестве таких преобразователей обычно использовали никель, или сплавы никеля с железом (температурный коэффициент которых практически равен нулю) и другими металлами, или магнитострикционные ферриты.

При возбуждении магнитного поля вдоль стержня из магнитострикционного материала длина стержня изменяется. При увеличении длины стержня под воздействием магнитного поля имеет место так называемая положительная магнитострикция, а при уменьшении длины — отрицательная. Знак приращения длины стержня не зависит от направления магнитного поля, но зависит от состава ферромагнитного тела. Поэтому в стержне необходимо создавать дополнительное постоянное магнитное поле, чтобы колебания стержня не происходили с двойной частотой. 
Наряду со свойством прямой магнитострикции ферромагнитный стержень обладает свойством обратной магнитострикции, т. е. под действием внешней силы, изменяющей длину стержня, в нем возникает продольное магнитное поле.

Относительное изменение длины никелевого стержня измеряется величинами порядка 10-5.
Изменение длины стержня из никеля ослабевает при напряженности поля около 500 эрс. Начальный изгиб характеристики магнитострикции никеля занимает примерно 0,1 — 0,3 эрс. Магнитострикционными свойствами обладают также и некоторые сорта пермаллоя.

Если рядом со стержнем (1), выполненным из материала с сильно выраженными магнитострикционными свойствами, например из феррита, поместить магнит смещения (4) и на концы стержня надеть возбуждающую катушку (2) и катушку, снимающую колебания (3), то получим магнитострикционный фильтр (в его конструкцию также обычно входят экран (5) и элементы крепления (6)).
Под воздействием переменного магнитного поля возбуждающей катушки стержень начинает периодически изменять свою длину. При совпадении частоты внешнего магнитного поля с собственной частотой стержня амплитуда механических колебаний резко возрастает. Здесь ферритовый стержень действует как механический резонатор с добротностью около 1 000. За счет обратной магнитострикции резонирующий стержень создает переменное магнитное поле во второй катушке, на зажимах которой возникает эдс, по частоте совпадающая с резонансной частотой стержня.

Включать ЭМФ следует таким образом, чтобы через катушку преобразователя не протекала постоянная составляющая анодного или коллекторного тока усилителя, нагрузкой которого является ЭМФ. В противном случае создается дополнительное магнитное поле, которое приводит к увеличению затухания и повышению неравномерности частотной характеристики в полосе пропускания фильтра. Аналогичное действие на ЭМФ оказывает внешнее магнитное поле, поэтому не следует размещать фильтры вплотную друг к другу и близко к громкоговорителям, магнитоэлектрическим измерительным приборам и т. п., в противном случае ЭМФ следует заэкранировать.

Электромагнитные фильтры относительно стабильны, имеют малые размеры, добротность их достигает 2000 - 3000, а при использовании в качестве материала резонаторов алюминия или его сплавов - 6000 - 10000 (однако при этом требуется очень высокая точность изготовления механических деталей). Обычно такие фильтры рассчитаны на работу в температурном диапазоне -30...+80°С.

К недостаткам можно отнести сравнительно узкий диапазон частот (от 100 до 1 000 кГц), для работы в котором получаются относительно легко реализуемые геометрические размеры резонаторов, и сложность технологии изготовления.

Специфика настройки электромеханических фильтров с монолитной колебательной системой предполагает большие затраты ручного труда квалифицированных специалистов, поэтому производимые изделия не могут быть дешёвыми. Механизации и автоматизации процесс настройки не поддаётся, каждый фильтр проходит полный цикл настройки путём ручного припиливания, перемежающегося с измерением характеристик на спецтехнологическом оборудовании.

Существенными недостатками магнитострикционных фильтров являются большое затухание и его значительная неравномерность в полосе прозрачности и большая температурная зависимость характеристики затухания.

Конструктивно ЭМФ могут быть разного типа - стержневые, дисковые, пластинчатые, шариковые и другие варианты. Стержневые фильтры наиболее технологичны и просты по конструкции, они не боятся транспортной тряски и других механических воздействий, что делает возможным их использование в бортовой аппаратуре (у других видов фильтров в условиях тряски возникают виброшумы, уровень которых затрудняет или исключает возможность использования ЭМФ).

Электромеханические фильтры, как правило, изготавливаются многоэлементными для расширения полосы пропускания и увеличения избирательности, так как простейший одноэлементный фильтр эквивалентен одному контуру. Применяя различное количество элементов, можно изменять крутизну характеристики затухания.

конструкция семирезонаторного стержневого фильтра:

Фильтр состоит из пяти металлических полуволновых резонаторов (5) большой добротности, соединенных связками (4); резонаторы и связки вытачиваются из цельного материала. Концевые ферритовые резонаторы (3) являются сердечниками магнитострикционных преобразователей: возбуждающего колебания (2) и снимающего их (6). Постоянные магниты (1) (магниты смещения) устраняют колебания с двойной частотой и повышают чувствительность преобразователей.

конструкция семидискового фильтра:

(1) - преобразователь; (2) - катушка; (3) - магнит; (4) - резонаторы; (5) - связки; (6) - направление колебаний


(фото с форума "Портативного ретрорадио")

механическая резонаторная система пятипластинчатого фильтра:

(3) - концевые магнитострикционные ферриты; (4) - связки; (5) - полуволновые резонаторные пластины

Первая система обозначений фильтров (пример - ЭМФ-9Д-500-3В), принятая в 50-х годах, включала в себя элементы:

(1) ЭМФ - ЭлектроМеханический Фильтр
(2) число резонаторов фильтра
(3) буква, обозначающая конструктивно-техническое исполнение
- Д - дисковый
- П - пластинчатый
- Ц - цилиндрический
(4) число, обозначающее рабочую частоту фильтра в кГц
(5) число, обозначающее ширину полосы пропускания в кГц
(6) буква, обозначающее функциональное назначение фильтра
- С - полосовой (с симметричной характеристикой затухания)
- В - с верхней боковой полосой пропускания
- Н - с нижней боковой полосой пропускания

Чуть позже в обозначении поменяли местами второй и третий пункт (ЭМФП-5-465-6). Выпускались также фильтры с нестандартными названиями, например ФЭМЦ-2М.

Позднее была принята иная система (ФЭМ1-12-320-2С-3В). Она состояла из элементов:

(1) ФЭМ - Фильтр ЭлектроМеханический
(2) цифра, обозначающая конструктивно-техническое исполнение
- 1 - гантельный
- 2 - дисковый
- 3 - камертонный
- 4 - пластинчатый
- 5 - цилиндрический
(3) регистрационный номер фильтра (номер разработки)
(4) число, обозначающее номинальную частоту фильтра в кГц
(5) число, обозначающее ширину полосы пропускания по уровню -3 дБ, в кГц
(6) буква, обозначающее функциональное назначение фильтра
- С - полосовой (с симметричной характеристикой затухания)
- В - верхней боковой полосы
- Н - нижней боковой полосы
(7) цифра, обозначающая вид преобразователя
- 1 - электромагнитный
- 2 - пьезокерамический
- 3 - магнитострикционный
- 4 - комбинированный
(8) буква В - всеклиматическое исполнение

Источники:

1. Голубцов М.Г. Электромеханические фильтры радиочастот. М.-Л. Госэнергоиздат, 1957. (Массовая радиобиблиотека, выпуск 282).
2. Конашинский Д.А. Частотные электрические фильтры. М.-Л. Госэнергоиздат, 1959 (Массовая радиобиблиотека, выпуск 344).
3. Справочник радиолюбителя. Р. М. Терещук, Р. М. Домбругов, Н. Д. Босый, С И. Ногин, В. П. Боровский, А. Б. Чаплинский. В двух частях. Изд. 6-е. "Техника", 1970.
4. Волгов В.А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., "Энергия", 1977.
5. Приборы пьезоэлектрические и фильтры электромеханические. Группы 6330, 6387. Сборник справочных листов. РМ 11 073.072-2-82.- ВНИИ "Электронстандарт", 1983.
6. Электромеханический фильтр ЭМФП-6-465 - "Радио" 1985, №1.
7. Ладик А.И, Сташкевич А.И. Изделия электронной техники. Пьезоэлектрические и электромеханические приборы: Справочник. - М.: Радио и связь, 1993.
8. Константин Шульгин (U3DA). Основные параметры дисковых ЭМФ на частоту 500 кГц - "Радио" 2002, №5.

домой