Фильтры для радиопередатчиков
Гарри Литалл - SМ0VРО
http://sm0vpo.altervista.org/tx/tx-filter_01.htm
Введение
Во многих своих статьях я заявлял, что на выходе передатчика всегда следует использовать фильтр. Тип фильтра может быть разным, в зависимости от передатчика. Не существует идеального передатчика, и все передатчики в той или иной степени «грязные». На выбор фильтра также может влиять частота передатчика в радиоспектре.
В этой статье я расскажу о стандартном фильтре нижних частот, фильтре верхних частот и эллиптическом фильтре, чтобы при необходимости получить действительно резкую обрезку. Но я буду говорить очень просто и не буду вдаваться в подробности. Я просто приведу минимальные требования и простое решение.
Я дал одноименные названия конфигурациям фильтров, чтобы вы могли погуглить их и узнать подробнее об их свойствах. Итак, давайте продолжим с базовым фильтром. Чисто гипотетически предположим, что мы владеем очень маленьким островом с большим населением. Назовем его «островом Мингинго».
Рассмотрим гипотетический AM-передатчик в диапазоне 31 метр (от 9,4 до 9,9 МГц), работающий на частоте 9,899 МГц и потребляющий мощность всего 1 Вт. Все рыбаки могут слушать прогноз погоды на своих маленьких радиоприемниках Sony World Radio. Анализатор спектра может отображать частотный спектр примерно так:
Пример выходного спектра передатчикаКак видите, есть несколько интересных моментов:
- Выходная мощность основной частоты (Fund) = 1 Вт = +30 дБм
- Вторая гармоника: 19,798 МГц при -19 дБм (-49 дБн).
- Третья гармоника составляет 29,697 МГц при -9 дБм (-39 дБн).
- Гармоники не прекращаются, они просто становятся слабее с увеличением частоты
Минимальное требование
Для этого передатчика необходим выходной фильтр. Нечетные гармоники (3-я, 5-я, 7-я и т. д.) обычно сильнее четных, поскольку нечетные гармоники создаются в результате ограничения или когда выходной каскад приближается к пределу амплитуды. Хорошим показателем, к которому следует стремиться, является -90 дБм (7,07 мкВ), поэтому на самом деле у нас должно быть около 80 дБ подавления на 3-й гармонике (худший случай). Резонансные антенны обеспечивают некоторую форму фильтрации, но вы можете рассчитывать на подавление только 20 дБ, поскольку резонансные дипольные антенны также работают с 3-й и нечетными гармониками. Таким образом, наше минимальное требование к этому передатчику — это фильтр нижних частот с «коленом» среза на отметке 11 МГц. Фильтр начнет ослаблять сигналы на частоте около 10 МГц. Для этого подойдет простой 7-полюсный фильтр нижних частот.
Если ваш передатчик работал в диапазоне вещания VHF FM, то у вас есть дополнительные сложности, связанные с диапазоном VHF самолетов, который ОЧЕНЬ близок к диапазону FM. Если передатчик не спроектирован должным образом, то на выходе могут появиться паразитные сигналы, очень близкие к рабочей частоте, особенно если устройство конечного каскада работает где-то рядом с рекомендуемыми рабочими пределами. В этом случае вам понадобится действительно резкая граница среза на частоте 108 МГц, и простого фильтра нижних частот недостаточно. Вам действительно стоит присмотреться к эллиптическому фильтру верхних частот, где добавляются дополнительные резонансы, чтобы дать пару «ступенек» дополнительного затухания сразу после частоты среза. Вам также следует принять небольшую потерю примерно в 1 дБ на верхней частоте вашего передатчика. Итак, давайте посмотрим на различные характеристики полосового фильтра:
Сравнение трех разных типов фильтров.Как видите, фильтр нижних частот Бесселя не имеет смысла и имеет большие потери непосредственно перед границей среза. Базовый ФНЧ (например, Баттерворта) отлично подходит для обычных фильтров гармоник, используемых в ВЧ передающем оборудовании. Однако УКВ ЧМ-передатчикам нужно что-то получше из-за близости частот к диапазону частот самолета. В этом случае следует использовать эллиптический фильтр (например, Кауэра-Чебышева). В этой статье я рассмотрю только эти два типа фильтров, но приведу значения компонентов для 7-полюсных фильтров. 7-полюсный фильтр означает, что на частоту влияют 7 реактивных компонентов.
Обратите внимание, что я не указал фактические значения компонентов во многих таблицах. Я указал реактивное сопротивление компонентов в Омах (Ом). Это означает, что вы можете легко рассчитать значение компонента для любой частоты, которая вам нравится. Онлайн-калькуляторы катушек индуктивности и конденсаторов вы найдете на моей странице «Радиокалькуляторы» (откроется в новой вкладке). Я добавил онлайн-калькулятор для каждого из этих трех вариантов фильтра.
Базовый фильтр нижних частот
Базовый фильтр нижних частот симметричен и состоит из четырех конденсаторов и трех катушек индуктивности. Эта конкретная конструкция фильтра имеет разумную плоскую характеристику и низкие потери вплоть до «колена» среза. Ожидайте около 6 дБ для каждого элемента фильтра на удвоенной частоте среза. Этот фильтр имеет 7 полюсов, поэтому ожидайте снижения (6 дБ х 7 полюсов) на 42 дБ на 2-й гармонике и на 66 дБ на 3-й гармонике. Пятая гармоника может составлять 100 дБ, но это во многом зависит от технологии строительства.
Базовый фильтр нижних частот
Базовый фильтр верхних частот
Например, в некоторых приложениях, где вы осуществляете преобразование в более высокую частоту, вам может потребоваться использовать фильтр верхних частот, чтобы предотвратить передачу более низких частот на следующий этап. Работает тот же фильтр, что и выше. Все, что вам нужно сделать, это поменять катушки индуктивности на конденсаторы, а конденсаторы поменять на катушки индуктивности. Не может быть проще.
Базовый фильтр верхних частот
Эллиптический фильтр нижних частот
В приложениях, где требуется серьезное снижение уровня сигнала в точке среза, базовый 7-полюсный ФНЧ-фильтр не подходит. Если вы создаете УКВ-ЧМ-передатчик на диапазон от 88 до 108 МГц, то вы можете получить паразитные выходные сигналы, близкие к основной частоте. Вам нужна действительно резкая граница среза, и эта граница должна быть как можно ближе к 108 МГц, как обсуждалось в начале этой страницы. Elliptic LPF — это модификация, добавляющая последовательные резонансы чуть выше максимальной частоты. Эти дополнительные резонансы создаются добавлением C2, C4 и C6.
Эллиптический фильтр – резкая обрезка.Это даст теоретическое снижение паразитных выходных сигналов на 20 дБ на частоте 118,8 МГц, что всего на 10 МГц выше частоты среза. Измеренный отклик моего прототипа составил около -60 дБ на частоте 135 МГц. Фильтр, который я построил, очень точно соответствовал графику, но значения конденсатора и катушки чрезвычайно важны. Если у вас есть векторный анализатор цепей (ВАЦ), вы можете немного отрегулировать геометрию трех катушек, чтобы получить идеальный отклик.
Компоненты
Если вы все-таки рассчитаете значения, вы можете обнаружить, что ищете значения конденсаторов WeIrDe. Например, 49,31пф. Вы можете использовать подстроечные конденсаторы и внести необходимые изменения, но сделать все правильно будет непростой задачей. В своих недавних проектах я использовал площадки печатной платы для двух конденсаторов параллельно, так что можно было использовать параллельно 4,7 пф и 2,2 пф и получить 49,2 пф.
«Обычные» керамические конденсаторы могут иметь широкий допуск и изменять свое значение при изменении температуры. Всегда следует выбирать термостабильные конденсаторы, например NPO. Обычно они отмечены черной точкой в верхней части компонентов и имеют стабильность обычно выше <0,4% в диапазоне от -40°C до 120°C. Слюдяные конденсаторы по-прежнему доступны с допуском 1%, и их можно приобрести в упаковке 2220 SMT. Многое зависит от желаемой точности и типа фильтра, который вам нужен.
Заключение
В этой статье я представил вам три практические конструкции фильтров, которые можно масштабировать до любой частоты, от нескольких десятков кГц до примерно 400 МГц. Если вы погуглите «Фильтр нижних частот», вы найдете сотни проектов, большинство из которых основаны на этих двух конфигурациях, которые я вам дал.
Обладая этой информацией, вы сможете очистить свои передатчики и практически устранить помехи другим службам. Нет абсолютно никаких веских причин для использования «грязного» передатчика.
С наилучшими пожеланиями от Гарри — SМ0VРО.
[ На главную ] [ В раздел ]
