Оловянные фильтры Altoids
Пол Уэйд W1GHZ, w1ghz@arrl.net
Несколько лет назад я описал серию «Многодиапазонные микроволновые преобразователи для вездехода – простые и дешевые» (www.w1ghz.org) с несколькими последующими усовершенствованиями. Они оказались популярными; Надеюсь, у них появились радиолюбители на новых микроволновых диапазонах. Я предупреждал, что их достаточно для простой QRP-станции, но при дополнении усилителями потребуется дополнительная фильтрация.Я предлагал «настоящие металлические фильтры», но никаких конкретных предложений не было. Если вам не повезло с лишними находками, хорошие фильтры трудно изготовить или купить дорого. Даже при использовании некоторых приличных станков фильтры требуют времени и ухода, хотя результаты обычно бывают полезными.
Недавно плохая погода и слишком много сломанного оборудования, требующего ремонта, вдохновили меня на попытку построить простые и недорогие фильтры. Целью является фильтр с хорошей производительностью и минимальными затратами, который можно построить за пару часов с помощью скромных инструментов.
Конструкция фильтра
Программное обеспечение для проектирования фильтров, независимо от его стоимости, обеспечивает набор размеров, соответствующих некоторым эксплуатационным характеристикам. Это только половина проблемы; другая половина — сделать его реализуемым в рамках практических ограничений — смогу ли я это построить? Практические ограничения и возможности могут варьироваться где угодно: от магазина с 6-осевым станком с ЧПУ до дрели и паяльника на кухонном столе. Большинство ветчин находятся где-то посередине, но ближе к последнему.
Поскольку эти трансвертеры представляют собой установки QRP, разве нам не придется использовать где-нибудь банку Altoids? Можем ли мы построить достойный фильтр в банке Altoids?
Хорошим типом фильтра для УВЧ и микроволн является гребенчатый фильтр. Я использую печатную версию в своих досках LO. В гребенчатом фильтре используются параллельные резонаторы линии передачи длиной менее четверти волны, нагруженные емкостью на открытом конце. Это позволяет осуществлять настройку в широком диапазоне частот путем изменения емкости. Типичная электрическая длина резонаторов составляет от 30 до 60 электрических градусов; четверть волны равна 90 градусам.
После выбора длины резонатора оцениваются тип и полное сопротивление резонаторов линии передачи. Затем можно рассчитать расстояние между резонаторами и необходимую настроечную емкость – обычно с помощью программного обеспечения, за исключением очень простых случаев. Если мы пытаемся вписаться в имеющийся корпус, такой как банка Altoids, выбор может быть ограничен и потребует некоторых компромиссов методом проб и ошибок, чтобы вписаться.
Альтоидный фильтр
Простой способ сделать резонатор линии передачи — это цилиндр между двумя плоскими пластинами, известный как плита. В качестве цилиндра я использую внешний проводник обычного полужесткого коаксиала диаметром 0,141 дюйма, например УТ-141. Затем внутренний проводник обеспечивает конденсатор, выдвигаясь для регулировки емкости — примерно 2,4 пФ на дюйм. После настройки внешний проводник припаивается к оловянной стенке на одном конце, а внутренний проводник на другом конце, образуя достаточно жесткую сборку.
Рисунок 1 – Комбинированный фильтр 432 МГц в банке AltoidsОбычно используются несколько конфигураций входных и выходных соединений, но наиболее простым является подключение к концевым резонаторам рядом с заземляющим концом. Эта конфигурация не позволяет легко регулировать, но если известна правильная точка ответвления, регулировка не требуется.
Минимальное количество резонаторов для хорошей формы фильтра — три. Большее количество резонаторов обеспечивает лучшую форму фильтра, но усложняет настройку, особенно при ограниченном испытательном оборудовании.
Несколько пробных расчетов показали, что самая низкая частота любительского диапазона, которая может поместиться в банку Altoids, составляет около 432 МГц. Резонаторы имеют длину около 46 градусов и требуют около 4 пФ для резонанаса. Нижние диапазоны потребуют большей емкости, чем может обеспечить коаксиальный кабель.
Расчетное волновое сопротивление полужестких коаксиальных резонаторов составляет 116 Ом. Более низкий импеданс может быть желательным, но для этого потребуется более крупный и дорогой коаксиальный кабель, чем легкодоступный диаметр 0,141 дюйма. Поскольку фильтр 432 МГц мне понадобился для другого проекта, я собрал его — подробности конструкции ниже. Фильтр показан на рисунке 1, а характеристики — на рисунке 2. Потери составляют около 1 дБ, полоса пропускания составляет около 36 МГц, при этом общая частота гетеродина 404 МГц снижается примерно на 15 дБ.
Желательно использовать более узкий фильтр, но для этого потребуется большее расстояние между резонаторами, а в банке Altoids места нет, особенно с закругленными углами.
Настройка немного сложна: нужно потянуть один центральный проводник плоскогубцами, удерживая два других центральных проводника другими пальцами, чтобы они соединились с коробкой. Это повторяется поочередно для каждого проводника до достижения желаемых характеристик — затем внутренние проводники припаиваются к коробке. Настройка фильтра представляет собой ряд компромиссов, и ее проще выполнить при настройке качания частоты. Настройка начинается около 300 МГц, при этом внутренний проводник вытягивается лишь на небольшую величину, возможно, на 1/2 дюйма, но плавно поднимается до 432 МГц или немного выше – этот фильтр можно настроить на любую частоту в этом диапазоне, возможно, для Частота LO.
Рисунок 2 – Характеристики комбинированного фильтра 432 МГцФильтр 902 МГц
Фильтр 432 МГц демонстрирует, что фильтр Altoids возможен, а как насчет более высоких частот? Если повернуть банку Altoids так, чтобы резонаторы соответствовали короткому размеру, как показано на рисунке 3, длина составит около 57 градусов на частоте 902 МГц. Требуется гораздо меньшая емкость, примерно 1,5 пф, поэтому внутренний проводник почти полностью выдвинут наружу, и настройка становится гораздо более сложной.
Настройка начинается примерно за 600 МГц до того, как внутренний проводник будет вытащен, поэтому при необходимости его можно настроить на любую промежуточную частоту.
Производительность показана на рисунке 4 при потерях около 1 дБ и полосе пропускания около 80 МГц.
Рисунок 3 – Комбинированный фильтр 902 МГц в банке AltoidsФорма фильтра не такая красивая, потому что я решил улучшить КСВ на частоте 902 МГц, а не беспокоиться о потерях во всей полосе пропускания.
Для более высоких частот в Altoids есть место, чтобы сделать фильтр более резким, увеличив расстояние между резонаторами или добавив дополнительный резонатор. В любом случае настройка усложнится и увеличится потери — луженая сталь не является материалом с самой высокой добротностью.
Рисунок 4 – Характеристики комбинированного фильтра 902 МГцМежцифровой фильтр 1296 МГц и 1152 МГц
Ширина олова Altoids составляет четверть длины волны на частоте 1282 МГц, поэтому резонаторы на 1296 МГц будут иметь длину 90 градусов; к сожалению, это будет полосовой фильтр, а не полосовой.
Вместо этого мы можем перевернуть центральный резонатор, чтобы создать встречно-штыревой фильтр, чтобы центральный резонатор был заземлен на противоположном заземленному концу соседних резонаторов. Я сделал два встречно-цифровых фильтра с ответвленными входами: один на 1296 МГц и один на 1152 МГц для частоты гетеродина. Оба были сложны в настройке, особенно на 1296, где резонаторы расположены близко. длиной до 1/2 длины волны и возможна лишь небольшая дополнительная емкость. Самая лучшая настройка привела к неровной форме полосы пропускания и очень плохому КСВ на входе и выходе. Высокий КСВ привел к большим потерям, поскольку большая часть мощности отражается. Кривые производительности показаны на рисунках 5 и 9.
Когда я делал печатные фильтры для своих дешевых и простых вездеходных трансвертеров, я обнаружил, что входы и выходы с боковой связью обеспечивают лучшую производительность, чем входы и выходы с ответвлением. В банке Altoids есть место для дополнительных стержней для соединения, а полужесткий трос стоит недорого, поэтому я рассчитал расстояние для боковых стержней и построил пару. Первая попытка, на рисунке 6, соединила разъемы SMA в нижней части коробки проводом до открытого конца соединительной тяги сбоку. Производительность этой версии, также представленной на рисунках 5, намного лучше, с хорошей формой фильтра и улучшенным КСВ. Дополнительным преимуществом является то, что требуется очень небольшая настройка: резонаторы имеют длину примерно 1/2 длины волны без емкости, поэтому для обеспечения механической поддержки остается только короткий шлейф центрального проводника.
Рисунок 5 – Характеристики встречно-разрядных фильтров 1296 МГцФильтры 1296 МГц на рисунке 6 с боковыми разъемами SMA демонстрируют ограниченное подавление внеполосного сигнала на рисунке 5, всего около 30 дБ. Я задавался вопросом, происходит ли случайное соединение между разъемами SMA. Одним из решений является размещение разъемов SMA на одной линии со стержнями, как показано на рисунке 7.
Рисунок 6 – Встречно-штыревой фильтр со спаренным входным и боковым разъемамиНа рис. 5 показана хорошая форма фильтра для этой версии с гораздо лучшим подавлением внеполосных сигналов. Лучше также подавление частоты гетеродина 1152 МГц. Этот тоже не требует настройки — стержни резонансны в районе 1296 МГц.
На недавней Восточной конференции VHF/UHF 2014 года у меня была возможность измерить фильтр, показанный на рисунке 7, на современном калиброванном векторном анализаторе цепей, предоставленном Грегом Бонагидом, WA1VUG, из Rohde & Schwarz. Результаты, показанные на рисунке 8, даже лучше, чем мои домашние измерения, с чистой кривой отклика и потерями чуть менее 1 дБ.
Рисунок 7 – Встречно-штыревой фильтр со спаренными входными и концевыми разъемамиДля версии, показанной на рис. 7, я использовал штекерные разъемы SMA, поскольку они были единственными, которые у меня были под рукой и которые помещались в пространство, а у меня их было только два. Вилки подходят для прямого подключения к другому модулю, но большинство коротких кабелей имеют вилки, что ограничивает возможности. Поскольку мы уже припаял полужесткий кабель к коробке, почему бы не использовать кабель для входа и выхода, подключая напрямую к соседним модулям, как показано на рисунке 9. Без настройки этот центрирован чуть выше по частоте на рисунке 5 — я обрезал резонаторы немного короче, поэтому на частоте 1296 МГц отклик снижается примерно на 2 дБ. Центральную частоту можно было снизить, регулируя центральный проводник, но я их припаял, не проверив тщательно.
Рисунок 8 – Характеристики фильтра, изображенного на рисунке 7.Встречно-штыревые фильтры на 1152 МГц идентичны фильтрам на 1296 МГц, за исключением того, что часть центрального проводника остается внутри внешнего проводника, чтобы обеспечить емкость для понижения резонансной частоты. Должна быть возможность настройки этих встречно-цифровых фильтров на частоте до 750 МГц с помощью центрального проводника. Кривая на рисунке 9, помеченная как «Связанные стержни», соответствует фильтру, очень похожему на тот, что показан на рисунке 7.
Рисунок 9 – Встречно-штыревой фильтр со спаренным стержневым входом и полужесткими концевыми соединениями кабеляКонструкция фильтра
Рисунок 10 – Характеристики встречно-цифровых фильтров, настроенных на частоту 1152 МГц.Банка Altoids изготовлена из очень тонкой стали, легко паяется утюгом среднего размера, но предварительно необходимо удалить краску. Я использую абразивный круг (Scotch-Brite Paint and Rust Stripper) в дрели или сверлильном станке, который быстро удаляет краску, не повреждая металл. Дальше дело за разметкой и сверлением отверстий. Я отмечаю их дешевым штангенциркулем, используемым в качестве разметки, прокалываю место отверстия разметкой, затем сверлю очень маленькое отверстие № 60 или 1 мм в каждом месте. Затем я использую сверла с наконечником, которые проделывают чистое отверстие в тонком металле. Продаются наборы для деревообработки (www.woodcraft.com), но для этих фильтров нужны только два размера: 9/64 дюйма для полужесткого коаксиала и 5/32 дюйма для разъемов SMA.
Для полужесткого коаксиала лучшим инструментом является миниатюрный труборез. Как показано на рисунке 11, труборез используется для надреза внешнего проводника ровно настолько, чтобы он сломался, а не согнулся. Снова надрежьте его на расстоянии примерно полдюйма, снова защелкните, затем оттяните короткий участок внешнего проводника плоскогубцами.
Рисунок 11 – Подготовка полужесткого коаксиала с помощью миниатюрного труборезаСделайте надрез вокруг тефлона в нужном месте; цель состоит в том, чтобы оставить достаточно, чтобы прижать открытый тефлон к стенке коробки и контролировать длину резонатора. Затем снимите конец тефлона, оставив открытым небольшой отрезок внутреннего проводника. Затем зажмите коаксиальный кабель в тисках с V-образными зажимами (которые также выпрямляют любые небольшие изгибы коаксиального кабеля) и потяните за внутренний проводник плоскогубцами (рис. 12), пока он не начнет двигаться, но оставьте его в коаксиальном кабеле для настройки. Слегка обрежьте конец внутреннего проводника, чтобы удалить заусенцы.
Установите разъемы SMA в коробку Altoids, затем добавьте входные и выходные провода и отодвиньте их в сторону. Теперь пришло время установить резонаторы. Коаксиальный кабель диаметром 0,141 дюйма очень плотно прилегает к отверстиям диаметром 0,140 дюйма, но тонкий металл дает достаточную нагрузку, поэтому он плотно вставляется и остается на месте.
Рисунок 12 – Вытягивание центрального проводника полужесткого коаксиалаНа дальнем конце пропустите внутренний проводник через небольшое отверстие и отрегулируйте желаемую длину резонатора. Когда все три резонатора будут на месте, нанесите на них немного флюса только с внешней стороны корпуса, а затем припаяйте их только на заземляющем конце.
Для гребенчатых фильтров припаяйте входные и выходные провода к точкам отводов резонатора, слегка нанеся пастовый флюс. Очистите флюс и закройте крышку – фильтр готов к настройке.
Для встречно-штыревых фильтров с соединительными стержнями полностью удалите центральный проводник, затем вытяните тефлон настолько, чтобы один конец полужесткого коаксиального кабеля стал пустым. Вставьте пустой конец в разъем, нанесите небольшое количество пасты флюса и припаяйте открытый конец к разъему или входному кабелю.
Подключите фильтр к детектору и генератору сигналов, желательно с качающейся частотой. Конечно, если у вас есть сетевой анализатор, это еще лучше. Настройка заключается в том, чтобы потянуть (или, если необходимо, подтолкнуть) один центральный проводник плоскогубцами; как только центральный проводник начав, как показано на рисунке 12, становится легче перемещаться и тиски больше не нужны.
Настраивая один резонатор, удерживайте два других центральных проводника другими пальцами, чтобы они соединились с коробкой. Повторяйте по очереди для каждого проводника, пока не будет достигнута желаемая производительность — затем внутренние проводники припаиваются к коробке. Для точной настройки и окончательного компромисса КСВ может быть более чувствительным, чем потери.
Размеры
Гребенчатый фильтр 432 МГц: расстояние между резонаторами составляет 16,7 мм, входной и выходной отводы расположены на расстоянии 19,5 мм от земли.
Длина резонатора = на 2 мм меньше длины альтоида.Гребенчатый фильтр 902 МГц: расстояние между резонаторами составляет 17 мм, входной и выходной отводы расположены на расстоянии 11 мм от земли.
Длина резонатора = на 2 мм меньше длины альтоида.Встречно-штыревой фильтр 1296 МГц: расстояние между резонаторами составляет 21,2 мм.
Стержни связи имеют расстояние 8,8 мм от центра к центру внешних резонаторов.
Длина центрального резонатора = на 4,3 мм меньше короткого размера Altoids.
Внешняя длина резонатора = на 3,7 мм меньше короткого размера Altoids.
Длина соединительного стержня необходимая для достижения разъема, примерно такая же, как у внешнего резонатора.Резюме
Эти простые фильтры легко собрать, и они стоят очень недорого, даже если вам придется покупать Altoids. Версия 1296 МГц будет работать без необходимости настройки. Фильтры могут помочь очистить ваш сигнал, уменьшить количество птичек и в то же время сделать ваше дыхание приятнее.
Спасибо Кену, W1RIL, который предоставил мне большую сумку банок Altoids.
Источник: VHF, UHF, and Microwave Filter articles by W1GHZ
Материал перевел и подготовил - RA3TOX
Май 2024
[ На главную ] [ Фильтры ]
