Комбинированные фильтры для УКВ и УВЧ

---

Пол Уэйд W1GHZ, w1ghz@arrl.net

---

Радиочастотное загрязнение широко распространено в удобных портативных местах на вершинах гор и в других высоких местах – везде, где это возможно, расположены вышки сотовой связи, теле- и FM-радиостанции, двусторонние радиостанции и пейджерные передатчики и даже любительские ретрансляторы. Большинство из них имеют высокую мощность и производят сигналы, достаточно сильные, чтобы серьезно перегрузить трансиверы ОВЧ и УВЧ, которые мы используем для участия в соревнованиях или микроволновой связи. Проблема часто проявляется в очень высоком уровне шума.

В августе 2013 года мы проводили конкурс 10 ГГц и выше с вершины горы Мэнсфилд в Вермонте, рядом со зданием, где установлено большинство телевизионных и FM-передатчиков. Наш двухметровый трансивер связи страдал от очень высокого уровня шума, поэтому мы могли слышать только сильные сигналы – не очень хорошо для работы DX. К счастью, N1JEZ попросил меня принести фильтр.

Мы поставили гребенчатый фильтр и устранили лишний шум. В предыдущих экспедициях у нас не было фильтра, и последствия были в виде шума, птичек и помех. Появление широкополосных предусилителей MMIC усугубляет проблему. Без фильтрации они были бы катастрофой на вершине горы, такой как гора Мэнсфилд. Даже в моем QTH, в 42 км от горы Мэнсфилд, но в прямой видимости, самая сильная FM-радиостанция на частоте 107,9 МГц имеет уровень -17 дБм на турникетной FM-антенне. Усиленный на 25 дБ или более, это больше мощности, чем может выдержать большинство приемников, даже вне диапазона.

Объединение фильтров в полосковой линии

Меня вдохновила статья QST Рида Фишера, W2CQH, 1968 года: «Объединение полосовых фильтров УКВ». Создание такого устройства было в моем списке дел в течение многих лет, но я, наконец, дошел до него в 2010 году после других проблем с шумом и помехами на вершинах гор.

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. В версии W2CQH используются три параллельных полосковых резонатора, настроенных с помощью воздушных подстроечных конденсаторов, а также два дополнительных входных и выходных соединения с воздушными подстроечными конденсаторами.

Конденсаторы связи мне не понравились по двум причинам: они добавляют две дополнительные регулировки, что затрудняет настройку фильтра без хорошего испытательного оборудования и, что более важно, конденсаторы трудно найти. В 1968 года, они были недорогими и доступны в местном магазине радиоэлектроники; теперь мне повезло найти три годных к использованию конденсатора между ящиком для мусора и рыться в мусорных ящиках. На ebay появляются излишки конденсаторов из России по вполне приемлемым ценам.

Поэтому я выбрал конструкцию полосковой линии с ответвленной входной и выходной связью, как показано на рисунке 1, но мне нужно было определить точку ответвления. Сегодня мы можем сделать это с помощью программного обеспечения: несколько лет назад на конференциях по УКВ и микроволновой связи раздавались компакт-диски Ansoft Designer SV (Студенческая версия), и в комплект входит Мастер проектирования фильтров. Рассчитать полосковый гребенчатый фильтр довольно просто: просто укажите желаемую частоту и полосу пропускания и угадайте несколько других параметров. Затем остается изменить размеры, сопротивление полосы и электрическую длину, чтобы она поместилась в нужную коробку или шасси. Процедура расчета приведена в Части 2 - Проектирование комбинированных фильтров с помощью бесплатного ПО.

Рисунок 1 – Схема комбинированного фильтра в полосковой линии

Электрический расчет является лишь частью проекта. Хороший, резкий фильтр должен быть механически прочным, чтобы оставаться на частоте, особенно для работы ровера. Для низких потерь важна высокая добротность – широкие полосковые линии с хорошим контактом с землей внизу, в точке сильного тока. W2CQH использовал медные резонаторы в алюминиевом корпусе — комбинация, требующая защиты от коррозии. Вместо этого я решил использовать алюминиевые резонаторы, вероятно, с немного более высокими потерями.

Алюминий паять чрезвычайно сложно, поэтому все соединения выполняются с помощью луженых наконечников для припоя № 4 (я купил коробку 1000 лет назад) и крепежных деталей из нержавеющей стали, металлов, которые с наименьшей вероятностью взаимодействуют с алюминием. В качестве коробки у меня было несколько недорогих вложенных алюминиевых коробок, сделанных в Индии (поищите Stalwart U3789 в Интернете или на Amazon — три полезных коробки с крышками). Самый большой размер, примерно 220х145х60 мм, я использовал для фильтра 144 МГц.

Собранный фильтр показан на рисунке 2 – три узкие полоски с воздушными подстроечными конденсаторами на одном конце, входные и выходные отводы к разъемам BNC.

Рисунок 2 – Комбинированный фильтр на 144 МГц

Первоначальные тесты показали, что Мастер создания фильтров работает не очень хорошо (в дорогой профессиональной версии Ansoft Designer есть тот же Мастер создания фильтров). После тщательной настройки наилучший отклик, который я смог получить, показан на рисунке 3. Полоса пропускания почти в два раза превышает расчетную, и фильтр явно перегружен. Это говорит о том, что положение крана неправильное – мастер проектирования фильтров ошибается. Дальнейшие тесты подтвердили эту ошибку.

Рисунок 3 – Первоначальные характеристики комбинированного фильтра 144 МГц на рисунке 2.

Улучшить было бы легко, если бы начать заново, но я уже проделал тяжелую работу по металлу, поэтому хотел попытаться исправить эту ошибку. В то время у меня был доступ к программному обеспечению Ansoft HFSS (www.ansys.com), поэтому я смог смоделировать полную 3D-модель фильтра и отрегулировать размеры. Я обнаружил, что связь усиливается при перемещении точки ответвления ближе к земле – вопреки моей интуиции. В конце концов я нашел компромисс: более узкие полосковые линии и точка отвода дальше от земли, но не слишком далеко от разъемов, что работало без сверления дополнительного отверстия. График улучшенной версии показан на рисунке 4: она имеет более узкую полосу пропускания (около 13 МГц), меньшие потери (около 0,6 дБ), лучшие обратные потери и более плавную полосу пропускания.

Рисунок 4 – Характеристики комбинированного фильтра 144 МГц на рисунке 2 после модификаций

Различные диапазоны

После ремонта двухметрового фильтра мне показалось, что я хорошо разбираюсь в проектировании гребенчатых фильтров: быстро выполните базовый проект в Ansoft Designer SV, а затем используйте Ansoft HFSS для настройки точки отвода. Я делал бумажные проекты для других диапазонов ОВЧ и УВЧ и записывал их в свой блокнот, но до недавнего времени не занимался их созданием. Настоящим толчком стал наш опыт на горе Мэнсфилд.

222 МГц

Фильтр на 222 МГц был первоочередной задачей, поскольку FCC решила переместить 44-й телеканал (аналоговый) на 13-й канал ЦТВ с 210 на 216 МГц. Мой уровень шума увеличивается на 16 дБ, когда я направлен на гору Мэнсфилд. Для этого фильтра я выбрал вложенный алюминиевый короб среднего размера (Stalwart U3789), примерно 202х129х54 мм. Полосковые линии в этой версии (рис. 5) параллельны короткому размеру коробки, что позволяет использовать широкие полоски, расположенные дальше друг от друга для более узкой полосы пропускания.

Рисунок 5 – Комбинированный фильтр на 222 МГц

Характеристики этого фильтра показаны на рисунке 6. Полоса пропускания уже, чем у фильтра 144 МГц, около 8 МГц с гладкой полосой пропускания, но потери немного выше, около 1,1 дБ. Мы ожидаем, что более узкие фильтры будут иметь большие потери для одного и того же резонатора Q – поскольку фильтры имеют схожую конструкцию, Q должна быть примерно одинаковой.

Рисунок 6 – Характеристики фильтров 222 МГц

Для сравнения я нашел у себя в сарае фильтр, показанный на рисунке 7, с пометкой «Корпус сигналов, Фильтр, Полосовой Ф-197У». Я купил это на фестивале Hamfest несколько лет назад. Продавец сказал мне, что у него большие потери и его необходимо модифицировать, чтобы его можно было использовать, но я ничего с этим не сделал. Я настроил его на частоту 222 МГц и измерил характеристики, также показанные на рисунке 6. Полоса пропускания уже, чем у гребенчатого фильтра, и потери ниже, около 0,7 дБ. Он также имеет гораздо большее подавление на частоте 216 МГц, чем гребенчатый фильтр. Эти большие позолоченные полости имеют более высокую добротность, чем алюминиевые полосковые линии и подстроечные конденсаторы.

Помогают ли эти фильтры снизить уровень шума? Благодаря дополнительному фильтру увеличение шума в направлении горы Мэнсфилд снижается до 2 дБ, а не до 16 дБ. А вот с гребенчатым фильтром, при уменьшении подавления на 10 дБ, прирост шума составляет 3 дБ. Мы можем сделать вывод, что большая часть шума исходит от источников, отличных от передатчика цифрового телевидения 13 канала. И любой фильтр является большим улучшением.

Рисунок 7 – Фильтр излишков, полосовой F-197/U

432 МГц

Для 432 МГц я рассчитал размеры фильтра для самой маленькой вложенной коробки (Stalwart U3789), которые составляют примерно 176x99x43 мм. Я также рассчитал размеры литого под давлением алюминиевого ящика Hammond 1590-BB с внутренними размерами примерно 115x90x30 мм. Литая коробка кажется намного более прочной, поэтому я выбрал ее в первую очередь. Фильтр показан на рисунке 8. Поскольку высота литой коробки намного короче, чем у других, полосковые линии уже, но расстояние по-прежнему пропорционально велико для узкой полосы пропускания.

Рисунок 8 – Комбинированный фильтр на 432 МГц в литом корпусе

Характеристики гребенчатого фильтра 432 МГц показаны на рисунке 9. Он также довольно резкий, с плавной полосой пропускания около 11 МГц и потерями около 1,25 дБ.

Рисунок 9 – Характеристики комбинированного фильтра на 432 МГц в литом корпусе

Поскольку я просверлил отверстия и вырезал полосковые линии для другого гребенчатого фильтра 432 МГц в маленькой алюминиевой коробке (Stalwart U3789), позже я вернулся и собрал и его – процесс сборки немного утомительный и занимает некоторое время. пришло время правильно выровнять все выступы припоя. Готовый фильтр показан на рисунке 10.

Рисунок 10 – Комбинированный фильтр на 432 МГц в небольшом вложенном корпусе Stalwart

После того, как крышка была надежно завинчена для обеспечения жесткости, настройка прошла гладко. Производительность показана на рисунке 11. Он также довольно четкий, с плавной полосой пропускания около 13 МГц и потерями около 1,4 дБ, что не так хорошо, как у версии в литом корпусе.

Рисунок 11 – Характеристики гребенчатого фильтра для 432 МГц в небольшом гнездовом блоке Stalwart.

Поскольку резонаторы в гребенчатом фильтре не имеют полной четвертьволны, они не имеют отклика на частотах, которые являются нечетными гармониками полосы пропускания, в отличие от некоторых других типов фильтров. .

На рисунке 12 показано, что эти фильтры не имеют побочных реакций примерно до 1,5 ГГц и имеют очень хорошее подавление вплоть до этой частоты.

Рисунок 12 – Характеристики комбинированных фильтров 432 МГц в широком диапазоне частот.

144 МГц

Поскольку первый гребенчатый фильтр на 144 МГц был компромиссом, а полоса пропускания была не такой узкой, как я предполагал, я рассчитал новые размеры в большом ящике Stalwart. Я также рассчитал размеры шасси, подобного тому, которое использовал W2CQH, Bud AC-406, 9x7x2 дюйма. Я решил построить корпус, показанный на рисунке 12.

Рисунок 13 – Комбинированный фильтр на 144 МГц в шасси Bud AC-406

Этот фильтр очень резкий, с полосой пропускания около 2,5 МГц. Цена за узкую полосу пропускания — немного более высокие потери, около 1,7 дБ. Плавный отклик показан на рисунке 14. Этот фильтр был просто настроен на минимальные потери на частоте 144,2 МГц, так как мой свипер барахлил и я не мог просканировать отклик во время настройки.

Рисунок 14 – Характеристики комбинированного фильтра для 144 МГц, изображенного на рисунке 13.

Как и фильтры 432 МГц, гребенчатый фильтр 144 МГц обеспечивает превосходное подавление внеполосных сигналов, без побочных реакций ниже 750 МГц, как показано на рисунке 15. Этот фильтр может эффективно блокировать все радио- и телевизионные частоты вашего приемника.

Рисунок 15 – Характеристики комбинированного фильтра 144 МГц в широком диапазоне частот 50 МГц

Для частоты 50 МГц W2CQH использовал то же шасси Bud AC-406 размером 9x7x2 дюйма, но повернутое на 90 градусов, поэтому полосковые линии стали длиннее. Я рассчитал размеры гребенчатого фильтра с отводом в этом корпусе, но он показался мне немного тесным, поэтому я выбрал корпус немного большего размера, Bud AC-1418, 10x8x2,5 дюйма. При ориентации шасси так, чтобы полосковые линии находились в длинном измерении, Ansoft Designer SV рассчитала емкость 135 пФ для внешних резонаторов и примерно на 10% меньше для центрального резонатора. У меня не было в наличии ничего такого большого размера, поэтому я поискал на eBay и нашел около 140 пф воздушных подстроечных конденсаторов из России. После того как конденсаторы прибыли, я просверлил корпус и обрезал полосковые линии жестяными ножницами, а затем собрал фильтр, показанный на рисунке 16.

Рисунок 16 – Комбинированный фильтр на 50 МГц

Первоначальные испытания показали, что фильтр не настраивается ниже 52 МГц. Проблема была в конденсаторах — они намного длиннее, чем я предполагал, поэтому полосковые линии короче, около 198 мм. Перерасчет с учетом новой длины показал, что для 50 МГц требуется 150 пф, поэтому я поставил серебряный слюдяный конденсатор емкостью 15 пф параллельно каждому концевому конденсатору — для центрального резонатора требуется меньшая емкость. Теперь фильтр настраивается примерно до 48 МГц. Окончательная настройка на частоте 50 МГц дала характеристики, показанные на рисунке 17, хорошие и четкие, с полосой пропускания около 3 МГц.
Вносимые потери составляют около 0,75 дБ, поэтому конденсаторы из серебряной слюды подходят для частоты 50 МГц. Возможно, даже предпочтительнее использовать воздушные подстроечные конденсаторы меньшего размера с большей фиксированной емкостью.

Рисунок 17 – Характеристики комбинированного фильтра для полосы 50 МГц

Как и фильтры 144 и 432 МГц, гребенчатый фильтр 50 МГц обеспечивает превосходное подавление внеполосных сигналов, без побочных реакций ниже 700 МГц, как показано на рисунке 18. Этот фильтр может эффективно блокировать все радио- и телевизионные частоты вашего приемника. .

Рисунок 18 – Характеристики комбинированного фильтра 50 МГц в широком диапазоне частот.

Изготовление

Изготовление этих фильтров — это в основном тщательная металлообработка, а не какое-то сложное оборудование. Для выполнения этой работы будет достаточно дрели и жестяных ножниц. Тщательно разметьте отверстия в коробке — я делаю приблизительные измерения с помощью линейки и фломастера, чтобы можно было стереть ошибки. Когда все выглядит правильно, я отмечаю места отверстий цифровым штангенциркулем. Проколите места отверстий, затем просверлите или пробейте отверстия. Я считаю, что ручной пробойник проделывает более чистые отверстия в листовом металле там, где он подходит, в противном случае рекомендуется использовать сверла с торцевым наконечником. Снимите все заусенцы.

Отрежьте полоски до желаемой ширины, но оставьте их длинными. Согните последние полдюйма под прямым углом в тисках, если у вас нет гибочного станка. Установите конденсатор на место, прикрепите полосковую линию и определите ее длину. Отрежьте по длине, сделайте отверстия в полосковых линиях и посмотрите, подходит ли все это с помощью наконечников для пайки. Если нет, разрежьте еще одну полосковую линию. Конденсаторный конец полосковой линии должен соответствовать линии, показанной на рисунке 19.

Рисунок 19 – Крупный план сборки настроечного конденсатора

Перед сборкой все очистите сначала денатуратом от жира, затем промойте водой. Хороший контакт зависит от чистоты поверхностей. Заземляющий конец полосковой линии и точка отвода разъема должны соответствовать рисунку 20.

Рисунок 20 – Крупный план заземления полосковой линии и отвода разъема

И последнее замечание по поводу точки касания: винты заземления расположены не в самом углу, поэтому фактическая точка контакта неизвестна. Для резонанса это не имеет значения, поскольку конденсатор его настраивает, но это может повлиять на электрическое расстояние до точки отвода. Добавление пары дополнительных отверстий в резонаторах, примерно по 5 мм с каждой стороны от указанного расстояния, может облегчить точную регулировку, если вы суетливы. Пара небольших дырочек вообще не повлияют на производительность.

Настройка фильтра

Если у вас есть генератор развертки, настроить его проще — вы можете увидеть отклик и настроить форму по своему желанию. Лучшим индикатором являются возвратные потери или КСВ. Должно быть возможно достичь обратных потерь лучше, чем 20 дБ, по крайней мере, в важной части полосы пропускания, а также с хорошей формой полосы пропускания передачи. Если у вас нет свипера, просто подайте сигнал вблизи вызывающей частоты или другой желаемой центральной частоты и настройтесь на максимальную выходную мощность и минимальный КСВ. Затем проверьте другие частоты, чтобы убедиться, что охвачен весь диапазон, который вы собираетесь использовать — всего несколько сотен кГц для работы с самым слабым сигналом.

При необходимости фильтры также можно настроить на другие частоты за пределами любительских диапазонов. Например, версию 144 МГц можно настроить до 220 МГц, а версию 50 МГц — до 70 МГц для прослушивания 4-метровых сигналов из Европы.

Краткое содержание

Для работы на вершине горы необходим фильтр. В моем домашнем QTH, находящемся в прямой видимости со многими радиовещательными передатчиками, фильтры имеют большое значение, и я использую по одному на каждом диапазоне, чтобы уменьшить количество паразитных сигналов. Для диапазонов УКВ я использую фильтр между антенной и предусилителем — мои широкополосные предусилители MMIC2 имеют коэффициент шума около 0,5 дБ, поэтому общий коэффициент шума с фильтром составляет менее 2 дБ, что вполне достаточно для наземной работы. Для более высоких полос фильтр следует за предусилителем.

Эти гребневые фильтры с полосковой конструкцией обеспечивают очень хорошие характеристики и могут быть изготовлены при скромных навыках работы с металлом. Размеры указаны в таблице ниже. Стоимость должна быть значительно ниже, чем у коммерческих продуктов, а производительность лучше, чем у большинства, если не у всех доступных фильтров.

Таблица 1

Диапазон, МГц	Полоса пропускания, МГц	Коробка	Длина, мм	Ширина, мм	Высота, мм	Ширина полосы, мм	Расстояние между полосами, мм	Strip c to c, мм	Точка касания, мм	Конденсатор, пф
144	2.5	AC-406	9 in	7 in	2 in	33	44	77	22	24
222	8	U3879 mid	202	129	54	34	40	74	30	15
432	11	1590-BB	115	90	30	16	25	41	16	5
432	13	U3879sm	176	99	43	29	35	64	15	5
50	3	AC-1418	8 in	10 in	2.5 in	30	40	70	90	150
Некоторые другие (не проверенные)
50	4	AC-406	7 in	9 in	2 in	25	30	55	80	160
144	7	U3879 Ig	220	145	60	33	44	77	35	30
222	12	AC-402	7 in	5 in	2 in	30	35	65	30	14

Все красивые графики производительности основаны на данных, измеренных с помощью векторного сетевого анализатора ZVA50 компании Rohde & Schwarz3, любезно предоставленного Грегом Бонагидом, WA1VUG, для измерений на нескольких конференциях по УКВ. В противном случае мои измерения производятся вручную в ограниченном диапазоне, как показано на рисунке 6.

Библиография

1. Reed Fisher, W2CQH, “Combline V.H.F. Bandpass Filters,” QST, December 1968, pp. 44-45.
2. Paul Wade, W1GHZ, “Simple Cheap MMIC Preamps,” Proceedings of the 48thConference of the Central States VHF Society, ARRL, 2014, pp. 204-214.
3. http://www.rohde-schwarz.com/
4. VHF, UHF, and Microwave Filter articles by W1GHZ

---

Материал перевел и подготовил - RA3TOX
Май 2024

[ На главную ] [ Фильтры ]