Печатные фильтры-шпильки

Paul Wade, W1GHZ
Печатные фильтры-шпильки, такие как на рисунке 1, популярны для нижних микроволновых диапазонов — они используются во всех трансвертерах KK7B без настройки

Фильтры состоят из серии U-образных 1/2λ резонаторов, соединенных по краю со своими соседями. Проектирование этих фильтров традиционно было несколько эмпирическим — методом проб и ошибок. Джим Дэйви, WA8NLC (теперь K8RZ) работал с Риком Кэмпбеллом, KK7B, над разработкой фильтров-шпилек для трансвертеров без настройки

Hirpin Filters
Рисунок 1 — Печатный фильтр-шпилька с ответвленным входом и выходом

В литературе есть ряд статей, описывающих процедуры проектирования фильтров-шпилек, но они, похоже, много говорят о матричной математике и мало говорят о практических размерах. Другой альтернативой является программное обеспечение, но полезное программное обеспечение для фильтров либо очень дорогое, либо действительно дорогое.

В 2003 году я описал 3 проектирование печатных шпилечных фильтров, подобных показанному на рисунке 2, с использованием бесплатной версии (студенческой версии) программного обеспечения Ansoft Serenade и Harmonica, с хорошими результатами. Однако это программное обеспечение больше не доступно, и у него есть кривая обучения, которая может отпугнуть многих радиолюбителей. Заменяющее его бесплатное программное обеспечение Ansoft Designer SV4 имеет некоторые мощные функции, но функции, необходимые для точного проектирования фильтров, недоступны в бесплатной версии.

Проектирование фильтров

Для моих простых и дешевых многополосных трансвертеров, подобных показанному на рисунке 2, я изготовил печатные шпилечные фильтры для ряда частот. Я сделал начальное проектирование с помощью симулятора Planar EM в Ansoft Designer (не входит в бесплатную версию), затем сопоставил производительность прототипа с прогнозируемой производительностью и скорректировал параметры для соответствия результатам прототипа.

Hirpin Filters
Рисунок 2 – Трансвертер 1296 МГц с печатным фильтром-шпилечкой

Все мои платы для ПК сделаны ExpressPCB6 с использованием их бесплатного программного обеспечения для компоновки. Они обеспечивают превосходное качество по доступной цене. Хотя обычный диэлектрик FR-4 не указан для работы в диапазоне ВЧ или СВЧ, плата оказалась достаточно стабильно воспроизводимой. Это позволяет мне изготавливать небольшие партии этих плат трансвертера по разумной цене.

Материал FR-4 состоит из тканого стекловолокна, пропитанного эпоксидной смолой – диэлектрическая проницаемость меняется в зависимости от относительных пропорций двух материалов. Обозначение FR означает, что был добавлен антипирен – они, как говорят, имеют потери на микроволновых частотах. FR-4 имеет номинальную диэлектрическую проницаемость 4,5, которая может варьироваться от 3,9 до 4,6, и номинальный тангенс угла потерь 0,02. Широкий диапазон диэлектрической проницаемости затруднит разработку воспроизводимых фильтров, поэтому я придерживаюсь одного источника. На рисунке 3 показано, что изготовить шпилечный фильтр для частоты 1296 МГц с широким диапазоном диэлектрической проницаемости будет затруднительно.

Hirpin Filters
Рисунок 3 – Влияние диэлектрической проницаемости на частоту печатного шпилечного фильтра

Мои предыдущие эксперименты с шпилечным фильтром с использованием Ansoft Serenade показали, что диэлектрическая проницаемость для плат ExpressPCB составляет около 4,1, поэтому я разработал фильтр с центром на частоте 720 МГц, показанный на рисунке 4. Результаты измерений, показанные на рисунке 5, показывают, что центральная частота ниже смоделированной, что позволяет предположить, что фактическая диэлектрическая проницаемость выше, но 720 МГц все еще находится в полосе пропускания, поэтому фильтр можно использовать. Позже я скорректировал размер, чтобы охватить диапазон от 720 до 760 МГц, поэтому фильтр можно использовать и для гетеродина трансвертера 902 МГц.

Hirpin Filters
Рисунок 4 – Печатный шпилечный фильтр 720 МГц со связанными входом и выходом

Hirpin Filters
Рисунок 5 – Частотная характеристика шпилечного фильтра 720 МГц

Однако мне нужно было лучше разобраться с диэлектрической проницаемостью, чтобы иметь возможность проектировать фильтры, которые работают с первого раза. Я вернулся в Ansoft Designer и изменил диэлектрическую проницаемость, чтобы соответствовать измеренным данным; на рисунке 6 показаны некоторые кривые корреляции. Похоже, что наилучшая диэлектрическая проницаемость составляет 4,25 для соответствия Ansoft Designer с платами ExpressPCB. Это число может не быть лучшим соответствием для другого программного обеспечения или поставщиков печатных плат.

Hirpin Filters
Рисунок 6 – Кривые фильтра-шпильки 720 МГц для корреляции диэлектрической проницаемости

Фильтр на рисунке 4 имеет паяльную маску поверх меди, что придает ей зеленый цвет.

Эта пластиковая пленка защищает медь, но я не очень хорошо разбираюсь в ее толщине или диэлектрической проницаемости, поэтому я исключил паяльную маску из фильтров с более высокими частотами.

Как только мы обретем некоторую уверенность в программном обеспечении, мы можем попытаться оптимизировать размеры. Фильтр 720 МГц имеет некоторую пульсацию в полосе пропускания, как при измерении, так и при моделировании. Это говорит о том, что фильтр может быть чрезмерно связанным. Изменение расстояния между шпильками контролирует связь; Рисунок 7 показывает, как изменяется полоса пропускания с расстоянием, без значительного увеличения потерь — материал FR-4 имеет некоторые потери, но помните: усиление дешево.

Hirpin Filters
Рисунок 7 — Влияние расстояния между шпильками на частотную характеристику фильтра

Я варьировал все размеры и обнаружил, что нет четкого оптимума, только набор компромиссов. После того, как я нашел приятную комбинацию, я округлил размеры до ближайших 10 мил и снова запустил ее, чтобы убедиться, что она все еще близка. Использование круглых чисел произвольно — результаты были бы примерно такими же, если бы я использовал 0,25 мм вместо 10 мил в качестве круглого числа — но круглые числа, безусловно, облегчают компоновку.

Наиболее важным измерением является расстояние между входными и выходными линиями. Фильтры на рисунках 2 и 4 используют тесно связанные линии 1/4λ, в то время как фильтр на рисунке 1 использует ответвленные вход и выход. Я обнаружил, что тесно связанные линии обеспечивают лучший КСВ. Я выбрал интервал в 10 мил, чтобы сделать его более воспроизводимым; более плотный интервал в 6–8 мил дал бы немного лучшую производительность, но размер был бы более критичным. ExpressPCB, похоже, способен постоянно поддерживать размер в 10 мил, что было бы сложно с самодельными платами — ответвленный вход и выход, вероятно, лучше для самодельных плат. Все оригинальные трансвертеры KK7B и WA8NLC без настройки используют ответвленный вход и выход для фильтров-шпилек.

После того, как критический размер зафиксирован, остальные настраиваются для желаемой производительности — все размеры взаимодействуют. Результаты хорошие — на рисунке 8 показано, что измеренная производительность фильтра-шпилек с самой высокой частотой, который я сделал близко соответствует прогнозируемой производительности. Обратите внимание, что подавление полосы задерживания намного больше на стороне низких частот. Это типично для связанных входа и выхода; для ответвленного входа и выхода подавление больше на стороне высоких частот.

Hirpin Filters
Figure 8 – Measured frequency response matches simulation

Рецепты шпилечных фильтров

Я изготовил и протестировал шпилечные фильтры для 902, 1152, 1296 и 1440 МГц, все с использованием тех же размеров, меняя только длину ножек шпилек. Размеры указаны на рисунках 9 и 10 и перечислены в таблице 1. Размеры в таблице 1 и кривая частоты в зависимости от длины на рисунке 11 дают простой рецепт для проектирования фильтра.

Фильтры симметричны — один конец является зеркальным отражением другого — поэтому только один конец имеет определенные размеры. Фильтры с четырьмя шпильками, как на рисунке 2, имеют одно дополнительное измерение, SP3, центральное пространство между двумя внутренними шпильками.

Hirpin Filters
Рисунок 9 – Расположение размеров в Таблице 1 для 3-шпилечного фильтра

Размер 	3-шпилечный 	4-шпилечный
SP0 	10 	10 мил
SP1 	80 	80 мил
SP2 	80 	60 мил
SP3 	na 	80 мил
Ширина линии 	100 	100 мил
Длина 	Центральная частота – Рис. 10
W1GHZ
Таблица 1

Hirpin Filters
Рисунок 10 – Расположение размеров в Таблице 1 для 4-шпилечного фильтра

Hirpin Filters
Рисунок 11 - Центральная частота шпилечного фильтра в зависимости от длины Размер

Характеристики фильтра

Я изготовил печатные шпилечные фильтры для 902, 1152, 1296 и 1440 МГц, используя размеры в Таблице 1, как часть дешевых и простых трансвертеров. Чтобы проверить их, я просто разрезал платы трансвертеров и добавил разъемы SMA. Характеристики трехшпилечных версий показаны на рисунке 12 – потери составляют около 6,5 дБ.

Hirpin Filters
Рисунок 12 – Частотная характеристика трехшпилечных фильтров.

Hirpin Filters
Рисунок 13 – Частотная характеристика четырехшпилечных фильтров.

Частотная характеристика четырехшпилечных версий показана на рисунке 13. Рисунок 13 сравнивает две версии фильтра; потери четырехшпилечной версии лишь немного больше, но полоса пропускания шире и площе, что делает их более устойчивыми к изменению диэлектрической проницаемости.

Hirpin Filters
Рисунок 14 – сравнение трехшпилечных и четырехшпилечных фильтров для 1296 МГц

Разметка печатной платы

ExpressPCB предоставляет бесплатное программное обеспечение для разметки, которое я и использую. Поскольку все размеры кратны 10 мил, «шаг привязки» (в разделе «Параметры») должен быть установлен на 10 мил. Чтобы нарисовать ножки шпильки, используйте команду «Поместить прямоугольник», разместив его примерно там, где вам нужно. Затем щелкните правой кнопкой мыши по прямоугольнику и выберите «Установить свойства прямоугольника», чтобы численно настроить размеры и положение именно так, как вам нужно. Сложная часть — это скошенный угол в 45 градусов — я просто заполняю его небольшими перекрывающимися линиями. Как только у вас есть одна шпилька, вы можете вырезать и вставить для других — они должны быть идентичны. Сохраняйте часто и «Отменяйте» по мере необходимости. Ошибки не имеют значения, пока вы не закажете платы.

Последний шаг — паяльная маска. В разделе «Параметры» выберите «Просмотр (сверху или снизу) Паяльная маска». Затем нарисуйте прямоугольник там, где вы хотите удалить паяльную маску.

Обратите внимание, что Miniboard не поставляется с паяльной маской, поэтому вам не нужно беспокоиться об этом, если вы оставили ее в пределах границ.

Когда вы убедитесь, что все правильно, закажите платы. Если она помещается в Miniboard, вы получите три платы за 59 долларов — одну для экспериментов и проверки ее работоспособности, одну для создания красивой версии и одну для того, чтобы вывести кого-то еще в эфир.

Краткое содержание

Этот рецепт должен позволить радиолюбителям разрабатывать дизайн с использованием печатных фильтров-шпилек без необходимости использования дорогостоящего программного обеспечения. Фильтры для частот от 900 до 1400 МГц можно масштабировать напрямую из рисунка 11 с уверенностью. Более низкие частоты просты — просто сделайте ножки шпилек длиннее, но вам придется экстраполировать длину. И платы становятся больше и дороже. Конечную частоту можно обрезать ножом X-acto, что мало повлияет на производительность; просто обрежьте концы прямых секций.

Более высокие частоты сложнее. Материал FR-4 дает еще больше потерь, поэтому фильтры будут не очень хорошими — не только потери, но и отклик фильтра становится более округлым и неровным. Материалы на основе тефлона работают очень хорошо, а микроволновые материалы, такие как Rogers Duroid, имеют хорошо контролируемые диэлектрические постоянные. Для этих материалов можно проектировать с уверенностью. Однако стоимость изготовления плат на порядок выше, чем ExpressPCB. Если вы найдете разумный источник, пожалуйста, дайте мне знать. В противном случае я буду придерживаться фильтров с колпачками для более высоких частот.

Источники

1. Rick Campbell, KK7B, “A Single-Board, No-Tune 902-MHz Transverter,” QST, July 1991, p. 25.
2. Jim Davey, WA8NLC, “A No-Tune Transverter for 2304 MHz,” QST, December 1992.
3. Paul Wade, W1GHZ, “Design of Printed Hairpin Filters with Predictable Performance,”
4. www.ansys.com
5. Paul Wade, W1GHZ, “Multiband Microwave Transverters for the Rover – simple andcheap,” 2008, http://www.w1ghz.org/MBT/multiband.htm
6. www.expresspcb.com

Материал перевел и подготовил - RA3TOX
Май 2024

[ На главную ] [ Фильтры