Полосовой фильтр W3NQN с мощностью пропускания 100 Вт

Peter Pfann, DL2NBU, оригинал статьи опубликован на сайте Баварского Contest Club.

Введение

==В соревнованиях в группе несколько операторов - несколько передатчиков• или при приёме вблизи от работающего передатчика встаёт вопрос применения фильтров для развязки каналов связи друг от друга. Работающие на других диапазонах передатчики создают не только сетку поражённых частот в приёмном канале (см. также [ 1 ]), но при известных условиях (при плохой развязке антенн друг от друга, например) могут просто выжечь входное устройство приёмника ( поплавить• катушки входных контуров, спалить• транзисторы УВЧ и т.п.). С этими проблемами успешно справляется и "ВСС-преселектор", но ему, всё же, не помешает дополнительная избирательность. Вот некоторые недостатки этого преселектора:

- Преселектор не предназначен для передающих трактов, трансивер должен иметь отдельный вход приёмника или быть модифицированным соответствующим образом.

- Преселектор осуществляет селекцию только в приёмном тракте, сигнал в передающем тракте не фильтруется, гармоники, широкополосный шум не устраняются.

- Невозможно автоматическое переключение диапазонов.

=Кто не против немного поработать, тот может исключить имеющиеся недостатки преселектора. Диапазонный фильтр лучше всего включить между трансивером и усилителем мощности. Ставить фильтры в тракты передачи с выходной мощностью в 750 Вт и более занятие дорогое и неразумное, а сами фильтры будут иметь впечатляющие размеры. После РА следует ставить только (Notch) поглощающие фильтры для устранения высших гармоник (см. статью DL7AV в CQ-Contest). Поскольку фильтр работает и в передающем тракте, то вносимое им затухание в полосе пропускания должно быть намного менее 1 дБ, чтобы: во-первых, как можно больше произведённой мощности подвести к РА или антенне; во-вторых, как можно меньше израсходовать полезной мощности на нагрев деталей фильтра.

Схемотехника

=Фильтры, подобные описываемому, есть в продаже. Опытной проверке подвергались 100-ваттные фильтры фирм ICE и Dunestar. Фильтры обеих фирм представляют собой как однодиапазонные, так и многодиапазонные конструкции, которые могут автоматически переключаться через декодер (интерфейс) от передатчика или компъютера. Выпускаемые фирмами фильтры имеют одинаковую схемотехнику и представляют собой два параллельных резонансных контура с ёмкостной связью, входы и выходы фильтров подключаются к отводам катушек контуров (перепайкой отводов от катушек можно согласовывать входы и выходы, настраивая их на различные характеристические сопротивления (которые могут быть и разными, например, выход трансивера 50 Ом, а антенный фидер (и, соответственно, антенна) 75 Ом, при этом, перемещение отвода к горячему• концу катушки увеличивает сопротивление (импеданс) и наоборот см. Рис. 1 UA9LAQ) .

Рис. 1. Принципиальная схема фильтров, выпускаемых фирмами ICE и Dunestar.

Вносимое фильтрами фирмы ICE затухание ниже, зато, у фильтров фирмы Dunestar выше избирательность. Было бы неплохо поженить• малое вносимое затухание фильтров ICE c высокой избирательностью фильтров Dunestar. Литературные раскопки• позволили отыскать руководство по созданию полосовых фильтров [ 2 ]. Ничего нового в этом руководстве обнаружить не удалось: там использовалась рассмотренная выше схемотехника и ни о каком улучшении параметров фильтров речи быть не могло. Я уж был готов разработать свой собственный фильтр, но, вдруг, (случайного ничего не бывает! UA9LAQ ), мне в руки попал журнал QST со статьёй Ed#а W3NQN о 200-ваттном полосовом фильтре [ 3, 4 ]. В своё время, я проштудировал главы о фильтрах из справочника ARRL и знал, что W3NQN является профи• по части разработки фильтров, увидев описание вышеупомянутого фильтра и прочитав о достигнутых результатах, я загорелся идеей и принялся за работу. Даже короткая симуляция фильтра показала, что такая схемотехника фильтра - то, что мне нужно. Ничего не нужно было городить•, просто взять тот же фильтр вышеупомянутых уважаемых фирм и заменить в нём конденсатор связи на последовательный резонансный колебательный контур. При этом, в полосе пропускания фильтра уменьшается неравномерность передачи и вносимое затухание и при той же избирательности улучшается КСВ. Вот и получилась приведённая на Рис. 2 схема фильтра!

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема модифицированного полосового фильтра с последовательным колебательным контуром связи.

Кто хочет поподробнее познакомиться с фильтром, пусть прочитает статью в QST, в любом случае, не пожалеете! Ниже приведено представление проведённых испытаний фильтров, их сравнительная характеристика. На 80 и 160 метровые диапазоны не удалось достать фильтры фирмы ICE, поэтому в Таблице 1 отсутствуют данные по ним. По вносимому затуханию в полосе пропускания фильтра приводится во всех случаях максимальная величина, по избирательности - минимальная.

=================================Таблица 1

* - затухание от частоты 28,5 МГц вверх плавно увеличивается и составляет на частоте 28,75 МГц - 1, 2 дБ, на частоте 29, 0 МГц - 2, 0 дБ

Выбор деталей для фильтра

Ферритовые кольца. В качестве сердечников для катушек фильтра применены ферритовые кольца типов и размеров, применённых в авторской (W3NQN) оригинальной конструкции фильтра. Выбор колец ограничен из-за их нагрева, особенно, при длительной эксплуатации. На диапазонах 10+20 метров, катушки на кольцах, намотанные тройным/счетверённым проводом заменены бескаркасными катушками с отводами, что явно удобнее при настроечных операциях. При применении толстого обмоточного медного провода, добротность бескаркасных катушек оказывается даже несколько выше, чем у катушек, намотанных на кольцах. Из-за несколько худшей связи, у бескаркасных катушек - большая паразитная индуктивность. Это обстоятельство позитивно действует на обозначенных выше диапазонах, так как паразитная индуктивность вместе с ёмкостью С1/С3 даёт на соседнем более высокочастотном диапазоне полюс затухания и поэтому отстройка там - намного лучше, чем в случае применения катушек на ферритовых кольцах.

Конденсаторы. Достать нужные конденсаторы проблематично. Следует учитывать условия, в которых им приходится работать: высокие напряжения, большие токи и реактивные нагрузки. Следующая таблица (Таблица 2) содержит значения нагрузочной способности конденсаторов, значения даны для конденсаторов С1/С3. На практике конденсатору С3 достаётся• немного меньше, так как мощность в L1/C1 и L2/C2 немного потеряется, прежде чем достигнет контура L3/C3. Поскольку разница в мощностях, действующих на конденсаторах, незначительна, то, упомянув о ней, не будем больше делать различий в параметрах С1 и С3. Под напряжениями и токами на конденсаторах подразумеваются их действующие значения (средне-квадратичные). Не стоит забывать, что амплитудные значения токов и напряжений ещё больше, в корень квадратный из 2, раз !

=================================Таблица 2

Примечание: Band диапазон, Power мощность, SWR коэффициент стоячих волн (КСВ).

Следует отметить, что конденсаторы больше страдают• не столько от повышения мощности, сколько от плохого КСВ. Необходимо заранее знать на какую пропускаемую мощность и при каком максимально допустимом ухудшении КСВ рассчитывать детали фильтра. При 200 Вт и КСВ 3 : 1, С1 и С3 следует рассчитывать на 1000 В и С2 - на 2000 В. Нагрузочная способность (допустимая реактивная мощность UA9LAQ) должна быть, в этом случае, у С1/С3 - 2500 Вт, у С2 4500 Вт. Если Вы не желаете терять мощность в самих конденсаторах, так они должны, к тому же ещё и иметь высокую добротность. Ориентироваться нужно на добротность, по крайней мере, 5000, что соответствует тангенсу потерь 2 х 10Е-1. При этом, для верхних КВ диапазонов следует применять конденсаторы только специальных высокочастотных типов. Опытная проверка параллельно и последовательно включенных обычных конденсаторов на диапазонах 160+20 метров не выявила заметного их нагрева до мощности (длительное нажатие) 100 Вт, на более высокочастотных диапазонах - конденсаторы ощутимо греются. В оригинале W3NQN применены керамические конденсаторы группы NP0, которые из-за мощностных требований соединены последовательно и параллельно (кроме распределения мощности между конденсаторами в группе, также, будет облегчен температурный режим конденсаторов из-за увеличения поверхности, обтекаемой воздухом UA9LAQ). Эти конденсаторы не предназначены для работы на высоких частотах, но во многих случаях пойдут, хотя могут и подвести (мне известен один случай, когда в оригинальном фильтре W3NQN на 15 метровый диапазон при мощности в 100 Вт сгорел один конденсатор - DL2NBU). Специальные ВЧ конденсаторы довольно трудно найти и они дороги. Кому повезёт, тот сможет найти подходящие на блошиных рынках. Тем, кто хочет поэкспериментировать с другими типами конденсаторов, советую применять таковые с малым тангенсом потерь (из материала СОG, СОН, ни в коем случае, X7R,Y5V,Z5U).

Изготовление фильтра

В Таблице 3 приведены данные по катушкам и конденсаторам отдельно взятых полосовых фильтров:

Таблица 3

Примечание: Band диапазон, Wdg - витков, p пФ, Länge длина, CuL медный обмоточный провод с лаковым покрытием, Anzapfung bei+- отвод от+, auf T130-17 на сердечнике Т130-17, Luftspule бескаркасная катушка, blau-gelb сине-жёлтый (цветное обозначение на ферритовых кольцах), gelb жёлтый, Drahtlänge длина провода, m м (метр), mm мм, cm см, Ø1## диаметр 1 дюйм = 25, 4 мм, trifilar тройным проводом, quadrifilar в четыре провода, о. или, parall. параллельно.

Намотка катушек

L2a/L2b. Катушки L2a и L2b наматываются на кольцевых ферритовых сердечниках в один слой. Приведённые длины проводов соответствуют длинам проводов обмоток с учётом выводов катушек по 2 см. Чтобы упростить последующий монтаж катушек, следует соблюдать следующее:

- При намотке L2a провод следует продевать в кольцо сверху вниз и производить намотку против часовой стрелки.

- При намотке L2b провод следует продевать в кольцо снизу вверх и производить намотку против часовой стрелки.

Этим достигается то, что выводы катушек подходят прямо к местам, где они впаиваются в монтажную плату. Ещё одно небольшое примечание, которое, порой, приводит к ошибкам в намотке катушек: когда провод 5 раз продет в кольцо, то это будет 5 витков. Здесь применён именно этот способ отсчёта. Если считать снаружи, то будет на один виток меньше.

Бескаркасные катушки диапазонов 10, 15 и 20 метров. L1 и L3 на диапазоны 10+20 метров намотаны в один слой на оправке диаметром 1 дюйм (25,2 мм). Здесь также следует соблюдать правила намотки:

- L1 следует мотать по часовой стрелке.

- L2 следует мотать против часовой стрелки.

Причина этому - та же, после намотки катушек их выводы будут прямо подходить к месту их пайки на плате.

Катушки L1/L3 (40, 80, 160 метров). Для получения оптимальной АЧХ фильтра здесь необходима намотка катушек тройным или в четыре провода. Для этого отрезают провода соответствующей длины, на одном конце проводов снимают изоляцию на длине примерно 5 мм, облуживают, кладут один к другому и спаивают вместе. Более толстые провода (обмотка В - С) должны быть снаружи.

Таким образом легче мотать, так как провода меньше путаются, переплетаются. Не все провода, из-за их упругости, удаётся мотать одновременно, порой толстые провода приходится накручивать• поодиночке, протаскивая их в кольцо по витку. При этом лучше начинать с самого толстого (внешнего) провода, продевая его в кольцо, затем подтягивая до тех пор, пока он не ляжет на своё место окончательно. Затем берут прилежащий провод и повторяют всю операцию. Когда виток будет закончен полностью, следующий начинают снова с толстого провода и производят в той же последовательности, что и предыдущий.

Следует производить намотку, укладывая провода строго параллельно, не допуская их перекрещивания. Это обеспечивает возможность точного получения необходимой индуктивности и исключает необходимость снова перебирать витки, чтобы сделать отвод. После намотки катушек укорачивают их выводы до 1 см и распаивают согласно Рис. 3.

Рис. 3. Схема распайки катушек индуктивности фильтров.

Примечание: trifilar - намотка тройным проводом, quadrifilar намотка в четыре провода.

Набивка• платы. Сначала устанавливаются только L1, C1 и L3, C3. Затем, следует настройка L1 и L3. L2a, L2b и С2, перед установкой на монтажную плату, сначала нужно предварительно настроить на макетной плате. Окончательная настройка фильтра осуществляется только после установки фильтра в корпус. Катушки монтируются так, чтобы они находились на расстоянии 3+5 мм от платы, выводы конденсаторов должны быть не длиннее 10 мм.

Настройка. Средние частоты отдельно взятых фильтров составляют:

============================Таблица 4

Примечание: Band - диапазон, Mittenfrequenz средняя частота.

Настройка L1 и L3. Сначала изменением индуктивности на среднюю частоту фильтра настраиваются контуры L1C1 и L3C3. При этом используется следующая измерительная схема (Рис. 4).

Рис. 4. Схема настройки контуров L1С1 или L3C3.

Примечание: Dummy Load - эквивалент нагрузки, mW- Meter милливаттметр.

Важно подключение сопротивлений через сравнительно короткие выводы 10 мм будет нормально (в статье, видимо, ошибочно, указано 10 см UA9LAQ). Не должно при измерениях здесь применяться и длинных соединительных кабелей. Монтажная плата при настройке должна находиться в том же положении относительно нижней металлической панели, в каком будет в окончательном виде. Сначала к контуру L1C1 подключают передатчик и милливаттметр. С3 замыкается накоротко, чтобы исключить влияние другого контура. Затем сдвигая и раздвигая витки катушки L1 настраиваем контур по максимальной мощности на средней частоте (см. Табл. 4).

=Затем, передатчик и милливаттметр подключаем к контуру L3C3, замыкаем накоротко С1 и повторяем настроечную операцию, теперь, для L3. Намотка катушек позволяет изменять их индуктивности только в узком диапазоне. Если среднюю частоту не удалось установить точно, - не отчаивайтесь. Важно, чтобы оба контура были настроены на одну частоту. Если, всё-таки, необходимо настроить фильтр на среднюю частоту, так предварительно настройте на неё катушки L2a/L2b. Не забудьте удалить перемычку с конденсатора С1.

Предварительная настройка катушки L2. L2a, L2b и С2 настраиваются на отдельной макетной плате. Схема измерения приведена на Рис. 5.

Рис. 5. Схема предварительной настройки последовательного контура полосового фильтра.

Примечание: Űbertrager - трансформатор, Dummy Load - эквивалент нагрузки.

Здесь также справедливо утверждение: необходимо сдвигать и раздвигать витки катушки до тех пор, пока этот контур будет настроен на среднюю частоту фильтра. Затем, L2a, L2b и С2 устанавливают на монтажную плату.

Окончательная настройка. Если все контуры были предварительно самым тщательным образом настроены. То уже можно, подав на вход фильтра 100 Вт, снять с него порядка 90 Вт. Это соответствует вносимому затуханию 0,45 дБ. Если вносимое затухание должно быть заметно ниже, то сдвиганием витков катушек L2a, L2b можно его минимизировать. Измерения следует производить в начале, середине и конце диапазона.

Приложение

Спецификация на однозвенный однодиапазонный фильтр:

=================================Таблица 5.

Примечание: Menge - количество, Bauteilbezeichnung описание детали, Bűrklin Best-Nr - номер по каталогу поставки (по прейскуранту Посылторга), CuL провод медный обмоточный покрытый лаком (ПЭЛ, ПЭВ, ПЭВТ, ПЭВТЛ и т. п.) Ringkern кольцевой (ферритовый) сердечник, p пФ, kV кВ, z. B. например; две параллельных вертикальных линии обозначают параллельное соединение, Platine Filter - монтажная плата однодиапазонного фильтра, Weißblechgehäuse корпус из белой жести, Abstandsbolzen Messing vernickelt M3 фигурные латунные с покрытием никелем винты с резбой М3 для обеспечения крепления на расстоянии, Länge 5 mm длина 5 мм, SO239 - Flanschbuchse РЧ гнездо типа SO239 с фланцем для крепления, Zylinderkopfschrauben verzinkt М3 х 6 - винты с цилиндрической головкой оцинкованные с резьбой М3, длиной 6 мм, Muttern M3 - гайки с резьбой М3.

АЧХ затухания фильтра W3NQN. Амплитудно частотная характеристика фильтра W3NQN приведена на Рис. 6.

Рис. 6. АЧХ фильтра W3NQN для различных диапазонов.

Групповой фильтр (набор фильтров). Одиночные фильтры можно объединить в групповой многодиапазонный набор (блок) фильтров, для чего необходимы две группы реле, с помощью которых переключаются входы и выходы однодиапазонных фильтров. Схема устройства выглядит так:

Рис. 7. Переключение однодиапазонных фильтров в групповом многодиапазонном. Схема принципиальная электрическая.

В качестве реле переключения фильтров выбраны JQ1 фирмы Matsushita (c одной группой контактов). Все детали расположены на плате со стороны паек, поэтому конденсаторы и диоды могут иметь конструктивное исполнение SMD (для поверхностного монтажа). Все конденсаторы ёмкостью 100n (0,1 мк) исполнение 1206, все диоды LL4148 - исполнение Minimelf. Платы реле расположены прямо над фигурными винтами, определяющими расстояние (между платой и стенкой) на задней стенке корпуса, РЧ гнездо SO239 припаяно непосредственно: без соединительных проводов. Такое построение упрощает механические работы и с электрической точки зрения (развязка между входом и выходом) является оптимальным.

Расположение деталей на плате.

Рис. 8. Эскиз монтажной платы группового многодиапазонного фильтра.

Сначала следует устанавливать SMD диоды и конденсаторы. Кто желает, то в случае необходимости, может установить и детали с проволочными выводами. Затем устанавливаются реле. Чтобы иметь возможность подобраться к выводам реле, их пайку следует производить в следующей последовательности: Re16, Re15, Re14, Re13, Re12, Re11, Re17. Для использования фильтра в качестве многодиапазонного необходимо две группы (платы) переключающих реле Возможный вариант переключения:

Рис. 9. Вариант схемы переключения фильтров.

Примечание: Koax Thru коаксиальный кабель - обход (включение без фильтра), Steuerleitungen - линии управления.

Удобно расположить фильтр в корпусе типа Schubert (Typ 202). Возможный вариант, в этом случае, выглядит так:

Рис. 10. Вариант расположения фильтра в корпусе типа Schubert (Typ 202).

Примечание: LEDs - светодиоды, Oberseite верхняя сторона, Unterseite нижняя сторона, Vorne передняя сторона, Hinten задняя сторона, Relaisplatine - плата со смонтированными на ней реле.

Для внутренних соединений в блоке фильтров использовались следующие длины коаксиальных кабелей:

================================Таблица 6.

Примечание: Länge длина, Band диапазон, Relaisplatine плата с реле, Through обход•- включение напрямую без фильтра.

Кабели следует разделывать по следующей схеме (Рис. 11):

Рис. 11. Разделка кабелей перед монтажом в блоке фильтров.

Данные деталей фильтров для WARC диапазонов. Если блок фильтров должен иметь все диапазоны, то нужно иметь в виду, что оригинальные фильтры диапазонов 15 и 10 метров имеют очень небольшие затухания в соседних WARC диапазонах. Но всё же, если есть желание, то можно изготовить и узкополосные фильтры специально на каждый WARC диапазон (и обеспечить возможность получения меньшего затухания). В следуюшей таблице приведены данные фильтров на WARC диапазоны:

=================================Таблица 7.