Главная › Новости

Узкополосный полосовой фильтр на 40-метровый диапазон

Опубликовано: 05.09.2018

Узкополосный полосовой фильтр на 40-метровый диапазон

Zack Lau , W 1 VT . Оригинал статьи опубликован в журнале QEX № 11 1998 г, стр. 57…61

  40-метровый диапазон тесен – эта часть радиоспектра популярна не только у радиолюбителей-коротковолновиков, но и у КВ-радиовещателей. Поддерживаемые на государственном уровне, с ”немного туже набитым карманом”, чем может себе позволить рядовой радиолюбитель, РВ станции имеют просто “огромадные” мощности и гигантские, по размерам, антенны. Не удивительно, что простые (недорогие и не только любительские) приёмники просто “затыкаются”  при хорошем прохождении. Повышая динамический диапазон приёмников, можно улучшить ситуацию, однако ещё больше её позволит улучшить доведение избирательности приёмника до такой степени, чтобы подавить сигналы мешающих станций, так, чтобы приёмник и не “подозревал” об их существовании.

  Хороший фильтр никогда не помешает, например, участники “Полевого Дня” всегда нуждаются в фильтрах, которые бы позволили избежать взаимных помех между CW и SSB станциями. Привожу действующую модель разработки, которая послужит основой для дальнейших модернизаций, с целью получения более впечатляющих результатов. Я имею в виду те компромиссные решения, которые я был вынужден применить, чтобы удешевить проект, так как нет необходимости делать его более “ёмким на финансы”, чем это необходимо. Обычно самые узкополосные из существующих ныне фильтров - кварцевые, т. к., кварцевые пластины обладают сверхвысокой добротностью, а это означает, что они обладают наименьшими потерями, по сравнению со всеми остальными компонентами, обычно применяемыми в фильтрах. Добротность кварцевых резонаторов в миллион единиц возможна, а в 100000 - не редкость.

  К сожалению, кварцевые резонаторы не выносят повышенных мощностей и мощность в 1 мВт для них уже “большая”. Поэтому я решил, что для входного к приёмнику полосового фильтра, в условиях работы при  очень сильных сигналах, кварцевые резонаторы не подойдут. Для защиты резонаторов от разрушения потребовалось бы применение специальной схемы, а полоса пропускания осталась бы, всё равно, достаточно широкой, какой прок от такого фильтра?!

   Во-вторых, кварцевые резонаторы в схеме не так легко согласовать, как может показаться на первый взгляд. Подгонка частот резонаторов, обычно осуществляется стиранием/натиранием, стравливанием или анодированием их контактных поверхностей. Этот процесс занимает много времени, должен проводиться очень тщательно и, ещё не известно, приведёт он к желаемому результату или нет. Если Вы, тем не менее, - энтузиаст,  то посоветую использовать резонаторы типа FT -243, так как они, в отличие от других, легко разбираются. Поддерживающие кристалл металлические пластины легко удаляются, осуществляя доступ к кварцевой пластине для технологической её обработки шлифованием для получения более высокой частоты резонанса. Часто для фильтров предлагают изготавливать спиральные резонаторы, так популярные на УКВ. Я сделал сравнительный анализ (см. Табл. 1) и пришёл к выводу, что обычные LC - контуры на частотах порядка 7 МГц практичнее.

   Эти цифры были получены из уравнений, опубликованных в Главе 16 Справочника ARRL за 1998 год (1998 ARRL Handbook стр. 16.25 – 16.27). Несмотря на то, что Вы вознамерились изготовить фильтр достаточно больших размеров, для спирального резонатора на 7 МГц будет необходимо “навить” очень большое количество витков тонкого провода, что приведёт к неоправданно большой межвитковой паразитной ёмкости (которая, как известно, будет подключена параллельно катушке и значительно ухудшит добротность спирального резонатора – UA 9 LAQ ). Витки катушки спирального резонатора должны быть намотаны с шагом, иначе, сильно снижается его добротность, что повлечёт за собой неудовлетворительную работу такого резонатора на 40-метровом диапазоне. Плотное прилегание витков катушки друг к другу резко повышает потери в спиральном резонаторе, что является проблемой, в случае, когда требуется, именно, его высокая добротность (порой для экономии места и увеличения добротности спиральных резонаторов применяют, так называемую, “прогрессивную” намотку катушки с переменным шагом, увеличивающимся к “горячему” концу катушки – UA 9 LAQ ).

Fig . 1.Принципиальная схема полосового фильтра с центральной частотой 7035 кГц

      и полосой пропускания 29 кГц

С1, С13 – 10 пФ – серебряно – слюдяные

С2, С3, С4, С10, С11, С12 – высокодобротные фарфоровые (керамические) чип-конденсаторы

С5, С9 - подстроечные конденсаторы для монтажа на панели ( Johnson 194-4-1 1,4…13 пФ)

С6, С8 - 1 пФ - серебряно - слюдяной

С7 – 0,8…10 пФ - подстроечный Johnson 5201 ( Johnson 194-4-1 также будут работать)

U 1, U 2 - РЧ соединитель UG -290 A BNC использован в сфотографированном прототипе фильтра. Возможно применение типа соединителя, который Вам больше по душе

  L 1, L 2 – пр 17 витков голого медного провода #10, намотанного с шагом на каркасе из полихлорвинила с внешним диаметром 2, 375 дюйма. Длина катушки (намотки) 4 дюйма. Каждая катушка заключена в экран 6 х 6 х 6 дюймов. Индуктивность катушек 7,4 мкГн, добротность равна 720 на частоте 7 МГц.

  У катушки, показанной на Fig . 1, добротность Q = 720 при (всего-то) 17 витках провода #10, намотанной на каркасе диаметром 2,375 дюйма (1 дюйм = 25, 4 мм), такую катушку намотать, несоизмеримо, легче, чем катушку спирального резонатора той же добротности. Не рекомендую мотать бескаркасные катушки, какую-то поддержку витки катушки, всё же, должны иметь. (В QST недавно была статья на тему, как изготовить такую катушку в домашних условиях [ 1 ] - примечание редактора ). Посудите сами, механическая нестабильность катушки, вызвавшая всего 1% изменение индуктивности, приведёт к сдвигу настройки резонатора на 0, 5 %, что на частоте 7035 кГц составит 35 кГц. Почему в качестве каркаса применяется полихлорвиниловая труба? Я рассчитывал на то, что фильтр, при такой конструкции катушек будет хорошо работать в жёстких условиях испытания, и он оправдал мои надежды. Конечно же,  для каркаса можно подобрать и другой стабильный материал. Подойдёт большинство диэлектриков, зарекомендовавших себя в этом плане положительно. Добротность катушки при их применении останется на довольно высоком уровне. По всем стандартам добротность катушки получилась высокой, достижимые добротности на торроидальных каркасах обычно бывают не выше 300.

                                                                  Таблица 1.

Данные по спиральным фильтрам на 7 МГц

Изготовление катушки на ферритовом сердечнике с малым полем рассеяния и большой добротностью и стабильностью для 7 МГц не увенчалось успехом. Материал, применённый мной для каркаса дешев и может быть приобретён в соответствующих магазинах, однако, следует его, всё-таки, проверить перед окончательной установкой в фильтр. (Существует “низкочастотный” и ”высокочастотный” стеклотекстолит. Каркас может быть изготовлен из стеклотекстолитовой трубы. На наличие потерь можно проверить его, поместив, например, отрезки труб в “микроволновку” минут на пять, чем сильнее нагревается материал, тем он хуже, как ВЧ диэлектрик - UA 9 LAQ ).

  Другими материалами для каркасов могут служить тефлон (фторопласт), полистирен (полистирол), стирофом (теплоизолирующий пенопласт). Применение тефлона (фторопласта) – “накладно”, особенно, при тех размерах, которые имеют катушки данного фильтра. Тефлон больше подходит на частотах 222 МГц и выше, где полуволновый штырь, вполне, заменяет катушку спирального резонатора и имеет нагруженную добротность Q = 222. Robert Johnes , W 3 JIP использовал для изготовления каркасов полистирол [ 2 ]. Стирофом (пенопласт), если к нему подойти “текнически” может “сослужить добрую службу” и обеспечить Вас дешёвым изоляционным материалом для изготовления каркасов катушек, прочность которых будет базироваться “на совести” конструктора. Чтобы поддерживать витки в их фиксированном положении  я применил ленту из радиочастотного полистирола шириной в полдюйма – вполне достаточно, чтобы и держать витки и не ухудшать добротность катушки, несмотря на то, что полистирол обладает малыми потерями на РЧ. Впрочем, такую ленту довольно сложно найти, тем более, не нужно быть расточительным. Кое-кто мочит полистирол в растворителях, чтобы вытянуть из него свои, самодельные, державки и затем приклеить их поверх витков катушек к самодельным или подобранным по размерам каркасам заводского изготовления. (Можно просто взять и растворить полистирол, наверное, в дихлорэтане – осторожно: ядовитая летучая жидкость, с ней следует работать на открытом воздухе, находясь со стороны, с которой ветер дует. Использовать раствор как клей, “примазывая” витки катушки к каркасу – UA 9 LAQ ). При использовании агрессивных растворов будьте осторожны, так как они проедают дырки в полистироловых и пенопластовых каркасах.

  Чтобы разработать конфигурацию фильтра, я использовал ARRL Radio Designer и принципы, положенные в основу прекрасной статьи Wes ’ a Hayward ’ a о полосовых фильтрах [ 3 ]. Камнем преткновения при инженерных разработках обычно является выбор полосы пропускания. При сужении полосы пропускания, вносимые фильтром потери, возрастают. Если потери слишком большие, снижается чувствительность приёмного устройства. К счастью для разработчиков, современные приёмники 40-метрового диапазона обладают достаточной чувствительностью и имеют низкий уровень собственных шумов, так что, допускают (в некоторых пределах) увеличение вносимых фильтрами потерь без существенного ухудшения реальной чувствительности. Наконец, можно оценить чувствительность приёмника, ограниченную шумами (фоном) без фильтра, затем, оценить потери в фильтре и принять взвешенное решение.

Fig . 2. А – показан фильтр в сборе. В - вид внутри корпуса фильтра (вид сверху)

 Зависимость между мощностью шумов, полосой пропускания и температурой выражается уравнением:

Pn = k x B x T = k x B x (Tbackground + Trx) ,

где Pn – мощность шумов

    k   - постоянная Больцмана

    B - полоса пропускания, Гц

    Т  - температура, в градусах шкалы Кельвина 

 Зная шумы приёмника и, получив измеренный уровень общего шума плюс фон, можно высчитать уровень фона. Примем оптимистичное значение шумового порога равным  -120 дБм при полосе в 500 Гц при MDS = - 135 дБм. Это даст 1,35 х 10^5 К°. Пообщавшись немного с формулами, можно прийти к заключению, что при потерях в полосовом фильтре в 6 дБ, наступает ухудшение в отношении сигнал-шум только на 0, 5 дБ. Это, конечно же, не идеал, но – разумный компромисс.

  В узкополосных фильтрах обычно очень трудно обеспечить точную слабую степень связи. “Просто и сердито” это можно осуществить, прорезав окно в экране, разделяющем два звена фильтра друг от друга. Настройка размеров окна (лучше задвижкой-заслонкой, позволяющей закрывать часть площади окна- UA 9 LAQ ) может занять некоторую часть времени и осуществляется только на практике, так как расчёт связи между резонаторами фильтра, как правило, сложен и находится за пределами возможностей большинства дерзающих. Я решил для фильтра использовать Т-образную схему, предложенную Wes ’ом Hayward ’ом и опубликованную в монографии " Solid State Design ", тем более, что работает она отлично и при малых емкостях связи (менее 1 пФ).  Конденсатор переменной ёмкости позволяет не только точно устанавливать коэффициент связи резонаторов фильтра, но и позволяет заземлить ротор  КПЕ. Это упрощает механические операции с фильтром, Вы можете настраивать фильтр, не снимая с него экранов. Подстроечные конденсаторы следует выбирать с малыми потерями, механически стабильные, способные противостоять различным температурным воздействиям, следует припаивать их к довольно массивным деталям фильтра без механических напряжений. Не рекомендую, по механическим причинам, применять в фильтре подстроечные конденсаторы типа “пистон”, хотя они и обеспечивают сохранение высокой добротности. Такие конденсаторы обычно выполняются способом спайки частей в одно целое и распадаются на составляющие, при пайке их к массивным проводам и конструкциям. Я использовал в фильтре подстроечные  конденсаторы с воздушным диэлектриком типа Johnson 194, конструкция которых более прочна. Их добротность не слишком большая, но допустимая, примерно 1500 на частоте 1 МГц. Несомненно, имеются потери в скользящем контакте подстроечных конденсаторов. Несмотря на достаточный прижим поверхностей, при настроечных операциях в месте контакта появляется  металлическая пыль, ухудшающая контакт. Большая часть ёмкости обеспечивается керамическими чип-конденсаторами, имеющими большую добротность,  поэтому и подстроечники не должны  ухудшать ситуацию, к их подбору следует  отнестись с повышенным вниманием.

  Конденсаторы с малыми потерями следует применять и в согласующих устройствах передающих рамочных антенн – тема животрепещущая, поэтому конструкторам следует уделять больше внимания повышению качества конденсаторов. Популярным решением вопроса является применение конденсаторов с подвижным статором, исключающим применение “трущихся контактов”. “Затратное” решение вопроса - применение вакуумных КПЕ. Серьёзные экспериментаторы всегда следят за появлением в продаже двух последних из упомянутых выше типов КПЕ и не пропустят возможности заиметь их. Хорошо зная, что Вам, действительно, нужно, быстрее найдёте необходимое.

  Самыми дорогостоящими частями фильтра являются не катушки, не конденсаторы, не соединители, а экранирующие стенки. Да, для того, чтобы фильтр хорошо и правильно работал, необходимо иметь хорошие экраны. Для обеспечения слабой связи между резонаторами ставят экраны. Ещё важнее защитить фильтр от окружения (и для защиты от внешних излучений – UA 9 LAQ ). Катушка индуктивности без сердечника легко расстраивается с помощью окружающих предметов. Перемещаются предметы - меняется настройка катушки (при том, чем выше добротность катушки, тем больше расстройка – UA 9 LAQ ). Имеется также зависимость между размерами экранов и обеспечению добротности  экранируемых  катушек. Чем меньше размеры экрана, тем сильнее экранирующая поверхность взаимодействует с экранируемой катушкой, уменьшая её индуктивность и, снижая её добротность (следует отметить, что все нестабильности (механические и электрические) экранирующей поверхности влияют на стабильность настройки экранируемого контура, в тем большей степени, чем меньше размер экрана, поэтому требования к материалу экрана (достаточная толщина, хорошая электропроводность, стабильность контактов) должны быть высокими - UA 9 LAQ ). Очистка алюминиевых экранов и улучшение контактов в экранах снижают затухание в фильтре с 6,5 дБ до 6,0 дБ, т. е., на 0,5 дБ при сохранении прежней полосы пропускания. Очевидно, что экраны следует изготавливать из материалов с хорошей электрической проводимостью: алюминия, меди (неплохо было бы, последние, посеребрить – UA 9 LAQ ). Полированную латунь в качестве экрана можно применять, а вот стальные экраны уже увеличивают потери в экранируемых контурах существенно. Поскольку применять экраны  большого диаметра из меди или латуни вокруг каждой катушки - дороговато, применены экраны из алюминия, загнутые по размеру всей конструкции. Также можно применять уголки для крепления алюминиевых панелей под прямым углом. Аккуратное изгибание алюминия подвластно не всякому, здесь, как и везде, на всё – воля Божья и личная сноровка, тут, как повезёт… После сгибания алюминия, мне пришлось обработать напильником углы для лучшего прилегания поверхностей панелей к загнутым частям. Другим способом обеспечения экранировки может быть соединение в единое целое алюминиевых коробок размерами 6 х 6 х 6 дюймов, наприме p , таких как Bad AU -1039 (см. Fig . 2). Не похоже на то, чтобы стальные коробки работали здесь хорошо. В любом случае, потери будут больше, из-за меньшей проводимости стали и её большей проницаемости.

  Необходимость экранировки, конечно же, усложняет разработку фильтра, так как затрудняет доступ к деталям внутри. Поэтому есть соблазн “срезать мешающие углы” в процессе разработки. Несмотря  на это, поскольку работа фильтра в большей степени зависит от тщательности и эффективности экранировки, то немного найдётся мест, где можно было бы эти “углы срезать”. Я не буду удивлён, если узнаю, что все проблемы с фильтром возникли у Вас, именно, из-за желания “срубить углы”(выражение “срезать (срубить) углы” в статье означает “избавиться от необходимой, но назойливой работы” – UA 9 LAQ ), тогда когда фильтр мог бы работать прекрасно, будь настройщик так терпелив, при установке всех экранов и тщательной настройке (возни - много, но результат заслуживает того – UA 9 LAQ ). Для скрепления панелей я использовал “бонки” - вживляемые в металл гайки. Обычная методика крепления вытяжкой металла и последующим применением саморезов обеспечивает слишком нежное соединение, пригодное для однократной сборки. Так как, при настройке, приходится многократно открывать и закрывать фильтр, откручивать и закручивать до 70 винтов, применённая технология оправдывает себя полностью, а фигурные гайки из нержавеющей стали могут быть приобретены в Small Parts . Это может быть сделано и после того, когда от “нарезанной”  резьбы в отверстиях останутся лишь воспоминания. Алюминиевые “бонки” решили  бы проблему гальванической совместимости металлов, но я не нашел источника, где бы их можно было приобрести.

  Чтобы приспособить чип-конденсаторы, я использовал отрезки тонкой медной шинки. Идея заключается в том, чтобы снять механические напряжения с корпусов конденсаторов (подпружинить выводы). Это сработало и тогда, когда я вытаскивал внутренности фильтра для покраски корпуса – ни один конденсатор не сломался.

                                                                   Таблица 2.

                          Данные температурного теста

  Серебряно-слюдяные конденсаторы имеют меньшую добротность, чем чип-конденсаторы, поэтому я и использовал последние. К счастью, переходные конденсаторы  не требуют большой добротности, так как по ним не гуляют большие токи, как в контурных параллельных. Кому по душе конденсаторы с большой добротностью, приобретает пусть чип-конденсаторы с серебренными тонкими ленточными выводами. Такие конденсаторы редки, но у Surplus Sales of Nebraska имеется целый их набор.

При изготовлении катушек придётся потрудиться. Простого плотного накручивания проволоки на каркас здесь недостаточно - провод обязательно сползёт и будет висеть над поверхностью каркаса. Чтобы обеспечить плотное прилегание провода, необходимо сначала намотать его на оправке меньшего диаметра и, после, перенести его на реальный каркас. Я предварительно наматывал провод на 2-дюймовой алюминиевой трубе. Окончательный диаметр катушки был равен 2, 375 дюйма, на который я натянул, снятую с алюминиевой оправки обмотку. Теперь провод лежит на каркасе прочно, даже без крепления (приклеивания). Используемая для каркаса катушки труба известна под торговой маркой как 2-дюймовая Schedule 40 PVC .

  Важным параметром изготовленной катушки является её температурная стабильность – при всех температурных изменениях катушка должна обеспечивать необходимый пропускаемый диапазон частот фильтра. В Таблице 2 показана  температурная зависимость частоты настройки катушки, которая препятствует изготовлению ещё более узкополосных фильтров. Поскольку каждое измерение занимает примерно час, то это - тест на “угробление времени”. Поскольку экран защищает фильтр и от тепла и от холода, то температурные изменения проникают внутрь фильтра достаточно медленно. В таблице приведены значения, которые могут быть приняты за “худший случай”, т. к., обычно перепад температур таким резким не бывает (особенно, внутри помещения). Температурные изменения, приведённые в таблице неприемлемы для большинства фильтров, имеющих полосу пропускания в 3 кГц, что же говорить о более узкополосных, однако, для 300 кГц фильтров такие изменения вполне допустимы. Допустимы они и для нашего фильтра, поэтому я не применял термообработку катушки (отжиг, с последующим охлаждением для снятия механических напряжений – процесс применяется при изготовлении высокостабильных катушек индуктивности - UA 9 LAQ ). Катушки часто термокомпенсируют, применяя конденсаторы с подбираемой величиной отрицательного температурного коэффициента ёмкости (ТКЕ), обратной и равной величине положительного температурного коэффициента индуктивности (ТКИ). Эти конденсаторы могут иметь малую добротность, так как специальная температурная зависимость у них обеспечивается за счёт применения диэлектрика, обладающего большими потерями.

Свободный перевод с английского:            Виктор Беседин ( UA 9 LAQ )   ua 9laq @mail .ru

P . S . Советую посетить интересный сайт YL 2 DX и прочитать статью "Оптимизированные катушки индуктивности" http://www.dx.ardi.lv/Ind_Coils.htm где рассматривается проблема изготовления катушек на диэлектрическом каркасе с максимально достижимой добротностью на основные радиолюбительские диапазоны.     В. Беседин, UA 9 LAQ

т. Тюмень    февраль, 2003 г