Продвинутые ФНЧ для КВ передатчиков

Фильтры гармоник для РА

В кабельном тракте между РА и КВ антенным полем желательно применение ФНЧ, глубоко подавляющих гармоники и паразитное излучение на УКВ

Если помехой поражены только пару ТВ каналов, то проще сделать соответствующий режекторный фильтр.

Но если помехам от гармоник подвержены разные частоты (например, ЧМ приемники, несколько ТВ каналов, УКВ радиолюбительские диапазоны и т.п.), то режектором не обойдешься. Будет нужен фильтр, подавляющий всю полосу УКВ.

Таких фильтров радиолюбителями описано немало. Лучшими (на мой взгляд) являются две конструкции: ФНЧ 7-го порядка с режекторными фильтрами на входе и выходе, описанные в справочнике С. Бунина и П. Яйленко и эллиптические ФНЧ фильтры 7-го и 9-го порядков, описанные Б. Доматковским.

Обе конструкции рассчитаны на подавление начиная с 48 МГц (1 ТВ канала) и выше. Для фильтров 7-го порядка (здесь и далее приводятся данные, соответствующие катушкам с добротностью 300 и конденсаторам с добротностью 750) подавление 48 МГц составляет 50 дБ, далее в полосе - свыше 65 дБ. Для 9-го порядка: 80 и 85 дБ соответственно. В общем, хорошие фильтры.

Но у них есть и недостатки.

Ниже описан набор эллиптических ФНЧ с порядками от 5-го до 11-го, в которых использованы только конденсаторы номинального ряда и проектирование проведено с минимальными величинами индуктивностей.

Последнее позволило получить рекордно низкие потери на 29 МГц: 0,1 дБ (КПД = 97,7%) у фильтра 5-го порядка, 0,2 дБ (КПД = 95,4%) у ФНЧ 7-го порядка и по 0,25 дБ (КПД = 94,4%) у 9-го и 11-го порядков.

Эллиптический ФНЧ 5 порядка

Схема показана на рис. 1.


Рис. 1.

АЧХ в полосе пропускания от 1 до 35 МГц – на рис. 2. Разница между синим (фильтр без потерь) и красным (фильтр из реальных деталей) графиком дает тепловые потери. Всего 0,1 дБ на 29 МГц.


Рис. 2.

АЧХ от 10 до 200 МГц для оценки подавления показана на рис.3. 40 дБ ослабления получается от 48 МГц и выше. Подавление не рекордное, но не забудем – в этом фильтре всего две катушки.


Рис. 3.

Коэффициент отражения (это то, что покажет КСВ-метр в положении "Отраженная"") в полосе 1- 35 МГц приведен на рис. 4. КСВ не превышает 1,2.


Рис. 4.

Модуль входного сопротивления (для оценки согласования РА) в полосе 1-35 МГц показан на рис. 5.


Рис. 5.

 

Эллиптический ФНЧ 7 порядка

Схема показана на рис. 6.


Рис. 6.

АЧХ в полосе пропускания от 1 до 35 МГц – на рис. 7. Разница между синим (фильтр без потерь) и красным (фильтр из реальных деталей) графиком дает тепловые потери. Меньше 0,2 дБ на 29 МГц.


Рис. 7.

АЧХ от 10 до 200 МГц для оценки подавления показана на рис.8. 60 дБ ослабления получается от 48 МГц и выше.


Рис. 8.

Коэффициент отражения (это то, что покажет КСВ-метр в положении "Отраженная"") в полосе 1- 35 МГц приведен на рис. 9. КСВ не превышает 1,15.


Рис. 9.

Модуль входного сопротивления (для оценки согласования РА) в полосе 1-35 МГц показан на рис. 10.


Рис. 10.

Эллиптический ФНЧ 9 порядка

Схема показана на рис. 11.


Рис. 11.

АЧХ в полосе пропускания от 1 до 35 МГц – на рис. 12. Разница между синим (фильтр без потерь) и красным (фильтр из реальных деталей) графиком дает тепловые потери. Меньше 0,25 дБ на 29 МГц. Чтобы получить столь низкие потери частоту среза фильтра пришлось отодвинуть на 34 МГц.


Рис. 12.

АЧХ от 10 до 200 МГц для оценки подавления показана на рис.13. 85 дБ ослабления получается от 48 МГц и выше.


Рис. 13.

Коэффициент отражения (это то, что покажет КСВ-метр в положении "Отраженная"") в полосе 1- 35 МГц приведен на рис. 14. КСВ не превышает 1,12.


Рис. 14.

Модуль входного сопротивления (для оценки согласования РА) в полосе 1-35 МГц показан на рис. 15.


Рис. 15.

 

Эллиптический ФНЧ 11 порядка

Схема показана на рис. 16.


Рис. 16.

АЧХ в полосе пропускания от 1 до 35 МГц – на рис. 17. Разница между синим (фильтр без потерь) и красным (фильтр из реальных деталей) графиком дает тепловые потери. 0,25 дБ на 29 МГц. Для получения столь низких потерь в фильтре столь высокого порядка частота среза поднята еще выше, до 36 МГц.


Рис. 17.

АЧХ от 10 до 200 МГц для оценки подавления показана на рис.18. 100 дБ (!) ослабления получается на 48 МГц и 105 дБ от 50 МГц и выше.


Рис. 18.

Коэффициент отражения (это то, что покажет КСВ-метр в положении "Отраженная"") в полосе 1- 35 МГц приведен на рис. 19. КСВ не превышает 1,1.


Рис. 19.

Модуль входного сопротивления (для оценки согласования РА) в полосе 1-35 МГц показан на рис. 20.


Рис. 20.

 

Конструкция

Отдельная и наглухо запаянная (зачем нам паразитные щелевые антенны на УКВ?) экранированная коробка (латунь, фольгированный стеклотекстолит) с разъемами. Внутренняя поверхность коробки должна быть защищена от окислов и покрыта лаком или спиртоканифольным флюсом (окисление увеличивает потери на УКВ).

На коаксиальных кабелях входа и выхода около коробки фильтра обязаны быть ферритовые защелки. Нам не надо, чтобы токи асимметрии обтекали фильтр снаружи.

Катушки из провода диаметром 1,5 ... 2,5 мм. Провод должен быть или в лаковой изоляции, или посеребренный (голый медный окислится и возрастут потери).

Сколько и на чем мотать? Ответ зависит от высоты корпуса фильтра. Диаметр катушки не должен быть больше 1/3 этой высоты, т.е. от края катушки до экрана должен оставаться зазор не меньше ее диаметра. При этом падение добротности катушки от влияния экрана будет небольшим.

Катушка рассчитывается, например, в окне Индуктивность MMANA-GAL. Задается индуктивность, на 10% больше расчетной (для компенсации влияния экрана), диаметр имеющегося провода, шаг (как правило, равный диаметру провода) и задается целое число витков, удобное для монтажа (не пробовали паять катушку из 3,5 витков?). По этим данным рассчитывается требуемый диаметр катушки. Подбирая число витков, добейтесь максимального диаметра, еще не превышающего 1/3 высоты корпуса. Звучит это сложновато, но делается быстро. Получившиеся различные диаметры катушек смущать не должны: в наборе сверл найдутся разумные размеры под ваши бескаркасные катушки (а если не найдутся, то несколько витков толстой бумаги на хвостовик сверла подгонят диаметр к любой цифре).

Размещать катушки следует так, чтобы соседние катушки были взаимно перпендикулярны.

Конденсаторы. Должны выдерживать реактивную мощность на 30 МГц исходя из следующей обратной пропорции: 100 пФ - равную входной мощности, 150 пф - в полтора раза больше входной, 50 пФ - в два раза меньше входной, и т. п. То есть, если на входе мощность 100... 200 Вт, то хватит конденсаторов КСО. А если мощности больше, то нужны либо К15-У1 (или аналогичные на которых указана допустимая реактивная мощность) или придется делать конденсаторы самостоятельно.

К последнему мы еще вернемся, а пока, если вы используете конденсаторы с выводами, обратите внимание на их минимальную длину. Проволочные выводы конденсаторов по несколько мм могут заметно снизить подавление фильтра выше 100 МГц.

Хорошая идея – использовать в качестве конденсаторов фильтра фрагменты платы двустороннего стеклотекстолита. Только к ней надо подготовится. Во-первых использовать именно стеклотекстолит (желательно FR-4, он нормируется по ВЧ потерям, причем они очень малы). Во-вторых, перед тем как начать рисовать размеры, надо измерить емкость (большинство простых тестеров это умеют) имеющего куска стеклотекстолита (именно вашего, конкретного куска, т.к. существует довольно большой разброс диэлектрической проницаемости стеклотекстолита не только у разных производителей, но и от партии к партии). И посчитать удельную емкость как отношение емкости всего куска стеклотекстолита к его площади.

В среднем, FR-4 толщиной 1,5 мм имеет около 2,7 пФ/см2, а толщиной 1 мм – около 4,1 пФ/см2. Но у вас могут получиться и другие цифры.

Исходя их них посчитайте требуемую площадь для каждого из конденсаторов. Конденсаторы, идущие на корпус, выполняются как описано тут: квадратные участки в верхнем слое нижней стороны корпуса. Параллельные катушкам конденсаторы делаются как отдельные полоски стеклотекстолита, запаянные перпендикулярно на основную плату. Не поленитесь проверить тестером емкость всех получившихся конструктивных конденсаторов и подкорректировать ее при необходимости (поэтому закладывайте площадь чуть больше расчетной - отрезать всегда проще). Отполируйте медь конденсаторов и покройте ее лаком или спирто-канифольным флюсом.

Настройка и результаты

При конденсаторах и катушках правильной величины настройка не требуется.

Но если вы сторонник перфекционизма, то, используя измеритель АЧХ или генератор и слегка растягивая-сжимая катушки, установите частоты провалов АЧХ в соответствии с указанными на схеме. На этот случай около каждого контура указана его частота (устанавливается соответствующей катушкой).

Фильтр 9-го порядка с катушками из 2 мм провода в лаковой изоляции и самодельными конденсаторами на FR-4 в стеклотекстолитовом корпусе высотой 40 мм испытывался на проходящей мощности 1,5 кВт. При длительной работе на КВ проблем (ни с нагревом фильтра, ни с помехами: антенны УКВ были размещены на той же мачте, что и КВ) не было.

 

В завершение: не забывайте, что гармоники передатчика – не единственная причина помех. И даже самый хороший фильтр по антенному кабелю будет бессилен, если помеха пролезает по питанию, корпусам, соединительным кабелям или сам сигнал основной частоты перегружает вход подверженного помехам устройства или детектируется в нём.



Bonn, 19.01.2013

На главную - Main page