Простой TV ФНЧ для КВ передатчика

Постановка задачи

В кабельном тракте между РА и согласованными антеннами (или входом антенного тюнера) желательно применение фильтра нижних частот (ФНЧ), глубоко подавляющего гармоники и паразитное излучение на УКВ.

Таких фильтров радиолюбителями описано немало. В том числе и на этом сайте.

Зачем еще один? Затем, что мир меняется, и возникают новые проблемы и задачи. В данном случае речь идет о двух:

  1. Фильтр обычно требует конденсаторы нескольких разных номиналов. Что проблемно. Особенно если речь идет о конденсаторах с большой реактивной мощностью: набора нескольких нужных номиналов часто нет в наличии даже на приличных складах.

  2. Широко распространились бытовые УКВ радиоканалы. Tеперь это не только телевидение и FM радиовещание, но и множество беспроводных датчиков и сигнализаций около 433 MHz, CDMA телефоны и устройства 450 ... 470 MHz и.т.п. Даже единицы микровольт могут помешать простому УКВ приемнику (а в дешевых радиоканалах, типа беспроводных датчиков, сложных и не ставят). Поэтому сегодня от ФНЧ КВ передатчика требуется очень высокое подавление частот в сотни мегагерц.

    А ФНЧ на дискретных конденсаторах с выводами этого сделать не могут из-за индуктивности выводов, ограничивающей подавление на СВЧ.

    Не могут этого и (в остальном очень хорошие) простые эллиптические фильтры. Из-за параллельных катушкам конденсаторов (они нужны для высокой крутизны среза АЧХ), подавление таких фильтров не растет с частотой при больших расстройках. Для СВЧ такие фильтры эквивалентны емкостным делителям. Поэтому, чтобы достичь высокого подавления на УКВ приходится усложнять фильтр, увеличивая его порядок. А это лишние потери в полосе и несколько лишних конденсаторов разных номиналов.

Схема и характеристики

Ниже описан ФНЧ в котором используется только один (!) номинал конденсаторов 68 pF, что существенно упрощает комплектацию. Его схема показана на рис. 1.


Рис. 1.

Для обеспечения хорошей крутизны среза АЧХ использовано одно эллиптическое звено. А для нарастающего с частотой затухания на СВЧ по краям фильтра применены два обычных П-образных звена.

Расчетная АЧХ показана на рис. 2. Очень малое затухание в полосе (меньше 0,14 дБ на верхнем краю) и более 40 дБ подавления выше 50 MHz. С плавно нарастающим выше 70 MHz затуханием.


Рис. 2.

Но критерием истины остается практика. На рис. 3 показана измеренная в полосе 2 ... 250 MHz АЧХ такого фильтра (о конструкции ниже, измеряемый фильтр показан на рис.5). Видно очень хорошее совпадение с результатами расчета (правильно рассчитанный и изготовленный фильтр всегда совпадает с расчетом). Единственное заметное отличие: на 250 MHz затухание несколько ниже, тут сказалась паразитная связь между катушками фильтра (они не экранированы друг от друга).


Рис. 3.

Для фильтра на выходе передатчика, кроме хорошей АЧХ важен низкий КСВ в полосе (чтобы не вносить заметного рассогласования в антенно-фидерный тракт). На рис. 4 показан измеренный график КСВ фильтра в в полосе 2 ... 33 MHz.


Рис. 4.

Максимальное значение КСВ не превышает 1,15. Это означает, что фильтр практически не оказывает сколь-нибудь заметного влияния в согласованном 50-ти омном КВ тракте.

Конденсаторы

При киловатте проходящей мощности ВЧ ток в параллельных конденсаторах достигает 4 А, напряжение на них 320 В. С учетом возможного повышения КСВ в тракте эти значения следует увеличить в корень из максимального КСВ раз. Например, если КСВ нагрузки может достигать 4, то конденсаторы следует рассчитывать на 640 В при токе до 8 А.

Кроме того, для хорошего подавления СВЧ конденсаторы должны быть безвыводными (SMD).

Подходящие под наши требования конденсаторы выпускают фирмы Vishay Vitramon и Johanson Technology. Конденсаторы 68 pF и той (стр. 11), и другой (стр. 17) фирмы допускают токи более 10 А на частоте 30 MHz и напряжение киловольт (Johanson Technology) или полтора (Vishay Vitramon), т.е. устраивают нас с большим запасом. И при этом недороги. На момент написания этой статьи (2017 г): около 1,2 EUR Vishay Vitramon и 1,8 EUR Johanson Technology.

Это может показаться дороговато для маленьких SMD конденсаторов. Но такое впечатление быстро рассеивается, если пересчитать параметры конденсаторов на реактивную мощность: на частоте 30 МГц они выдерживают 8 кВАр! Для такой большой реактивной мощности 1,2 ... 1,8 EUR очень дешево.

Катушки

При киловатте проходящей мощности ВЧ ток катушках достигает 6 А. Исходя из этого выбирается провод.

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 3... 5% 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 на плату катушку, например из 5,5 витков?). По этим данным рассчитывается требуемый диаметр катушки.

У меня с катушками получилось следующее (не строгое указание для точного повторения, а лишь один из возможных вариантов): обычный электрический медный провод сечением 2,5 мм2, очищенный от изоляции, катушки бескаркасные, намотка на оправке диаметром 13,5 мм, зазор между витками равен диаметру повода. L1 и L3 содержат по 6 витков, L2 - 5 витков.

Чтобы не заниматься настройкой собранного фильтра, катушки лучше перед установкой измерить и растягивая - сжимая установить требуемую индуктивность (с учетом шины земли и экрана, измеряя катушку примерно в том окружении, в котором она будет находиться). Катушки после пайки лучше целиком покрыть спиртоканифольным флюсом или лаком для предотвращения окисления.

Конструкция

Фильтр собран на куске фольгированного стеклотекстолита. Дорожки для установки катушек и конденсаторов пропилены резаком. Вся остальная фольга использована как земля.

При разводке дорожек имейте в виду, что катушки из толстого провода и SMD конденсаторы плохо уживаются рядом друг с другом. Во-первых, SMD конденсаторы не терпят перегрева, а для пайки толстой меди катушек греть придется сильно. Во-вторых, у SMD конденсаторов при механической деформации дорожки и платы может оторваться металлизация. А механическая деформация дорожки обязательно будет, если подстраивать уже припаянные катушки на плате растяжением-сжатием.

Поэтому вырезайте дорожки так, чтобы между точками пайки катушек и конденсаторов было бы не менее 5...6 мм дорожки. И сначала припаивайте катушки (все взаимно перпендикулярны, по трем осям). Если есть возможность, хорошо бы измерить индуктивность припаянных катушек (с учетом влияния фольги платы) и подогнать её до расчетного значения. В последнюю очередь паяются конденсаторы.

Это будет выглядеть примерно как на следующем фото (показана плата в процессе измерения, верхняя частота прибора на этом снимке 100 MHz).


Рис. 5.

Остальная конструкция зависит от применения фильтра. Если он встраивается (например, в усилитель мощности или на вход отдельного тюнера), то полученная плата без дополнительных экранов просто припаивается в тракт короткими отрезками коаксиального кабеля. Но при этом подавление в полосе 300...1000 MHz из-за просачивания сигнала мимо фильтра может уменьшаться местами до 50 дБ.

Если ФНЧ используется отдельно, то он наглухо запаивается в экранированную коробку (латунь или фольгированный стеклотекстолит) с разъемами. Внутренняя поверхность коробки должна быть зачищена от окислов и покрыта лаком или спиртоканифольным флюсом. На коаксиальных кабелях входа и выхода около коробки фильтра обязаны быть ферритовые защелки. Нам не надо, чтобы токи асимметрии обтекали фильтр снаружи.

В таком варианте подавление от 300 до 1000 MHz составляет не менее 80 дБ.

Настройка

Очень бы не советовал её делать на собранном фильтре. При измеренных и установленных (до припайки конденсаторов) на правильную индуктивность катушках улучшить что-то настройкой весьма проблематично. А вот ухудшить (прежде всего, оторвать металлизацию SMD конденсаторов) легко.

Но проверить АЧХ и КСВ полезно. Если они заметно отличаются от приведенных на рис. 3 и 4, то ищите ошибку в монтаже и/или плохую пайку: правильно изготовленный фильтр обязан хорошо совпадать с расчетом.

Результаты

Фильтр с описанной выше конструкцией, конденсаторами Vishay Vitramon 68 pF / 1,5 kV и коробке высотой 45 мм испытывался подачей длительной (~ полчаса) проходящей средней мощности 1 кВт на частот 29,5 MHz. Корпус фильтра при этом нагрелся до ~ 33 ... 34 гр (контроль ИК термометром). При этом нагрев был частично внешним: на радиаторе расположенного недалеко 50-ти омного эквивалента антенны во все стороны дул теплым воздухом вентилятор.

Измеренные АЧХ и КСВ фильтра показаны выше, на рис. 3 и 4.

 

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.



Beer-Sheva, 31.03.2017

На главную - Main page