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