Об изготовлении полосно-пропускающих фильтров

26 октября 2020

Рано или поздно возникает потребность в полосно-пропускающем фильтре, имеющем полосу в пару сотен килогерц. Такой фильтр можно сделать, используя подходы, изученные нами ранее. Но выясняется, что фильтр, рассчитанный «в лоб» в каком-нибудь Elsie или Qucs, и имеющий идеальную АЧХ в LTspice, на практике имеет вносимые потери 10+ дБ. Это наводит на подозрения, что подобные фильтры делают как-то иначе.

Практичный метод расчета полосовых фильтров описан в статье 1957-го года Direct-Coupled-Resonator Filters за авторством Seymour Cohn. Существует несколько онлайн-калькуляторов, написанных на основе статьи: первый, второй, третий, четвертый. Открытых и/или бесплатных десктоп-приложений, реализующих этот метод, мне неизвестно. Из закрытых и платных можно привести в пример Keysight Genesys. Больше всего мне понравились калькуляторы на leleivre.com по первым двум ссылкам, поэтому их я и использовал.

Дополнение: В комментариях Kirill Kotyagin подсказал бесплатную программу RF Filter Designer от Iowa Hills Software. Программа написана под Windows, а также может быть запущена под MacOS в CrossOver. Под Linux не проверял, но наверняка заработает в Wine.

В качестве эксперимента было решено сделать пару фильтров на частоту 7 МГц, с полосой 500 кГц и рябью в полосе пропускания 0.5 дБ. Полосу по возможности стоит делать пошире. Чем уже полоса, тем выше вносимые потери. Чем больше рябь, тем более резок спад АЧХ вне полосы пропускания. После подгона номиналов под ближайшие стандартные значения получилось следующее:

Схемы полосно-пропускающих фильтров

Соответствующие АЧХ:

АЧХ полосно-пропускающих фильтров, предсказанных LTspice

Все катушки одинаковые, по 1.14 мкГн. Мотать их было решено на ферритовых кольцах T50-6. Шестая смесь дает максимальную добротность на частотах от 3 до 40 МГц. Кольцо имеет фактор индуктивности AL = 4 ± 5%. Отсюда для получения 1.14 мкГн нужно:

>>> from math import sqrt
>>> Al = 4
>>> L = 1.14
>>> sqrt(1000*L/Al)
16.881943016134134

… около 17 витков. Для имеющихся у меня колец 17 витков оказалось многовато, выходит ~1.25 мкГн. Это существенно сдвигает полосу фильтров вниз по частоте. В итоге было использовано 16 витков. Индуктивность катушки можно слегка подстроить, сдвигая и раздвигая витки на кольце.

Фильтры получились такими:

Самодельные полосовые фильтры

АЧХ, измеренные при помощи анализатора спектра:

Измеренные АЧХ полосно-пропускающих фильтров

Фильтр с двумя катушками имеет вносимые потери 1.5 дБ. Полоса пропускания по уровню -3 дБ приходится на частоты с 6.080 МГц по 7.710 МГц. Второй фильтр имеет вносимые потери 1.1 дБ. Его полоса — c 6.214 МГц по 7.254 МГц. Здесь полоса измеряется относительно пика АЧХ, а не 0 дБ, поэтому она шире расчетной. Вносимые потери порядка 1.5 дБ для таких фильтров считается неплохим результатом. В зависимости от выбранной полосы, погрешности компонентов и добротности катушек, можно ожидать потери до 3 дБ. Если получены большие потери, то с фильтром что-то не так.

Полосно-пропускающие фильтры полезны в приемниках, когда нужно подчистить сигнал генератора, выделить одну из гармоник сигнала, и т.д. На выходе передатчиков их тоже используют, но реже. Вносимые потери даже в 1 дБ — это 20% потери мощности. Поэтому в передатчиках предпочтительнее использовать фильтры нижних частот, у которых почти нет потерь в полосе пропускания.

Метки: .