Записки программиста

Ранее в этом блоге мы изготавливали полосовые фильтры как на десятки, так и на сотни мегагерц. Но если требуется фильтр на 1+ ГГц, то изученные нами до сих пор методы не подходят. В таких случаях применяют фильтры на объемных резонаторах (cavity filters). Рассмотрим фильтр на 2.4 ГГц в качестве примера.

Конструкция фильтра следующая:

Здесь мы смотрим на фильтр в разрезе. В основе лежит медная заглушка для труб. Отсюда конструкция получила свое название — pipe-cap filter. В заглушке просверливается отверстие и припаивается латунная гайка. Латунный винт закручивается в гайку. Снизу заглушка закрывается медным листом. Лист также имеет отверстия, к которым крепятся разъемы SMA. К центральной части каждого разъема припаяно по проволочке.

Эквивалентная схема:

Проволочки образуют емкостную связь с винтом. Винт представляет собой индуктивность. Также винт вместе со стенками заглушки образуют емкость. То есть, в сущности, это простейший полосовой фильтр. Только он исполнен особым образом, так как приходится иметь дело с единицами нГн и пФ.

Насколько мне известно, точного алгоритма расчета подобных фильтров не существует. Радиолюбители делают их методом проб и ошибок. Для меня отправной точкой послужила статья QO-100 Experiments – 2400MHz Pipe-Cap Filter за авторством Steve, G4HSK.

Изготовленный фильтр в разобранном состоянии:

Я использовал заглушку для труб 28 мм. Заглушка имеет внешний диаметр 30 мм и высоту 21 мм. Гайки использованы M4, винт — M4x30. Медный лист имеет толщину 0.8 мм. Припаянные к разъемам SMA проволочки — посеребренные, диаметром 0.5 мм. Высота каждой проволочки от медного листа, с учетом проводника в разъеме SMA — 16 мм. Расстояние между ними — 18 мм.

Обычно заглушку припаивают к медному листу, однако я поступил иначе:

В OpenSCAD было спроектировано крепление под пару болтов M6, которое затем было распечатано на 3D-принтере пластиком PLA. Модель крепления и файлы STL можно скачать здесь. Чем это лучше пайки? Во-первых, фильтр получается разборным. С ним просто экспериментировать. Например, можно попробовать проволочки другой длины. Во-вторых, мы получаем лишние степени свободы при настройке фильтра. Разъемы SMA можно перемещать относительно винта M4.

Для измерения АЧХ я воспользовался ARINST VNA-PR1:

Вносимые потери составили всего лишь 0.6 dB благодаря тем самым лишним степеням свободы. Изначально было получено 1.5 dB. Полоса фильтра по уровню 3 dB составила 40 МГц. Как видно по маркеру M2, подавление гармоник невелико.

Это можно исправить, сделав два фильтра и соединив их последовательно:

Длина линии между фильтрами имеет большое значение. Она преобразует входное сопротивление второго фильтра. В результате первый фильтр может увидеть несогласованную нагрузку, что скажется на АЧХ. Оптимальным выбором, по всей видимости, является λ/2 повторитель. Приведенный выше график был получен со случайной линией длиной около 10 см и с неизвестным КУ. Само собой разумеется, ничто не мешает соединить три и более фильтров.

Также меня интересовала температурная и механическая стабильность фильтра. Он был охлажден при помощи баллона со сжатым воздухом, а потом нагрет при помощи паяльного фена. Затем я постучал по столу рядом с фильтром. Ничто из перечисленного не оказало влияния на АЧХ.

Информацию о pipe-cap filters на другие частоты можно почерпнуть из статьи Pipe-Cap Filters Revisited [PDF] за авторством Paul Wade, W1GHZ. Если же вас интересуют фильтры на объемных резонаторах в целом, могу порекомендовать видео один и видео два на YouTube-канале FesZ Electronics.

Метки: Электроника.