Кварцевые полосовые фильтры, часть 2

1 февраля 2021

Кварцевые полосовые фильтры, изготовленные нами в прошлый раз, проявили себя не лучшим образом в супергетеродинном приемнике. Суть проблемы, напомню, заключалось в недостаточно крутой АЧХ фильтров. Для приемника это не является такой уж большой проблемой. Но если вы планируете доработать приемник до SSB-трансивера, то кварцевые фильтры однозначно подлежат замене. Спрашивается, существует ли сравнительно простой способ сделать фильтры с более крутой АЧХ?

Статья 9 MHz Filters Built With Inexpensive Crystals [PDF] за авторством известного радиолюбителя-конструктора Wes Hayward, W7ZOI, утверждает, что такой способ есть. В статье предлагается зафиксировать выбор ПЧ на 9 МГц. Если мы согласны на это ограничение, то получаем несколько предварительно рассчитанных и протестированных схем фильтров для телеграфа и SSB.

Было решено приобрести 25 кварцев на 9 МГц и опробовать несколько схем из статьи. Использовались кварцы в корпусе HC-49U под брендом «STRONG». В знакомых онлайн-магазинах были только такие кварцы на 9 МГц.

Кварцы были измерены и сгруппированы по Fo. Получилось две группы из 6-и похожих кварцев в каждой, и еще одна группа из 5-и кварцев. В самый раз, чтобы опробовать фильтр, называемый в статье «CW5» (фильтр из 5-и кварцев для CW) и два варианта «SSB6», с полосой 2000 Гц и 2500 Гц.

Усредненные параметры кварцев получились следующими:

C0 = 4 pF
Lm = 16.747 mH
Cm = 18.686 fF
Rm = 9.5 Ohm
Q = 99_650

Эти значения были использованы в LTspice для предварительной проверки схем. Симулятор сообщил, что предложенные схемы должны работать. Добротность меньше 100 000 говорит о том, что кварцы так себе. Но других не имелось, поэтому эксперимент был продолжен.

Фильтр «SSB6» с полосой 2500 Гц вышел таким:

Кварцевый полосовой фильтр SSB6 по схеме W7ZOI

Вот его схема:

Схема кварцевого полосового фильтра SSB6 с полосой 2500 Гц

Перед нами фильтр Чебышева с рябью в полосе пропускания 0.25 дБ. Он имеет входной и выходной импеданс около 200 Ом. Для согласования с 50 Ом использованы трансформаторы 1:4 на ферритовых кольцах FT37-43. Трансформаторы мотаются бифилярной обмоткой в 10 витков, а затем соединяются, как показано на схеме. Все конденсаторы NP0, емкость в пФ.

Фильтр с полосой 2000 Гц — такой же с точностью до номиналов конденсаторов:

Схема кварцевого полосового фильтра SSB6 с полосой 2000 Гц

Фильтры получились с первого раза:

АЧХ кварцевых полосовых фильтров SSB6 по схеме W7ZOI

У обоих фильтров АЧХ намного круче, чем у фильтра из трех кварцев, сделанного в прошлый раз. По уровню -40 дБ старый фильтр имел полосу 12 кГц, и к уровню -60 дБ шел крайне неспешно. Новый фильтр имеет полосу 4.4 кГц по уровню -40 дБ и 4.6 кГц по уровню -60 дБ. Это цифры для версии с полосой 2500 Гц.

Вносимые потери составили около 5 дБ. Многовато, но ожидаемо, учитывая добротность кварцев и их количество в фильтрах. Оба фильтра имеют в полосе пропускания КСВ 1.1-2.0, что говорит о хорошем согласовании импеданса. КСВ измерялся, как ранее было описано в статье Самодельный КСВ-мост и примеры его использования.

А вот фильтр «CW5» не получился. Точнее, он как бы заработал, но с вносимыми потерями аж 18 дБ. Были проверены как трансформаторы, так и номиналы всех конденсаторов. Были предприняты попытки поменять порядок кварцевых резонаторов и даже заменять их. Ошибок в схеме обнаружено не было и существенных улучшений добиться не удалось.

Тогда было решено переделать фильтр в более простой, «CW3»:

Кварцевый полосовой фильтр CW3 по схеме W7ZOI

Схема фильтра:

Схема кварцевого полосового фильтра CW3

Это фильтр Баттерворта с заявленной полосой 330 Гц. Фильтр имеет входной и выходной импеданс около 50 Ом, поэтому трансформаторы не используются. Фильтр заработал не сразу. Пришлось подобрать правильные кварцы и правильный их порядок, чтобы получить оптимальную форму АЧХ:

АЧХ кварцевого полосового фильтра CW3 по схеме W7ZOI

Крутизна АЧХ этого фильтра такая же, как у старого фильтра на ПЧ 12 МГц. Оба фильтра имеют полосу 2.3 кГц по уровню -40 дБ.

Вносимые потери оказались 9 дБ. Много, но с этим можно работать. Измеренный КСВ в полосе пропускания составил ≥ 1.7. Тоже не предел мечтаний. Но если добавить в фильтр пару трансформаторов, то потери на них наверняка превысят потери из-за плохого согласования. Поэтому фильтр было решено оставить, как есть.

SSB-фильтры тестировались в супергетеродинном приемнике, ПЧ которого была изменена с 12 МГц на 9 МГц. На слух заметны существенные улучшения по сравнению с предыдущими фильтрами. На более низкой ПЧ проще добиться высокого усиления и меньше проявляются различные паразитные эффекты. Это тоже следует учитывать.

В целом, фильтры из статьи удалось повторить и работают они нормально. Главное — это где-то найти добротные кварцы на 9 МГц.

Дополнение: Кварцевые полосовые фильтры, часть 3

Метки: , , .