Учимся делать кварцевые полосовые фильтры

21 декабря 2020

Ключевым компонентом любого супергетеродинного приемника является фильтр промежуточной частоты. Это фильтр с полосой пропускания всего лишь 2000-3000 Гц (для SSB) или даже 50-500 Гц (для телеграфа), малыми вносимыми потерями и очень крутой АЧХ. Сделать такой фильтр, используя конденсаторы и катушки индуктивности, не представляется возможным, в основном из-за низкой добротности последних. Поэтому фильтры делают из кварцевых резонаторов.

При выборе промежуточной частоты (ПЧ) нужно учитывать ряд ограничений. Низкая частота плоха тем, что кварцевый фильтр будет иметь довольно высокий импеданс, который неудобно согласовывать с 50 Ом. Слишком высокой ПЧ делать тоже не стоит, поскольку с ростом частоты увеличивается влияние паразитных эффектов в цепи. По этим соображениям на КВ рекомендуется выбирать ПЧ от 6 до 12 МГц. Для нормального подавления зеркального канала ПЧ не должна находится близко к принимаемой частоте. Таким образом, 7 МГц и 10 МГц в общем случае не годятся. Популярным выбором являются 12 МГц, на которых мы и остановимся.

После того, как мы определились с ПЧ, возникает вопрос непосредственно о расчете фильтра. Практический и завоевавший популярность подход был описан Wes Hayward, W7ZOI в статье 1987-го года «Designing and Building Simple Crystal Filters». Статья вошла в книгу QRP Classics, которую можно бесплатно скачать на archive.org. Метод, предложенный W7ZOI, нам предстоит немного адаптировать под современные реалии. В оригинальной статье использованы кварцевые резонаторы на 3.579 МГц, поскольку их можно было легко и дешево купить. В наши дни без проблем доступны кварцы на любую частоту, и в силу озвученных причин в качестве ПЧ выгоднее выбрать 12 МГц.

Wes предлагает зафиксировать топологию фильтра на следующей:

Топология кварцевого фильтра

Кварцы подбираются как можно более похожими. В идеале, каждый кварц необходимо измерить, как ранее было описано в заметке Измеряем параметры кварцевых резонаторов. Как альтернативный вариант, допускается просто вставлять кварцы в один и тот же генератор (например, по схеме G3UUR) и группировать их по частоте. Кварцы в фильтре должны различаться не более, чем на 50 Гц. Кварцы бывают разные, но в среднем 20 штук должно хватить по крайней мере на пару фильтров.

Остается открытым вопрос о выборе конденсаторов. W7ZOI предлагает использовать С1-С4 одинаковой емкости. При этом можно наблюдать явную закономерность. Чем меньше емкость, тем больше импеданс фильтра, и тем шире его полоса. Конкретные значения будут зависеть от кварцев. Но это не беда. При помощи LTspice мы можем построить модель фильтра и определить зависимость его свойств от C1-C4.

Мной была использована модель с одинаковыми Y1-Y3. Для них Lm, Cm, Rm и C0 равны измеренным у одного из трех кварцев, что планируется применить в фильтре. Если использовать разные Y1-Y3, то модель выходит не особо полезной. В этом случае LTspice предсказывает кривую АЧХ, чего не будет в реальности.

Результаты моделирования:

C [пФ]   Внос.потери [дБ]   Импеданс [Ом]   Полоса [Гц]
   470               -4.9              45           300
   220               -2.4              85           700
   100               -1.2             170          1500
    68               -0.8             300          2000
    56               -0.7             320          2500
    47               -0.6             370          2900

Было решено сделать два фильтра — для SSB с конденсаторами 56 пФ и для CW с конденсаторами 470 пФ:

Самодельные кварцевые полосовые фильтры

В SSB-фильтре для согласования импеданса применены автотрансформаторы на кольцах FT37-43. Отношение числа витков должно быть sqrt(320/50) или примерно 10:4. Соответственно, в каждом трансформаторе было намотано 4 витка, сделан отвод, и затем еще 6 витков. Как альтернативный вариант, фильтр может быть согласован с помощью LC-схемы. Телеграфный фильтр и так хорошо согласован, поэтому в нем СУ не требуется.

В некоторых источниках рекомендуется припаивать корпуса кварцев к земле. Утверждается, что это снижает паразитную емкость и оттого улучшает свойства фильтра. Однако другие авторы (см книгу QRP Power) напротив, категорически не рекомендуют этого делать. По их наблюдениям, кварцевые резонаторы могут деградировать при чрезмерном нагреве. В своих фильтрах корпуса кварцев я не паял. Принято такое решение по соображениям, что так меньше работы, и кварцы легче отпаять в случае необходимости.

АЧХ и возвратные потери SSB-фильтра:

АЧХ и возвратные потери кварцевого SSB фильтра

Возвратные потери соответствуют КСВ 1.2-1.4. Это свидетельствует о том, что фильтр согласован нормально. Полоса по уровню -3 дБ составила 2500 Гц, как было предсказано моделью. Вносимые потери оказались 2.3 дБ, что выше расчетных. Разница объясняется потерями на двух трансформаторах, тем фактом, что согласование на самом деле не идеальное (есть отражение сигнала), а также применением чуть-чуть разных кварцев, а не идентичных, как в модели.

Важно! Этот фильтр очень узкополосный. Анализатор спектра ничего не покажет, если пытаться измерить его с широким Span и большим RBW. Поначалу я решил, что фильтр не работает.

АЧХ и возвратные потери телеграфного фильтра:

АЧХ и возвратные потери телеграфного кварцевого фильтра

В данном случае имеем практически полное соответствие модели. Вносимые потери 4.9 дБ, полоса 320 Гц, идеальное согласование.

АЧХ двух фильтров для сравнения:

АЧХ двух кварцевых полосовых фильтра

Интересно, а что будет, если не подбирать кварцы? Для ответа на этот вопрос я взял SSB фильтр и заменил в нем кварцы на случайные. Вносимые потери стали 2.7 дБ вместо 2.3 дБ, и АЧХ в полосе пропускания стала немного кривовата. То есть, случайный фильтр уступает подобранному, но не то, чтобы очень сильно. Однако имеющиеся у меня кварцы на 12 МГц очень похожи. В худшем случае частота двух кварцев отличается лишь на 300 Гц. Случайный фильтр может заработать, а может и нет, смотря что у вас за кварцы.

По аналогии можно сделать фильтр и с большим числом кварцевых резонаторов. Таким образом добиваются еще более крутой АЧХ. Типично применяют до 8 кварцев, хотя отдельные энтузиасты используют до 15 штук.

Напоследок хотел бы порекомендовать статью 9 MHz Filters Built With Inexpensive Crystals [PDF]. Она написана все тем же Wes Hayward, W7ZOI в октябре 2020 года и описывает CW- и SSB-фильтры, содержащие до 6-и кварцевых резонаторов на 9 МГц. Топология фильтров отличается от использованной выше. Описание еще двух методов изготовления кварцевых фильтров можно найти в 3-ей главе книги Experimental Methods in RF Design.

А доводилось ли вам делать кварцевые фильтры и если да, то как вы их рассчитывали?

Дополнение: В продолжение темы о кварцевых полосовых фильтрах см часть 2 и часть 3.

Метки: , , .