Рассчитываем, моделируем и паяем диплексер

24 июня 2020

Диплексер — это пассивное устройство с тремя ВЧ портами: S, L и H (sum, low, high). Сигнал менее некой заранее определенной частоты, поданный на S, выходит из диплексера через порт L. Если же частота выше, сигнал будет направлен в порт H. В обратном направлении диплексер тоже работает — сигналы с L и H попадают на порт S. В рамках этой замети мы выясним, в каких задачах используется диплексер, а также спроектируем и спаяем его.

Введение

Рассмотрим типичное использование диплексера. Допустим, у вас есть мачта. На ней установлено две антенны, одна на КВ, и вторая на УКВ. Антенны можно запитать каждую своим кабелем. Но если мачта стоит далеко от шека, то кабель нужен с низкими потерями, и обойдется он недешево. Диплексер позволяет воспользоваться одним кабелем, а сигнал разделить в зависимости от частоты как можно ближе к антеннам. А используя второй диплексер «задом наперед», в шеке сигнал можно разделить и подать на КВ и УКВ трансивер.

Вот еще пример. Вы проводите QSO через радиолюбительские спутники. Соответственно, в руках у вас траверса, а на ней два волновых канала — один на 145 МГц и второй на 435 МГц. Можно использовать две рации, каждая из которых подключена к своей антенне. Или обойтись одной рацией с антенным переключателем. Но намного удобнее и проще воспользоваться диплексером.

Не путайте диплексер с дуплексером. Несмотря на похожие названия, это два совершенно разных устройства. Диплексер работает на неком интервале частот и разделяет сигналы в зависимости от частоты. Дуплексер работает на одной частоте и разделяет сигналы в зависимости от направления — прием или передача. Дуплексеры часто используются в УКВ репитерах, где одна антенна используется на прием и на передачу. Притом, прием и передача ведутся одновременно. Соответственно, необходимо разделять сигнал от передатчика к антенне и от антенны к приемнику.

Дополнение: Диплексеры также используются вместо фильтров на выходе смесителя частот. Практический пример использования диплексера в данном случае описан в статье Самодельный апконвертер на 40 МГц.

Расчет и моделирование

Было решено делать диплексер, отделяющий частоты 1.8-30 МГц (КВ диапазоны) от частот 144-440 МГц (2 метра и 70 сантиметров). Схему и формулы можно найти в в разделе 10.10.5 третьего тома книги «The ARRL Handbook for Radio Communications 2019». Все расчеты, само собой разумеется, были автоматизированы на Python. Исходники вы найдете в этом репозитории на GitHub.

В качестве частоты среза (cutoff frequency) были выбраны 90 МГц:

$ ./diplexer.py -f 90000000

Diplexer schematic:


      +--- L1 ---+--- L2 ---+--- L3 ---+
      |          |          |          |
      |          C1         C2        Rlp
      |          |          |          |
Src --+          V          V          V
      |
      |
      +--- C3 ---+--- C4 ---+--- C5 ---+
                 |          |          |
                 L4         L5        Rhp
                 |          |          |
                 V          V          V


L1 = 138.74 nH
L2 = 156.92 nH
L3 = 57.82 nH
C1 = 64.23 pF
C2 = 50.38 pF
L4 = 48.69 nH
L5 = 62.08 nH
C3 = 22.54 pF
C4 = 19.58 pF
C5 = 54.08 pF

Забиваем схему в LTspice, подогнав номиналы конденсаторов под те, что есть в наличии:

Модель диплексера в LTspice

Важно! УКВ часть фильтра разорвана по постоянному току. Это необходимо учитывать в контексте защиты от статики. Антенна либо сама должна представлять собой КЗ по постоянке (например, J-антенна), либо быть закорочена при помощи четвертьволновой линии.

Модель говорит, что все должно работать:

АЧХ диплексера в LTspice

Напомню, что -6 dB на АЧХ в LTspice — это на самом деле 0 dB.

Можно также проверить, что входной и выходной импеданс диплексера равны 50 Ом. Заинтересованным читателям предлагается сделать это в качестве упражнения. Исходники модели вы найдете в том же репозитории, что и Python-скрипт.

Паяем диплексер

У меня получился такой прототип:

Самодельный диплексер

Здесь использован так называемый ground-plane construction. Во-первых, совсем не хотелось разводить и травить плату. Во-вторых, было интересно, на каких частотах все сломается при использовании данного метода. Позже диплексер был помещен в металлический корпус Gainta BS35 и залит прозрачным компаундом ПК-68:

Окончательный вид самодельного диплексера

На свойствах диплексера это не отразилось.

Все конденсаторы — NP0 на 3 кВ. Катушки намотаны проволокой 0.9 мм на каркасе диаметром 3 мм. В качестве каркаса я использовал сверло для дрели. Число витков рассчитывалось по проверенному калькулятору coil32.ru. Я мотал на один виток больше, чем говорил калькулятор. Обычно индуктивность выходит чуть ниже расчетной. Если же индуктивность окажется выше требуемой, катушки можно растянуть.

Fun fact! Если в будущем что-то случится с coil32.ru, во все том же репозитории вы найдете его оффлайн-версию.

Можно заметить, что КВ и УКВ части диплексера разделены экранирующей перегородкой. Я не проверял, что будет, если убрать эту перегородку, но хуже она точно не делает. Расположение катушек выбиралось так, чтобы минимизировать взаимоиндукцию.

Пришло время проверить диплексер на анализаторе спектра:

АЧХ диплексера на анализаторе спектра

Как говорится, первый блин — комом. Выше 150 МГц АЧХ диплексера оставляет желать лучшего. Не похоже, чтобы растягивание катушек, добавление экранов между компонентами, или какие-либо другие ухищрения сильно меняли ситуацию. Причина может заключаться в паразитных эффектах, вызванных сравнительно большой длиной соединений в цепи. Для решения этой проблемы нужно использовать поверхностный монтаж. Другая возможная причина заключается банально в номиналах компонентов. Подстроечные конденсаторы дали бы пару лишних степеней свободы, что позволило бы подправить АЧХ.

Важно! Для правильной работы диплексера необходима согласованная нагрузка на всех его портах. Не допускается использовать диплексер, один или несколько портов которого ни к чему не подключены.

На частотах до 150 МГц диплексер имеет небольшие потери в полосе пропускания и аттенюацию сигнала на «чужом» выходе не менее 43 dB:

АЧХ диплексера на частотах до 150 МГц

АЧХ диплексера при прямом (S→L, S→H) и обратном (L→S, H→S) включении совершенно одинаковые, поэтому я привожу только одну пару графиков. Что считать прямым включением, а что обратным — условность, справедливая только в рамках этой статьи.

Изоляция между портами L и H тоже составляет не менее 43 dB:

Изоляция между портами L и H в самодельном диплексере

Допустим, нас интересует мощность не более 100 Вт, или 50 dBm. Тогда в худшем случае куда не следует просочится 7 dBm, или 0.005 Вт. Это безопасно для RTL-SDR v3 с его максимально допустимой входной мощностью 10 dBm. Тем более 7 dBm не напугают ни анализатор спектра, ни радиолюбительский трансивер.

Проверим также КСВ диплексера:

Графики КСВ самодельного диплексера

Графики были получены при помощи антенного анализатора FAA-450. Как можно видеть, КСВ не превышает 1.2 ни в одном из интересующих нас диапазонов. Как и АЧХ, графики совершенно одинаковые при прямом и обратном включении, поэтому дважды я их не привожу.

Тестирование на эквивалентах нагрузки с мощностью 100 Вт на КВ и 50 Вт на УКВ прошли без проблем. В диплексере нигде ничего не греется и не искрит. Тестовые радиосвязи были проведены в диапазоне 20 метров в телеграфе, а также в диапазоне 2 метра в частотной модуляции. Они прошли без проблем.

Заключение

Самым неожиданным для меня оказалось то, что диплексер не пришлось подстраивать. При изменении в разумных пределах номиналов компонентов может немного сместиться частота среза. Но не похоже, чтобы при этом страдали прочие свойства.

В диапазоне 70 сантиметров было получено 1.5 dB потерь. Меня это не сильно расстраивает, поскольку на 435 МГц я работаю крайне редко. Как-нибудь стоит сделать такой же диплексер, но на SMD компонентах и с подстроечными конденсаторами. Интересно будет сравнить результаты.

А доводилось ли вам паять диплексеры, и если да, то все ли получилось с первого раза?

Дополнение: Простой диплексер по схеме bandpass-bandstop

Метки: , , .