Диапазонный фильтр с очень узкой полосой на спиральных резонаторах

Ответить
Аватара пользователя
AZM.SU
Сообщения: 127
Зарегистрирован: 17 окт 2019, 21:00
Город: Новосибирск
Благодарил (а): 28 раз
Поблагодарили: 31 раз

Диапазонный фильтр с очень узкой полосой на спиральных резонаторах

Сообщение AZM.SU » 21 окт 2019, 23:56

Однажды, встала задача, грубо говоря на 10-ку сделать такой ДПФ, который имел бы полосу пропускания 20...50кГц (при почти 30МГц частоты!)
Я выбрал решение в виде двухзвенного (двухконтурного) фильтра на спиральных резонаторах.
Всё что опубликовано ниже может быть "масштабировано" и на диапазон 2 метра и на 20 метров.
Вся публикация служит одной цели: даже имея только куски текстолита можно сделать казалось бы невозможное :)

Немного теории.
Чем выше добротность контуров, тем уже полоса пропускания построенного на них фильтра. Думаю, всем известны конструкции на таких высокодобротных контурах, а именно дупликсеры на четвертьволновых резонаторах, которые используются в репитерах. Для частот репитеров (145МГц или 430МГц) это не такие большие конструкции, большие но не огромные, для частот 30МГц такое решение практически не реализуемо, ведь весьма сложно построить коаксиальную линию диаметром 80 или 100 мм и длиной 10 или 20 метров.
Но для низких частот есть выход - скрутить центральную жилу резонатора в спираль, в катушку. Добротность, конечно упадёт и чем меньше диаметр катушки тем сильнее, но всё же она останется достаточной.
На передачу это не будет хорошим решением, только на приём!

И вот так это было реализовано у меня:

заготовки
1.JPG
начало сборки
2.jpg
уже собрано
2_1.jpg
2_2.jpg
На фото видно, что я использовал две конструкционные ёмкости, одну из шайб на винте и другую из лепестка подгибаемого к стенке, от второй в готовой конструкции отказался.

собрано и настраиваю
3.jpg
Теперь о конструкции и настройке.
Заготовки стенок сделаны из обычного (FR4) 2мм фольгированного с двух сторон текстолита, каркасы спиралей из стеклотекстолитовой толстостенной трубы.
Лучше бы каркасы спиралей сделать из фторопласта, но он недостаточно механически прочен, а найти годные каркасы из ВЧ керамики не представилось возможным.
Стенки тоже лучше делать из медного листа, но за неимением дяди, который работает на медной фабрике и шлёт медь кому попало, я взял обычный стеклотекстолит, правда пришлось помучаться и насверлить отверстий для соединения обеих сторон фольги и довольно плотно, чтобы ВЧ токи могли спокойно протекать.
Вообще чем лучше отполирована поверхность как провода спиралей резонаторов так и внешнего экрана и чем меньше сопротивление материалов из которых это изготовлено тем будет выше добротность.
Число витков в спиралях - 1/4L для частоты на которую собираем.
Диаметр провода и самих спиралей чем больше тем лучше. Расстояние между витками тоже чем больше, тем лучше.
Точная настройка на частоту конструкционными конденсаторами (шайбы на винтах М3, которые при вкручивании винтов приближаются к последнему витку спирали).
Нужно стремиться сделать конструкционные конденсаторы с шайбами поменьше и выведенными подальше, если необходимо, то изменять число витков спиралей. И помните - подрезать можно, а припаивать и доматывать нет.

Настройка фильтра на спиральных резонаторах точно такая же как и у фильтров на четвертьволновых коаксиальных резонаторах и состоит из шагов:
1) Найти частоту пропускания соответствующую среднему положению элементов подстройки по частоте;
2) Настроить все звенья фильтра на эту частоту (по максимуму сигнала на эквиваленте);
3) Сделать замер КСВ по входу1;
4) Сделать замер КСВ по входу2;
5) Всё отключить и изменить точку подключения (связь с резонатором) входа с наихудшим КСВ в сторону улучшения (если плохое КСВ обусловлено слишком высоким сопротивлением, то связь уменьшить, если слишком малым сопротивлением, то связь с резонатором увеличить).
6) Повторить шаги с 2 по 5 до тех пор пока оба входа не будут показывать удовлетворительное КСВ.

В процессе настройки обязательно измерять КСВ на обеих входах/выходах, так как фильтр может работать и в качестве трансформатора сопротивлений, то есть если не крутить туда/сюда входы/выходы, то можно настроить так, что при подключении генератора слева, а нагрузки справа КСВ будет 1.0 а при перекидывании генератора и нагрузки местами КСВ будет 5.

С точки зрения сопротивлений резонансные цепи, особенно с высокой добротностью, вроде этого фильтра, кажется что ведут они себя очень странно, но ничего странного нет так как стоит отойти от резонансной частоты, как появляется огромная реактивность по входу/выходу.

И ещё: если вы припаяли всё "на прихватках", то есть в 5-10 токах а не сплошным валиком, то не удивляйтесь, что затухание в полосе пропускания будет децибелл 10, а ширина полосы пропускания 300кГц. Дело в том, что на поверхностях резонатора и его экрана текут очень большие токи даже при очень малых уровнях сигналов, а на концах резонаторов действуют огромные напряжения.
Собственно по причине значительных токов и напряжений на передачу это будет работать плохо и не предсказуемо, даже 5 ватт хватит, чтобы на концах катушек резонаторов возник коронный разряд.
По хорошему, внутри резонатора, внутри экрана, не должно оказаться ничего кроме воздуха, лучше сухого воздуха, а ещё лучше вакуума. Любые сомнительные диэлектрики с высокими потерями убьют всю добротность, расширят полосы и увеличат потери. Даже стеклотекстолит уже плохой диэлектрик.

Аватара пользователя
AZM.SU
Сообщения: 127
Зарегистрирован: 17 окт 2019, 21:00
Город: Новосибирск
Благодарил (а): 28 раз
Поблагодарили: 31 раз

Диапазонный фильтр с очень узкой полосой на спиральных резонаторах

Сообщение AZM.SU » 22 окт 2019, 15:28

Написал не правильно:
AZM.SU писал(а):
21 окт 2019, 23:56
Число витков в спиралях - 1/4L для частоты на которую собираем.
Правильно так:
Число витков в спиралях считайте сами исходя из диаметра намотки спиралей и исходя из того, что длина провода спирали должна быть 1/4L для частоты на которой будет работать фильтр.

А ещё: даже не думайте делать спирали без каркаса или без поддержек, потому как от механических воздействий спирали будут "звенеть" при этом будет меняться их резонансная частота, а это приведёт к трансляции этого звона в виде АМ модуляции сигнала который проходит через фильтр.

Александр UB6HMV
Сообщения: 28
Зарегистрирован: 15 окт 2019, 09:04
Откуда: Ессентуки
Позывной: UB6HMV
Город: Ессентуки
Благодарил (а): 37 раз
Поблагодарили: 12 раз

Диапазонный фильтр с очень узкой полосой на спиральных резонаторах

Сообщение Александр UB6HMV » 24 окт 2019, 09:58

Очень интересная информация. Зачетно сделано. Было бы интересно глянуть на АЧХ полученного фильтра

Аватара пользователя
AZM.SU
Сообщения: 127
Зарегистрирован: 17 окт 2019, 21:00
Город: Новосибирск
Благодарил (а): 28 раз
Поблагодарили: 31 раз

Диапазонный фильтр с очень узкой полосой на спиральных резонаторах

Сообщение AZM.SU » 24 окт 2019, 17:16

АЧХ не строил, а сейчас уже и не получится, потому как фильтр уже не у меня в руках.
В финальной версии, по -3 дБ было 40кГц (+/-20 от центра), в рамках 10кГц (+/-5 от центра), в полосе прозрачности, менее 1 дБ.

Настоящими приборами я смотрел только свои самодельные коаксиальные резонаторы на 446, а этот до приборов не добрался.

По причине "гуляния частоты" для настройки использовал уже не генератор Г4-116, а свой ёсик 857 на минимальной мощности, естественно нагруженный на делитель который и эквивалентом нагрузки для ёсика выступал.

Ответить

Вернуться в «Узлы, блоки, модули»