Metoda de vizualizare a caracteristicilor filtrelor de cuart
Ideea de a pune pe hartie acest articol mi-a venit in momentul in care m-am apucat de constructia unui transceiver SSB cu 5 tuburi, dupa proiectul “Five by Twenty – A 5 tubes SSB QRP Transceiver for 20m Ham Band”, realizat initial de Giovanni, IW9ARO. Schema acestuia foloseste un filtru in scara, realizat din 4 cristale de 5.2MHz.
prima publicare: 27 Nov. 2011 (aparitie in "Radiocomunicatii si radioamatorism")
Eu dispuneam de un filtru de 9MHz profesional, fabricat de compania BROMA din Suedia, in configuratie punte si compus din 6 cuarturi. Intrucat nu cunosteam nimic despre caracteristicile acestui filtru, am fost nevoit sa i le determin. De asemenea, dispun de un transceiver A412 dotat cu filtru SSB industrial pe 10.8 MHz (tot in punte). Am fost la fel de curios sa stiu ce caracteristici are si de aici, am ajuns la masurarea in regim de amator a filtrului XF9B, fabricat de compania KVG.
Periplul tehnic care a urmat m-a determinat sa ma gandesc la dificultatile pe care le pot intampina incepatorii atunci cand vor dori sa foloseasca un filtru SSB pe cuarturi, asadar urmarea fireasca a fost sa impartasesc experienta si catre acestia. Acest articol se adreseaza celor care nu prea si-au pus intrebari legate de modul in care filtrele de cuart pot fi corect folosite. Am vazut multe montaje publicate prin diverse medii, care nu tin cont in mod special de acest aspect, care este deosebit de important pentru obtinerea maximului de performante pentru care a fost proiectat.
Masuratorile si graficele pe care le veti intalni in acest articol, au fost realizate folosind un analizor miniVNA, obtinut cu titlu de imprumut de la Adrian, YO3HJV, caruia doresc sa-i multumesc pe aceasta cale pentru amabilitate. Totusi, doresc sa mentionez de la bun inceput ca forma actuala a informatiilor prezentate in acest articol, nu ar fi fost posibila fara directa indrumare a vechiului si bunului meu prieten, Gabriel Patulea – VA3FGR. Experienta sa in domeniu m-a ajutat foarte mult sa pot prezenta informatiile obtinute intr-o formula care sper sa fie cu adevarat utila incepatorilor sau tuturor celor care nu au avut pana acum un contact direct cu filtrele de cuart si modul lor de utilizare.
Filtrele de cuart reprezinta filtre trece-banda (FTB) care ofera o largime de banda foarte mica, necesare diverselor tipuri de emisiune. In SSB, largimile uzuale de banda sunt cuprinse intre 2.1 si 2.7 KHz. Majoritatea filtrelor de cuart realizate la nivel industrial, destinate uzului in SSB, folosesc scheme simetrice in punte. Acestea prezinta impedante de intrare si de iesire simetrice. Daca intrarea si iesirea filtrului nu este adaptata cu impedanta etajelor care il ataca si care prelucreaza semnalul filtrat, se vor produce urmatoarele neajunsuri:
• cresterea atenuarii de insertie a filtrului, care are drept consecinta directa scaderea sensibilitatii la receptie; la emisie, semnalul rezultat din filtru va fi prea slab si va necesita amplificari inutile.
• cresterea riplului in banda de trecere, cu consecinte nefaste asupra spectrului audio rezultat, la final, atat pe receptie cat si pe emisie. Mai pe scurt, tonalitatea emisiunilor SSB receptionate, sau a celei emise folosind un filtru incorect adaptat, va fi vizibil diferita de cea “standard” pe care o cunoastem cu totii de la emisiunile statiilor industriale. La acest punct mai trebuie sa mentionam ca stabilirea eronata a frecventei oscilatorului de purtatoare (situatie des intalnita la radioamatorii incepatori), conduce tot la alterarea spectrului audio obtinut in final (timbru metalic, nazal, lipsit fie de frecvente joase, fie de inalte).
Ce reprezinta parametrii mentionati mai sus, veti putea vedea pe parcursul acestui articol. Ajunsi in acest punct, nu ma pot abtine sa mentionez ca exista surprize care pot confuziona, cum ar fi urmatoarea situatie pe care am intalnit-o pe E-bay, unde am gasit de vanzare un set de filtre XF9S, puse la vanzare de utilizatorul “dvardy” din Aseret, Israel. Iata ce scrie acesta la mentiuni :
“The filter is used, it was removed professionally from a pc board and tested with spectrum analyzer and tracking generator. The filter is functioning well as can be seen on the waveshape picture.”
… si iata mai jos figura la care se refera :
Daca ne-am lua dupa ce scrie vanzatorul, filtrul ar trebui sa functioneze … “as well as can be seen in the waveshape picture” . Faptul ca in romaneste inseamna “la fel de bine ca in imaginea prezentata”, ar putea sa nu insemne nimic pentru un incepator sau pentru cineva neavizat, daca nu stie s-o interpreteze.
Ei bine, ce se vede in imagine, reprezinta *exact* caracteristica unui filtru neadaptat, ceea ce demonstreaza ca posesorul acestuia fie nu s-a straduit sa-si caracterizeze corect marfa vanduta, fie n-a stiut cum sa o faca.
Obiectul prezentului articol este de a prezenta incepatorilor o metoda de vizualizare corecta a caracteristicilor unui filtru de cuart. Datorita faptului ca am folosit analizorul miniVNA, vor exista multi colegi care ar putea obiecta asupra pretului acestui dispozitiv (aprox. 280 EUR). Probabil ca vor spune “nu merita sa cheltuim atatia bani pentru a vedea caracteristica unui filtru de cuart”. Considerand strict enuntul acestei obiectii, le-as da perfecta dreptate. Si la fel de multa dreptate le-as da, prin prisma faptului ca am descoperit trei neajunsuri puternice ale acestui analizor:
• informatia de faza este redata eronat;
• analizorul nu este ecranat si din acest motiv, capteaza zgomot provenit din mediul inconjurator;
• ofera dinamica scazuta (in cel mai bun caz 60dB), iar pragul de zgomot in conditiile masurarii transmisiei, se situeaza intre -40 dB si -50dB.
Nu voi insista mai mult pe disecarea neajunsurilor miniVNA-ului, pentru ca acesta este totusi un instrument foarte util pe masa radioamatorului. Subliniind doar ca pretul sau e prea mare pentru performantele oferite, doresc sa-i atentionez pe alti colegi sa se gandeasca bine inainte de a lua hotararea de a investi intr-un astfel de dispozitiv. Exista analizoare mai bune, cum ar fi cel proiectat de N2PK.
De asemenea, in locul unui analizor, cu rezultate mai modeste, se poate folosi foarte bine si un vobuloscop, iar amatorul lipsit de posibilitati, poate recurge intr-un final si la ridicarea caracteristicii in puncte, dar asta este o metoda foarte laborioasa si care presupune sa lucrati cu un generator cu pas foarte mic (de tip PLL sau DDS).
Si acum, despre XF9B si vizualizarea corecta a caracteristicilor sale.
1. Filtrul conectat direct (* fara adaptare * ) la porturile miniVNA (mod TRANSMISIE).
Se pot observa valorile deosebit de mari ale atenuarii de insertie (>6dB) cat si ale riplului in banda de trecere (aprox. 14dB). Nu s-a trasat si curba fazei, intrucat in contextul dat, e irelevanta.
Caracteristica de aici e asemanatoare cu cea din figura gasita pe E-Bay, descrisa la inceputul articolului. Va puteti da seama ca semnalul care ar trece printr-un astfel de filtru, ar avea spectrul alterat la iesire. Caracteristica ideala spre care trebuie sa tinda un filtru trece-banda, este cea de maxim-plat, in care riplul din banda de trecere trebuie sa fie cat mai mic posibil.
Motivul dezadaptarii e dat de faptul ca porturile analizorului ofera o impedanta de 50 ohmi, pe cand cele ale filtrului sunt definite pe o impedanta diferita.
In acest punct, ar fi util sa vedeti cum arata Return-Loss-ul filtrului conectat fara adaptare. Intre markerii M1 si M2 (care definesc banda de trecere), se poate observa ca RL variaza intre -2 si -6 dB. Acest lucru inseamna pierderi foarte mari prin reflexie, datorita dezadaptarii.
NOTA: RL (Return-Loss sau Reflection Loss) este un parametru ce reprezinta pierderile de semnal prin reflexii, datorate dezadaptarii. La modul general, cu cat RL are valori mai mari, cu atat adaptarea e mai buna. Vom reveni cu un material despre RL intr-un articol viitor.
2. Filtrul conectat la miniVNA (mod “TRANSMISIE”) cu adaptari rezistive orientative.
Aceasta metoda e o etapa empirica intermediara, in vederea apropierii prin tatonare de impedantele de intrare/iesire a filtrului analizat. Am urmarit minimizarea riplului in banda de trecere, in asa fel incat curba rezultanta sa tinda cat mai mult spre forma de maxim-plat. Nu am luat in considerare atenuarea introdusa de rezistori, urmand ca aceasta sa fie ulterior eliminata prin proiectarea, executarea si montarea unor retele de adaptare constituite din elemente reactive (LC).
Ca metoda practica de lucru, am plecat de la specificatiile filtrelor KVG de tip XF9, in care se mentioneaza “termination 500 ohm // 30pF” (XF9B) sau 1200 ohm // 30pF (XF9E). Ca atare, am presupus arhitectura filtrului ca fiind simetrica si am inseriat pentru inceput cate un rezistor semireglabil de 1K, atat la intrare cat si la iesire. Ajustand succesiv semireglabilii respectivi, am constatat ca cel mai mic riplu in banda de trecere apare la valori simetrice de aprox. 350 ohmi si cand acesta are conectate in derivatie, atat pe intrare cat si pe iesire, cate un condensator de 33pF.
Graficul de mai jos arata caracteristica filtrului in aceasta etapa a analizei. Se poate vedea foarte clar ca riplul in banda de trecere a scazut foarte mult, apropiind caracteristica de idealul de maxim-plat.
In mare, se poate spune acum ca modulul impedantei porturilor de intrare/iesire ale filtrului, este in jur de 400 ohmi (350 ohmi stabiliti prin rezistorii semireglabili + 50 ohmi ai porturilor analizorului). Valoarea obtinuta este apropiata de specificatiile KVG (500 ohmi). Nu am luat in considerare reactanta condensatoarelor de 33pF, intrucat rolul acestora este de a construi, alaturi de rezistorul de 500 ohmi din specificatiile KVG, complex-conjugata impedantei prezentate de filtru, prin intermediul bobinelor din circuitele de intrare/iesire ale acestuia ( vedeti figura de mai jos – schema interna a filtrului XF9B):
Urmatoarea etapa consta in proiectarea unor circuite care sa adapteze impedanta prezentata de filtru la impedanta porturilor analizorului ( 50 ohmi).
3. Proiectarea retelelor de adaptare am facut-o cu ajutorul aplicatiei “SuperSmith”. Asa cum am mentionat si mai sus, am pornit de la stabilirea valorii de 400 ohmi pentru impedanta de intrare-iesire a filtrului (la cei 350 ohmi ptr. care am constatat cel mai mic riplu in cadrul benzii de trecere, am adaugat impedanta porturilor miniVNA-ului, respectiv 50 ohmi).
Reteaua de adaptare este un filtru gamma, cu bobina serie si condensator derivatie. Valorile rezultate pentru cele doua componente, sunt C = 149.8 pF si L = 2.34uH, pentru care impedanta porturilor filtrului va fi translatata spre 50 ohmi, adica impedanta porturilor miniVNA. Acest lucru se poate urmari usor analizand diagrama Smith din imaginea urmatoare (normata pentru 50 ohmi):
Realizarea practica a bobinei am facut-o pe o carcasa de 6mm recuperata din calea comuna TV. Pentru realizarea inductantei de 2.34 uH, a fost nevoie sa bobinez aprox. 18 spire din sarma de CuEm 0.35mm si apoi sa reglez miezul aferent. Masurarea inductantei am facut-o cu ajutorul unui impedantmetru TESLA BM538, dar se poate folosi si un L-metru cu microcontroller. Oricum, valoarea finala a inductantei nu e critica, intrucat aceasta va trebui ajustata dupa montare, in vederea obtinerii celui mai bun compromis intre forma caracteristicii de transfer (cat mai apropiata de maxim-plat) si return-loss-ul in banda de trecere.
Mentionez ca in practica, am folosit in loc de condensator fix de 150pF, unul de 120pF conectat in paralel cu un trimer ceramic de 10/40 pF.
5. Vizualizarea caracteristicii de transfer a filtrului in conditii de adaptare am facut-o prin conectarea acestuia la miniVNA, prin intermediul a doua retele de adaptare identice, executate conform procedurilor descrise mai sus. Schema de conectare a fost urmatoarea:
In aceasta situatie, am obtinut urmatoarele grafice:
Markerii M1 si M2 au fost setati pe frecvente adiacente lui f0, in asa fel incat diferenta sa fie de -6dB pe fiecare flanc, folosind ca referinta punctul de pe caracteristica in care am masurat f0. Cum acolo, atenuarea de insertie este de 2.6dB, rezulta in realitate un offset de 2.6dB + 6dB = 8.6dB pentru stabilirea pozitiilor reale ale markerilor M1 si M2.
In aceasta situatie, am comparat specificatiile KVG cu rezultatele obtinute masurand cu miniVNA:
Mentionez ca stabilirea shape-factor-ului nu a fost posibila, datorita dinamicii reduse pe care o ofera analizorul miniVNA. In vederea stabilirii acestui parametru, standardele presupun masuratori la adancimi de -60dB si de -80dB, ceea ce nu e posibil cu miniVNA.
6. Pentru a evidentia mai bine diferenta dintre situatia in care filtrul a functionat adaptat si cea in care ar functiona fara adaptare, am comutat miniVNA-ul in modul “REFLEXIE” si am masurat return-loss-ul (RL). In primul grafic de mai jos se poate observa parametrul RL in conditia adaptarii, iar in urmatorul grafic, atunci cand filtrul era dezadaptat.
Se poate observa clar in al doilea grafic, ca cea mai buna medie atinge bara de -6dB, ceea ce reprezinta extrem de putin. RL devine acceptabil de la -10dB in sus, iar in primul grafic se poate vedea ca media depaseste -15dB.
7. Cateva cuvinte despre plasarea purtatorului
Deoarece spectrul audio folosit in comunicatiile cu banda laterala este cuprins intre 300Hz si 3KHz, in mod normal, frecventa purtatoarei trebuie plasata la 250-300 Hz distanta fata de frecventele corespunzatoare flancurilor la -6dB ale filtrului (in exteriorul benzii de trecere). Se asigura astfel trecerea intregului spectru dorit.
Discutand pe cazul concret al filtrului analizat aici, avem :
• frecventa centrala f0 = 8.999835 MHz
• frecventa flanc stang f1 = 8.998595 MHz (-6dB)
• frecventa flanc drept f2 = 9.001131 MHz (-6dB)
In aceasta situatie, purtatoarele se pot regla la 8.998345 (USB) si 9.001381 (LSB) . Am considerat un offset de 250 Hz, pentru a castiga si zona in care flancul e prea abrupt si ar putea taia din spectrul audio.
CONCLUZII: teoria se imbina armonios cu practica, daca aruncati in joc un pic de rabdare (necesara intelegerii unor procese prin studiu si experiment ). E adevarat ca pentru obtinerea acestor performante, este nevoie, uneori, si de echipamente mai complexe decat cele obisnuite.
