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Un filtro passabasso per HF

(Clicca sulle immagini per ingrandirle)

Introduzione

Descrizione del filtro

Montaggio

Taratura

Misure

Grafici

La sonda RF

Trovandomi a possedere un piccolo ed economico lineare a transistor, ho potuto constatare che la sua emissione è proprio lungi dall'essere un bell'esempio di pulizia spettrale, avendo una seconda armonica a -20 dB, e la terza a -25 dB!

A scopo di sperimentazione, ho pensato alla costruzione di uno o più filtri passabasso, con attenuazione di almeno 40 dB/ottava. Mario, I3HEV, si è "volontariamente" prestato per la progettazione e i consigli pratici, e quello che segue è il risultato del lavoro.

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Il filtro montato nel suo contenitore

Descrizione.

Il filtro è un Chebycev 7 poli, con ripple in banda di 1 dB e taglio a 4, 8 e 30 MHz commutabile.
I tre filtri, indipendenti, sono stati realizzati su un'unica basetta ramata, separati uno dall'altro con una piccola parete realizzata con la medesima basetta, ed inseriti in una adeguata scatola metallica. La commutazione avviene tramite un commutatore di provenienza surplus, due vie quattro posizioni.
Lo schema elettrico è classico, sono tre celle a pi greco con ingresso ed uscita capacitivi.
Quello presentato espone i valori della sezione 8 MHz, per le altre sezioni basta sostituirli con i valori opportuni.

Schema del filtro

Ecco i valori per i filtri:

4 MHz:
C1-C4= 1720 pF, C2-C3= 2460 pF.
L1-L3= 2,2 µH, L2= 2,36 µH.

Gli induttori sono così costruiti:
2,2 µH= 16 spire di filo di rame (meglio argentato) non smaltato diametro 2 mm, supporto aria 20 mm (su un tubetto di pvc che poi si toglierà), spaziato fino ad una lunghezza di 37 mm;
2,36 µH= 16 spire, filo come sopra, supporto aria 20 mm, lunghezza 34 mm.

8 MHz:
C1-C4=860 pF, C2-C3 1230 pF.
L1-L3=1,11 µH: 10 spire di filo 2 mm Ag, supporto aria 20 mm, lunghezza di 27 mm;
L2=1,17 µH: uguale, ma spaziato fino ad una lunghezza di 25 mm.

30 MHz:
C1-C4=230 pF, C2-C3=330 pF.
L1-L3=295 nH: 5 spire filo 2 mm Ag, supporto aria 20 mm, lunghezza 25 mm;
L2=310 nH: 5 spire filo 2 mm Ag, supporto aria 20 mm, lunghezza 23 mm.

I condensatori.

Vanno scelti di tipo adatto ad applicazioni RF, di tensione adeguata alla potenza che dovranno sopportare. Per 100 W su un carico di 50 Ohm la tensione è di circa 70 V, mentre per 1.000 W supera i 220 V.

Nel primo caso si potranno trovare facilmente dei condensatori ceramici da 100 V (di buona qualità, mi raccomando: io ho provato dei condensatori industriali, di colore azzurro, dalle prestazioni drammatiche: dissipavano oltre la metà della potenza in calore!). Per potenze superiori sarà più opportuno rivolgersi verso prodotti in mica argentata, da 250 o 500 V secondo le esigenze: più costosi, difficili da trovare, ma credetemi: ne vale la pena!

Sui valori, ovviamente, si può arrotondare un po'... ma non troppo! Per fare le cose per benino, meglio procurarsi qualche valore in più, lavorare di capacimetro e sopperire con questi alle inevitabili tolleranze. Ma non vale la pena impazzire: a tolleranze fino al 5-10% si può rimediare con opportune regolazioni delle induttanze, come vedremo più avanti.

Gli induttori.

L'nduttanzimetro

La tecnica di avvolgimento è la stessa per tutti gli induttori: si avvolgono le spire unite, strette su un tubetto di plastica diametro 20 mm, poi si stiracchia fino alla lunghezza giusta (occhio che la spaziatura sia uniforme!) e si toglie il tubetto.

Particolare dell'induttanzimetro

Usando filo da 2 mm l'induttore dovrebbe essere fisicamente robusto. Per aumentare la rigidità dell'insieme ho ricavato delle piazzole isolate, incidendo la superficie del rame per una larghezza di 2-3 mm (io ho usato una piccola fresa, ma uguale o miglior risultato si può ottenere con gli appositi prodotti per la preparazione di circuiti stampati). Sulla piazzola sono stati saldati i capi degli induttori e un reoforo dei condensatori, mentre l'altro reoforo è stato saldato fuori dalla piazzola, collegato a massa.

Nella preparazione degli induttori può essere utile un induttanzimetro. Io non lo possiedo, ma ho rimediato costruendo l'apposito accessorio per l'MFJ-259 (analizzatore d'antenna). La tolleranza è abbastanza ampia, soprattutto per i piccoli valori, ma sufficiente per avvicinarsi al giusto valore. In ogni caso, bisognerà successivamente effettuare una taratura "sul posto".

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Montaggio.

Come già detto, il montaggio è stato effettuato all'interno di un'unica scatola metallica.
Sulla basetta, ramata da un solo lato, sono state ricavate le piazzole per il montaggio dei componenti. Tra un filtro e l'altro è stata interposta una parete, saldata sulla basetta principale e ricavata dalla stessa basetta ramata, con la funzione di schermare i filtri tra di loro.
Le induttanze di ogni singolo filtro sono disposte in modo da minimizzare accoppiamenti induttivi, che avrebbero reso più difficoltosa e imprevedibile la taratura.

Vista interna

Esiste probabilmente un certo accoppiamento capacitivo tra gli induttori e le pareti della scatola (massa), ma non si è rivelato tale da compromettere il funzionamento.

Esaminando, in particolare, la sezione 4 MHz (nella foto sotto è quella a sinistra, vicino al commutatore), si nota che lo spazio è proprio strettino, e qui probabilmente ci sono gli accoppiamenti maggiori. All'atto pratico, però, questa è la sezione con l'attenuazione maggiore, ben oltre i dati di progetto, e quindi alla fine quello che poteva essere un problema si è rivelato un beneficio!

Ogni filtro è collegato alle due prese per il cavo coassiale (due PL259 sul retro) tramite un deviatore due vie quattro posizioni, in maniera da escludere totalmente le sezioni non in uso. La quarta posizione è per bypassare il filtro, se necessario.

Anche il collegamento tra i filtri ed il commutatore è realizzato con cavi coassiali, che passano sotto la basetta principale.

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Taratura.

Una prima taratura è stata effettuata semplicemente con l'uso dell'analizzatore d'antenna (MFJ o qualunque altro per HF). Si collega l'analizzatore ad un capo del filtro, un buon carico fittizio a 50 Ohm all'uscita (o una resistenza di uguale valore, non induttiva), e si "stiracchiano" o comprimono gli induttori per il minor ROS nella banda utile subito sotto la frequenza di taglio (3,5-3,8 MHz per la sezione 4 MHz, ecc.). Si raggiungerà facilmente un valore molto prossimo ad 1:1.
Chi dispone di un generatore sweep e un analizzatore di spettro sicuramente sarà agevolato: appena potrò accedere all'attrezzato laboratorio del solito amico confronterò i risultati ottenuti rispetto a quelli ottenibili con strumentazione professionale!

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Misure.

Naturalmente, appena terminata la costruzione e la taratura nasce la curiosità di verificare se l'attenuazione voluta è stata anche ottenuta. Si dovrà anche misurare la perdita di inserzione, naturalmente. Se si dispone dello sweep e dell'analizzatore di spettro la risposta è immediata. Diversamente, si può fare come segue.

Occorre un generatore RF di piccola potenza. Un analizzatore d'antenna va sufficientemente bene: l'MFJ-259 emette circa 50 mW (dati dichiarati dal costruttore) abbastanza stabili nell'arco delle frequenze che ci interessano. Poi ci serve una sonda per prelevare la tensione RF, raddrizzarla e renderla misurabile con un comune multimetro. Infine sarà utile un foglio elettronico, per evitarci di riempire a mano le tabelle, fare i calcoli con la calcolatrice e disegnare i grafici a mano.

Procederemo così:

  • collegare ad un lato del filtro il generatore RF
  • all'altro lato la sonda (vedi oltre), terminata sul solito carico fittizio o sulla solita equivalente resistenza non induttiva.
Misura delle prestazioni

Iniziando con una frequenza abbastanza bassa (io sono partito da 1,8 MHz, ma ognuno farà secondo le sue esigenze) si misura la tensione prelevata dalla sonda, la si annota nel foglio elettronico, e si procede così a step di 100 kHz.

Adesso il lavoro "di concetto": a lato della tensione misurata (è una tensione di picco) si calcolerà la tensione efficace, comprensiva della caduta di tensione sul diodo (nel caso di diodo al germanio, circa 300 mV: conviene misurarla, può variare da un esemplare all’altro). La formula è: Veff= (Vmis+0,300)*0,707.

Adesso convertiamo i rapporti fra le tensioni in dB: 20log(V1/V2), ed abbiamo il dato che cercavamo. Io sono stato in grado di misurare attenuazioni sino ad oltre 60 dB, più che sufficienti allo scopo.

La procedura va ripetuta per tutti e tre i filtri. A conclusione si può ricavare un grafico, che illustrerà visivamente le prestazioni della "creatura".

Interessante anche la misura del ROS: si noterà che nella porzione di banda "passante" la curva segue l’andamento del "ripple", e cresce repentinamente a partire dalla frequenza di taglio.

A titolo esclusivamente di curiosità ho anche misurato la corrente percorsa nel diodo: operazione non attendibile, senza conoscere i dati caratteristici del componente e la resistenza interna dello strumento. Ho comunque riempito la tabella anche con questi dati, che non si discostano molto da quelli relativi alle tensioni.

Per quanto riguarda la perdita d'inserzione, la cosa è ancora più semplice: questa volta useremo il nostro tx e il solito, affidabile carico fittizio. Colleghiamo naturalmente il tx da un lato e il carico fittizio dall'altro, e con un wattmetro misuriamo sia la potenza in uscita dal tx sia la potenza all'ingresso del carico fittizio. E' ovviamente indispensabile usare due wattmetri con identica taratura, ovvero, e più realisticamente, spostare l'unico wattmetro da un lato all'altro del filtro.

L'attenuazione in dB si ottiene con la formula: dB=10log*P1/P2. Non deve superare il valore di 0,5 dB.

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Ecco i grafici:

Attenuazione a 4 MHz
ROS a 4 MHz

Attenuazione e ROS a 4 MHz



Attenuazione a 8 MHz
ROS a 8 MHz

Attenuazione e ROS a 8 MHz



Attenuazione a 30 MHz
ROS a 30 MHz

Attenuazione e ROS a 30 MHz



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La sonda RF.

La sonda RF

Per misurare la tensione RF presente in un circuito bisogna raddrizzarla (a meno che non disponiate di un Voltmetro RF, naturalmente!). Si può fare con un circuito abbastanza semplice.

Lo schema della sonda

Una scatoletta dotata di due connettori, uno che riceve il segnale e uno a cui collegare il carico fittizio, un condensatore per RF da 18 pF, un diodo al germanio, una resistenza da 47 kOhm e un condensatore di fuga da 33 nF. All’anodo del diodo colleghiamo il puntale positivo del voltmetro (l'altro puntale a massa), e siamo in grado di fare le nostre misure.

Per chi avrà voglia o necessità di cimentarsi, la costruzione costa meno di un filtro commerciale (che comunque taglia solo a 30 MHz), non è affatto difficile, offre prestazioni adeguate, e permette di mantenere la nostra stazione nei limiti di legge e, soprattutto, di rispetto per gli altri, OM e vicini di casa.

Scambierò volentieri opinioni e idee con chi vorrà dedicarcisi, o sia semplicemente interessato al progetto.

Ultimo, e non meno importante, un ringraziamento a Mario I3HEV per il progetto e la guida nella costruzione.

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