Выбор кварцевых фильтров
Основная плата №2 (схема Рис.№7) вид сверху, размер 160х160мм.
При выборе варианта применяемых кварцевых фильтров на основной плате следует руководствоваться правилом целесообразной достаточности: 1. Не пытаться сделать из одноплатной версии трансивера «шедевр» сопоставимый по параметрам с FT-1000; 2. Использовать минимально возможное количество кварцев при максимальном качестве самих кварцев, т.е. для кварцевых фильтров лучше искать максимально качественные кварцы пусть даже их и будет меньшее количество для выбора с идентичными характеристиками, нежели менее качественных. Для нашей задачи более важны параметры прямоугольности и минимального затухания в полосе пропускания фильтра, нежели плоская вершина фильтра (конечно, в пределах разумного!). Т.к. чаще всего в первую очередь при большем разбросе кварцев увеличивается неравномерность в полосе пропускания, которую можно выровнять за счёт перестановки кварцев в фильтре, а вот параметры прямоугольности и затухания никакими мерами уже не улучшить, если качество самих пластин невысокое; 3. Для высококачественного приёма CW станций нужно использовать отдельный телеграфный фильтр. Т.к. невозможно изготовить из одних и тех же кварцев качественный как SSB, так и CW фильтр по лестничной схеме. Да пусть простят меня за это другие авторы, которые рекомендуют изготавливать такие фильтры – лукавите уважаемые… Если есть насущная необходимость в качественном телеграфном фильтре – один есть только выход – купить два готовых фирменных фильтра, один для SSB, второй для CW. 4. Для любителей «компрессированных» SSB сигналов желателен последний перед смесителем фильтр из 6-ти кварцев. Если будет установлен 4-х кристальный – то ни в коем случае нельзя использовать глубокое ограничение сигнала. Здесь имеется в виду свой передатчик.
ФОС должен иметь затухание в полосе задерживания не менее 70-80Db при минимальном затухании в полосе пропускания. Максимальные цифры задерживания нам необходимы на низкочастотных диапазонах. Как правило, уровни там сейчас 59+20-40Дб, т.е.
при затухании фильтра в 80Дб и при принимаемом сигнале +40Дб можем предположить его «пролезание» на 2-3 балла по шкале S-метра. Такие уровни уже не смогут повлиять на работу каскадов следующих за XTAL ZQ.
Грубо можно оценить затухание за полосой пропускания фильтра примерно в 10-15Дб на кварц в зависимости от добротности кварца и частоты. С небольшим отличием в ту или другую сторону в зависимости от качества и размеров кварцев. Имею в виду кварцевые фильтры по лестничной схеме. Основной недостаток таких фильтров – это затянутый нижний скат АЧХ. Шестикристальный фильтр из качественных кварцев в Б1 советского производства для «военки» (не путать с генераторными!) имеет затухание за полосой пропускания не менее 70Db. К сожалению, про такие кварцы нужно забывать – старые запасы на исходе и «больше такого не будет»…. На сегодня самый доступный (но не наилучший!) вариант - покупаем маленькие кварцы на 8,867MHz на радиорынке и пытаемся из них что-нибудь ваять. Следует обратить пристальное внимание на тип и качество кварца. Их предлагается десятки типов и конструкций, но не из всех можно делать фильтры. Самые качественные позволяют изготавливать вполне «сносные» фильтры. По крайней мере – не хуже, чем из генераторных кварцев в Б1 старого образца. Восемь кристаллов дают не менее 80Дб затухания за полосой что, как отметил выше, вполне достаточно для трансивера предназначенного для «обычной» работы в эфире. Можно сделать один восьмикристальный фильтр и «успокоиться», но получим маленький фильтр (имею в виду из маленьких современных кварцев), у которого между входом и выходом 3,3см, затухание в полосе может достигать до 6Дб и неравномерность до 4-6Дб. Устанавливаем его в «основную плату» и в итоге получаем «пролезание» минуя фильтр в лучшем случае –60Дб. Как это и получилось в основной плате, которую меня попросили настроить, т.к. сам конструктор никак не мог получить от неё каких-либо сносных характеристик. Он рискнул пойти по пути, на первый взгляд дешёвому и наиболее оптимальному, с его точки зрения.
Плату он делал сам и «немного» ( по его мнению) изменил конфигурацию дорожек под те кварцевые фильтры, которые он приобрёл готовыми. Со стороны установки элементов на плате была вытравлена вся фольга. Вариант 4+4 или 6+4 кристаллов в фильтрах он посчитал за не заслуживающий внимания - применил «стандартный» радиолюбительский вариант - 8+4. Мне в течение недели не удалось довести до ума эту плату, а точнее ту степень кондиции, которую удалось получить - см. ниже, даю сравнительные характеристики со «стандартной» версией основной платы №3 (эта плата отличается от №5 отсутствием каскада на VT26). Измерения проведены на анализаторе СК4-59. Сигнал подавался на первый каскад VT1 основной платы и снимался с обмотки связи катушки в стоке VT2. Основная плата №3, с запаянными готовыми фильтрами 8+4XTAL ZQ показала затухание в полосе задерживания примерно 45Дб при неравномерности в полосе до 8Дб.
На графике №1 срисованные картинки АЧХ платы с фильтрами 4+4 и 6+4, на графике №2 АЧХ платы которую так и не удалось «вытянуть» с двумя фильтрами 8+4 кристаллов.
Т.к. фильтры можно дополнительно настраивать при установке их на плату (в нашем случае) то это позволяет «вытянуть» максимально достижимые параметры в отличие от использования уже готовых фильтров. Нужно очень тщательно продумать каким образом будет выполняться экранирование и устранение «пролезания» вход-выход при установке готовых фильтров в плату. Дабы не получить вариант, который мы видим на картинке «АЧХ платы 8+4 ZQ». Т.к. теряется весь смысл наращивания кварцев в фильтрах, если наблюдаем как полезный сигнал «обходит» установленную на его пути фильтрующую цепь. В случае неверно выполненных экранирующих коробочек для фильтров они становятся не экранами, а приёмо-передающими «антеннами»… L При запайке кварцев в печатную плату, специально выполненную для сборки кварцевого фильтра, возникает опасность (помимо пролезания вход-выход по дорожкам) ухудшения добротности кварцев (когда втыкаем ножки кварца в стеклотекстолит).
Качество стеклотекстолита для такой задачи нужно наивысшее. Если и делать фильтры в коробочках - то нужно корпуса кварцев обязательно заземлить на коробок, который лучше всего изготовить из тонкого лужёного металла, а весь монтаж внутри выполнять на ножках кварцев. Посмотрите - таким образом выполнены все высококачественные заводские фильтры. Можно рекомендовать вариант изготовления печатной платы и фильтра на ней только с сохранением фольги со стороны установки деталей под общую «массу». При установке кварцев аккуратно и быстро хорошо прогретым паяльником припаиванием корпус кварца на фольгу «массы» стараясь не перегреть его. Или создаём надёжный контакт между корпусом кварца и землёй посредством паяных проволочных перемычек. Можно сверху накрыть фильтр экранирующей коробкой из луженой жести с припайкой всех сторон на фольгу платы, хотя наличие или отсутствие экранирующей коробки ни на слух, ни по приборам не удавалось обнаружить разницы, т.е. достаточно экранировки за счёт металлических корпусов кварцев. Согласен - так не очень красиво, технологично, быстро и т.д. но только таким способом можно максимально избежать «пролезания». При изготовлении платы «8+4 ZQ» конструктор допустил ошибку в том, что не оставил фольгу со стороны установки элементов и применяя готовые кварцевые фильтры в металлических коробочках не принял специальных мер к экранировке вход-выход обеих фильтров. Соответственно, при этом потерялся весь смысл применения 8+4 кристаллов, т.к. в обход фильтрам получилось пролезание и от предполагаемых 120Дб затухания за полосой пропускания фильтров осталось немногим более 40Дб. Как рекомендация – предостерегаю самодельщиков от непродуманных «доработок» - если вы не хотите терять время на «эксперименты» то лучше «слепо» повторяйте уже отработанные и испытанные конструкции с минимальными своими «нововедениями». Чаще всего трансивер изготовленный по принципу «с мира по нитке» так и остаётся навсегда «хромающим бедным родственником»…
Ранее автор изготавливал в своих конструкциях, подражая общей «радистской тенденции», одиночные восьмикристальные фильтры.
Но после того, как стали заканчиваться высококачественные кварцы в корпусе Б1, с которыми намного удобнее работать - пошли в ход и запасы кварцев в маленьком корпусе - на них написано РК169. И вот тут и «вылезла» сложность получения минимальной неравномерности в полосе пропускания и «пролезания» минуя фильтр в восьмикристальных ZQ. Последовали соответствующие попытки «победить возникшие проблемы»…. Что в итоге и привело к варианту построения четырёх и шестикристальных фильтров. Ещё более утвердила это решение информация о фазовых характеристиках фильтров - чем более «длинный» фильтр (чем больше в нём звеньев) тем больше получаем фазовый «дребезг» фильтра. Так как каждое звено имеет индивидуальные фазовые характеристики, которые, скорее всего, не совпадут с характеристиками других звеньев - это и приводит к «звону». Такое явление мы можем отчетливо слышать своими ушами в узкополосных многозвенных фильтрах. Хотя в фильтрах для SSB этот «звон» практически невозможно услышать – но некоторые одарённые «слухачи» даже по сигналу в эфире могут определить - работает ЭМФ или узкий «длинный» кварцевый фильтр (по моему мнению - это конечно вопрос «философский» - читай - спорный). J При практической реализации намного легче обеспечить плоскую вершину АЧХ в шестикристальном и почти «автоматически» неравномерность менее 1Дб получается в четырёхкристальном фильтре. Затухание в полосе пропускания 6-ти кристального ZQ чаще всего не превышает 2-3Дб, а у 4-х кристального до 2Дб. Но так как затухания в полосе задерживания у таких фильтров недостаточно для КВ трансивера - пришлось разработать основные платы №3,№4 и т.д. Т.е. устанавливаем фильтры «паровозиком» с согласующими между ними активными каскадами. Реальные измерения сквозной АЧХ такого варианта построения показаны ниже. Это фотографии экранов измерителя частотных характеристик Х1-38 (шкала линейная) и анализатора спектра СК4-59 (шкала логарифмическая) используемого в режиме ИЧХ.
6-ти XTAL ZQ СК4-59 6-ти XTAL ZQ Х1-38
На картинках слева амплитудно-частотная характеристика тракта промежуточной частоты с установленными первым 6-ти кристальным и вторым 4-х кристальным фильтрами из современных малогабаритных кварцев.
Как видно на картинках значительного улучшения общей АЧХ при установке ещё одного 4-х кристального фильтра не особенно то и заметно. И разница видна в прямоугольности АЧХ только при измерении в логарифмическом режиме. Увеличения затухания за полосой пропускания практически незаметно, по крайней мере мы не видим резкого её прироста, хотя добавляется ещё около 40Дб второго фильтра. Только тщательные измерения в различных режимах СК4-59 позволяют заметить прирост затухания за полосой. Это видно на графике №1 на котором совмещены две АЧХ. Кривая АЧХ №2 6+4XTAL ZQ варианта немного уже кривой №1 (4+4ZQ) из-за небольшого несоответствия центральных частот фильтров - они сдвинуты друг относительно друга на 200Hz. Измерения проведены при замене первого 4-х кристального фильтра на 6-ти кристальный. Отличие АЧХ 6+4ZQ заметно в лучшую сторону в основном в более крутом нижнем скате и около 7Дб большее затухание в полосе задерживания. Верхние скаты фильтров практически совпадают (если их совместить). Коэффициенты прямоугольности Кп =1,96 варианта 4+4 и Кп =1,78 варианта 6+4 по уровням –10Дб и –60Дб, затухание за полосой пропускания примерно 75Дб у варианта 4+4 и более 80Дб у варианта 6+4. Следует отметить, что уровни более 70Дб сложно точно измерить прибором (шкала проградуирована в десятках Дб) не прибегая к дополнительной манипуляции ручками аттенюаторов и выходных-входных уровней анализатора спектра СК4-59.
При «растягивании» картинки АЧХ вверх - наблюдается перегрузка входных усилителей прибора - верхняя «планка» АЧХ становится плоской - наблюдается ограничение. Если же «растягивать» вниз - там просто уже нет калиброванной сетки на экране ЭЛТ. Что творится в полосе пропускания трактов ПЧ удобнее посмотреть при помощи X1-38, у этого прибора градуировка АТТ в единицах Дб и экран намного больше и нагляднее. Жаль только, что он обеспечивает только линейный режим работы. Неравномерность в полосе пропускания вариантов 4+4 и 6+4 фильтров, которые дополнительно подстроены в самой плате, не превышает 2Дб.
Неравномерность АЧХ в плате 8+4ZQ составила почти 10Дб. Это лишний раз подтверждает мои выводы о том, что если уж применяются самодельные кварцевые фильтры, то наиболее целесообразно их окончательно подстраивать непосредственно установленными в плату в которой они и будут задействованы.
Основная плата №5 (схема Рис.№8) вид сверху, размер 160х160мм.
Вывод.
Он напрашивается сам собой из этих «лабораторных работ». Любой самодельный кварцевый фильтр, не зависимо от количества кварцев в нём, «желает» дополнительной подстройки при установке в плату. Конечно, заманчиво купить за 10$ комплект фильтров, впаять их в плату, покрутить сердечники ближайших к фильтру катушек и всё - вперёд - микрофон «в зубы» - «всем, всем в Азии и Прибалтике»… Увы, придётся огорчить любителей «лёгкой жизни». Во-первых, чего же можно ожидать от кварцевого фильтра стоимостью в 10 баксов? Будучи на «радиовыставке» во Фридрихсафене (Германия) специально занимался поиском комплектующих для TRX по приемлемым для нашего «менталитета» ценам – удалось найти (из сотен предложений) за 30 марок фильтры на 9MHz от какой-то английской фирмы, но качество тех изделий L – не хочется и говорить… Для сопоставления цен – чашечка кофе в кафе на автобане 5 марок. Самые дешёвые кварцевые фильтры, которые уже похожи по своим характеристикам действительно на то, что нам нужно, стоили не менее 60-ти марок. Ну, не будем пока здесь о грустном…
Нужно помнить, что кварцевые фильтры, собранные по лестничной схеме, очень критичны к параметрам тех каскадов, между которыми будет включен фильтр. Любое (даже на первый взгляд) незначительное отклонение от номинальных R или С нагрузочных, которые были получены на стенде при изготовлении фильтра, вызывают изменения в АЧХ и, скорее всего не в «нужную» нам сторону. Да ещё приплюсуйте сюда «реактивности» каскадов - в итоге получаем - «как всегда»… Яркий тому пример - слышим на низкочастотных диапазонах в вечернее время…..
Сквозная АЧХ ТRХ RA3AO, измеренная Георгием UT5ULB
В платах с двумя фильтрами можно рекомендовать применение 4+4 ZQ из качественных кварцев и для улучшения «общей прямоугольности» возможен вариант 6+4. Он уступает варианту 4+4 в бОльшем (на 1-2Дб) затухании в полосе пропускания. Но заметно лучше как по крутизне скатов АЧХ, так и в большем затухании в полосе задерживания (на 6-8Дб). Это достаточно хорошо видно на графике №1. Если предполагается работа на TRX в основном на высокочастотных диапазонах - более 8-ми кварцев использовать нет смысла - в этом варианте мы получаем почти плоскую вершину АЧХ (неравномерность даже при «ленивой» настройке фильтров не превышает 2Дб) и минимальные потери полезного сигнала. Если же нам не нужен максимальный «нюх» трансивера, а предполагаем «бороться за место под солнцем» на низкочастотных диапазонах - тогда предпочтительнее вариант 6+4. Кстати, лишний раз убедился в верности применения «паровозиков» каскадов с фильтрами из меньших количеств пластин, чем восемь, при общении с Анатолием UA1OJ - одним из авторов программы по расчёту кварцевых фильтров. Вот его выводы – «Затухание в полосе прозрачности фильтра из 8-ми кристаллов в 2-3Db мне ни разу не встречалось. Чаще бывало 6,5-8Db. Даже демка (демонстрационная версия программы расчёта кварцевых фильтров, уточнение UT2FW) в этом помогает убедиться. А её результаты близки моим практическим измерениям». Такие цифры затухания чаще всего получаются в 8-ми резонаторном фильтре из случайно выбранных, а точнее вообще не выбранных, а куплено то, что было предложено на радиорынке. Теперь представьте себе, если в погоне за пресловутой избирательностью по соседнему каналу установим «стандартный набор» (один 8-ми, а второй 4-х) из таких кварцев. На мой взгляд, совсем не в количестве кварцев в фильтрах нужно искать проблему «совместимости» соседних станций, а в качестве работы выходных каскадов передатчиков! Что толку с того, что будет установлен даже высококачественный фирменный мультибаксовый фильтр в трансивере – если включится сосед на двух «рогатых», которые раскачиваются двумя ГК-71? Дело даже не в выходной мощности, а в неграмотности настройщика такого монстра – когда все ручки вправо до упора….
Можно использовать и две ГУ-84Б и не мешать ни ближним, ни дальним соседям. А можно из выходного каскада на ГУ-29 - в «лёгком режиме» при 300V на аноде - выжать пол ампера току - работающие на низкочастотных диапазонах меня прекрасно поймут - когда включение соседа на одном UW3DI принуждает всех разбегаться в разные стороны (читай – переходить на другие диапазоны или вообще выключать радиостанцию)… L
Для конструирующей публики будет небезынтересно узнать – а что же применяется в современных буржуинских ТРХ? Почти в течение года автор использовал FT-817 в качестве контрольного приёмника. Понятно, что как паяющему аматеру, мне было интересно исследовать его характеристики. Если коротко – АЧХ приемного тракта с фильтром от фирмы muRata CFJ455K примерно соответствует АЧХ основной платы №2 с установленным 6-ти кристальным ZQ. Немного выше прямоугольность у фирменного фильтра со стороны нижнего ската – это заметно и при прослушивании эфира. Но попробуйте поинтересоваться стоимостью такого фильтра – и только потом делать выводы, что лучше, а что хуже….
Некоторые пользователи отмечали «неподавленную» нерабочую боковую полосу в варианте 4+4, особенно накрутив максимально ограничение сигнала. В этом нет ничего удивительного с применением таких фильтров. Нижний скат у лестничных фильтров затянут и часть нерабочей боковой полосы «пролезает». Вопрос только в подавлении её в зависимости от отстройки по частоте. На рис.№1 вертикальной чертой показано примерное расположение частоты опорного генератора на нижнем скате фильтра – Fop (как правило, 300-400Гц ниже точки на нижнем скате по уровню –6Дб). Нужно иметь настолько крутой нижний скат АЧХ, чтобы он обеспечивал подавление хотя бы на 50Db на частоте опорного генератора (это как раз те мультибаксовые фильтры о которых написано выше) - если вы поставили себе задачу одним махом подавить «все мыслимые и немыслимые боковые». В варианте 4-х резонаторного фильтра подавление в районе частоты опорника составляет 18-20Db, а в 6-ти резонаторном 22-30Db.
Поэтому, если мы накрутим максимальное ограничение сигнала и пропустим его через 4 кварца, да ещё такой сигнал усилим лампой ГУ81М (в «лёгком» режиме - при 1200В на аноде и до ампера току L) - соседи будут в «восторге»… Об этом уже предупреждал в описании выше. Речь должна идти не «просто» о подавлении «нерабочей боковой», а о подавлении её в зависимости от расстройки относительно частоты опорного генератора. Понятно, что подавление будет разное при отстройке вниз от частоты опорника, например, на 500Гц или на 3Кгц. Примерно середина виртуальной полосы пропускания (представьте себе зеркальную АЧХ фильтра слева от частоты опорника) «неподавленой» боковой будет ниже частоты опорного генератора на 2Кгц – это в теоретически рассчитанном 6-ти кристальном фильтре частота 8860,5Мгц – затухание на ней составляет –70Дб, что вполне достаточно для такого класса трансиверов. Конечно, в реалии получается чаще всего хуже, что связано как с качеством изготовления самих фильтров, так и с качеством изготовления и настройки платы. Ниже даю теоретически рассчитанные «картинки» одного шестикристального ZQ и совмещённые АЧХ на одном графике трёх-четырёх-шести-кристальных фильтров.
Теоретический расчёт 6-ти кристального фильтра.
Выполнен программой расчёта кварцевых фильтров, демонстрационную версию которой мне во время подготовки этой статьи любезно предоставил Анатолий UA1OJ. Хотя лично мне ближе по духу практическое изготовление и проверка АЧХ на приборах реальной конструкции фильтра, нежели «теоретизирование» при помощи кнопок компьютера…..
