FILTRO PASSA BANDA “low loss” per i 23 cm

 

 Onorio Cenni I4CIV          i4civ.onorio@gmail.com


Premessa

Questo articolo vuole descrivere la modifica di un filtro passa banda, con l’intento di farvi partecipi della mia esperienza. Tempo fa, per migliorare la ricezione in gamma 23 cm, decisi di sostituire il mio vecchio LNA (low noise amplifier) con un altro di maggiori performance, chiamato VLNA (very low noise amplifier) che ho realizzato montando il kit di G4DDK. Il suddetto VLNA viene usato da molti OM per collegamenti via EME, dal momento che ha una cifra di rumore dell’ordine di alcune frazioni di dB ed un guadagno che si attesta sui 37 dB.

Con il nuovo preamplificatore, posizionato in prossimità dell’antenna, avevo subito riscontrato che questo, pur funzionando regolarmente, generava sovraccarico ed intermodulazione alla radio collegata a causa delle interferenze subite. Il circuito di ingresso e di uscita di questo VLNA è realizzato con un accoppiamento aperiodico mediante dei condensatori di piccola capacità. Tale configurazione a larga banda amplifica tutti i segnali presenti al suo ingresso. Dall’analisi di ciò che si poteva ricevere, ho subito realizzato che il sovraccarico era dovuto ai forti segnali TV ubicati in zona oltre che dall’emissione di un radar distante una quarantina di chilometri ma in portata ottica.

Stante la situazione, il suddetto VLNA poteva essere utilizzato, per collegamenti terrestri, solamente se al suo ingresso si fossero attenuate tutte le frequenze non interessate dalla ricezione dei 1296 MHz. Questo poteva essere fatto anteponendo al VLNA un buon filtro passa-banda che attenuasse la ricezione dei segnali indesiderati al di sopra e sotto la frequenza desiderata; inoltre era necessario determinare una forte attenuazione del rumore bianco della frequenza immagine e del residuo di oscillatore locale in modo da migliorare la cifra di rumore complessiva del sistema. Ipotizzando di utilizzare un filtro con una attenuazione nella banda passante di circa 0,5 dB posto sull’ingresso del VLNA avrei peggiorato la cifra di rumore di 0,5 dB che sommati alla cifra di rumore del preamplificatore pari a 0,3 dB avrei ottenuto una cifra di rumore complessiva di 0,9 dB, un valore più che ottimale nei collegamenti terrestri.

In rete web avevo trovato alcuni filtri, già pronti all’uso, che presentavano le caratteristiche richieste, ma il prezzo abbastanza elevato e la voglia di realizzare qualcosa fatto in casa, mi aveva fatto desistere all’acquisto, nonostante sapessi che per realizzare un buon filtro occorreva un certo impegno da dedicare alla precisione meccanica oltre ai costi di una argentatura indispensabile a ridurre le perdite per effetto Joule, piuttosto rilevanti, considerata la frequenza di impiego.

Molti anni fa avevo acquistato un filtro da un rottamaio pagandolo un paio di migliaia di lire con l’idea che forse un giorno avrei potuto utilizzarlo. Dopo averlo riesumato, fra una miriade di cose inutilizzate, mi resi conto di avere fra le mani un buon filtro passa banda realizzato in ottone completamente argentato e composto da 3 celle (foto n. 1).


Le tre linee in ottone del diametro di 8 mm si potevano tarare, su di un determinato range di frequenza, variando la capacità dei condensatori in ceramica a pistone ad alto Q della Johnson. Questo filtro, anche se completamente chiuso e schermato, ha la possibilità di essere tarato, in frequenza ed in larghezza di banda, per mezzo di comandi esterni tali da variare gli accoppiamenti induttivi interposti fra le tre linee. Allo stesso modo si possono variare gli accoppiamenti induttivi dei due link posti sull’ingresso e sull’uscita dei rispettivi connettori BNC; questa è indubbiamente una pratica soluzione meccanica che consente la messa a punto dei circuiti accordati senza che questi siano influenzati da effetti esterni. Il filtro è provvisto di un adeguato coperchio argentato che garantisce un buon contatto elettrico fra le pareti longitudinali con lo scopo di ridurre le perdite per effetto Joule al valore più basso possibile; i circuiti risonanti montati all’interno delle camere hanno così una bassa perdita di inserzione. Di questo filtro, dopo aver preso nota dei parametri essenziali, potevo supporre il valore della frequenza di impiego, però ciò che mi interessava realmente era massima frequenza di accordo. Per questo motivo, tramite  una misura strumentale, mi resi conto che il filtro si poteva accordare, senza effettuare alcuna modifica, fino a circa 930 MHz. L’attenuazione presentata era molto bassa dell’ordine di qualche frazione di dB ed aveva una selettività molto spinta unita ad una ottima stabilità; queste ottime prestazioni erano dovute dalla robusta costruzione meccanica, che mi avevano convinto a studiare possibili modifiche per un impiego sulla frequenza dei 1296 MHz. 

 

Progetto

Una ricerca sul web mi ha permesso di trovare una pagina per simulare direttamente il comportamento di un filtro a tre celle. Una volta impostati i parametri necessari ai fini del calcolo della nuova frequenza, ho riscontrato che, per accordare, il filtro esistente, sulla frequenza dei 1296 MHz, c’era ben poco da fare. Il diametro delle linee, che avevo imposto pari ad 8 mm non poteva essere cambiato, e la lunghezza delle stesse doveva essere ridotta di 1 mm, inoltre necessitava una piccola capacità di valore inferiore di quella minima fornita dai condensatori a pistone Johnson. Per l’adattamento di impedenza pari a 50 Ohm dal lato ingresso e di uscita, bisognava accorciare di 4 mm la lunghezza dei link. Infine bisognava ridurre la lunghezza dei settori nei quali erano inserite le linee risonanti, passando da 66 mm a 60 mm. (foto n. 2 disegno e misure del filtro)

 


Realizzazione

Dopo aver smontato le linee, ho provveduto ad accorciarle di 1 mm così da poter far salire la frequenza di accordo e di contrapporgli esternamente una vite di taratura con la capacità presentata dalla testa della vite. Ho quindi eliminato i condensatori a pistone Johnson, e di fronte ai fori rimasti, ho saldato tre quadrelli di ottone argentato da 12 x 12 mm spessi 3 mm, filettati con foro da 5 MA, nei quali avvitate le tre viti di taratura. L’interno del filtro parzialmente smontato ed il materiale necessario per le modifiche, è visibile nella foto n. 3 .

 

 

L’operazione di saldatura dei tre quadrelli di ottone filettati sul box del filtro che, è realizzato con della spessa lamiera di ottone argentato, risulta piuttosto difficoltosa a causa della sua massa e della argentatura che disperde velocemente il calore del saldatore; consiglio quindi per effettuare una saldatura ben lucida, di scaldare preventivamente il box del filtro posandolo su di una piastra in metallo posta su di un fornello a gas. Quando il box è ben caldo basta un saldatore a punta della potenza di 100 Watt per ottenere una brillante saldatura sui quadrelli filettati. Poi avvitando le viti in metallo del diametro di 5 mm nella filettatura dei quadrelli, avremo le viti posizionate frontalmente sulle linee risonanti. In questo modo si realizza fra le punte delle linee e le punte delle viti, una piccola capacità in grado di accordare le linee alla risonanza desiderata. La capacità aumenta o diminuisce a seconda che avvitiamo o svitiamo le viti. La rotazione della vite consente una variazione della capacità molto fine con il vantaggio di avere una bassa perdita per effetto capacitivo essendo interposta l’aria come dielettrico. Questo permette di avere un circuito LC risonante ad alto Q e migliore, di quello già ottimo, che possiamo ottenere con l’impiego dei condensatori a pistone Johnson. E’ noto che le perdite di un circuito risonante dipendono dal Q della induttanza L e dalla capacità C. Se il Q del circuito è alto la curva del circuito risonante è acuta; questa curva si può ottenere a fianchi ripidi, con un piccolo ripple, a seconda di come i circuiti risonanti siano accoppiati fra loro. Si procede poi a ridurre la misura dei settori più lunghi interponendo, fra i lati minori dei settori e le linee risonanti dalla parte del lato massa delle stesse, uno spessore di alluminio di forma rettangolare di 3 mm, serrato dalla stessa vite da 5MA che tiene fissata la linea risonante al suo supporto. Infine si completa la modifica accorciando di 4 mm i due link di accoppiamento posti sull’ingresso e sull’uscita.

 

Allineamento

Sebbene tutti i valori siano stati calcolati in modo abbastanza preciso, restano le incognite delle tolleranze di lavorazione delle linee induttive, l’interazione dei circuiti risonanti e degli accoppiamenti induttivi/capacitivi per cui è necessaria una forma di allineamento. Infatti ho riscontrato che la risonanza del filtro era a 1256 MHz, per cui ho dovuto accorciare ulteriormente le linee risonanti di altri 1,5 mm. Chi dispone di una adeguata strumentazione sa come fare procedendo con il metodo scientifico, altrimenti occorre mettere in atto la nobile arte di arrangiarsi, che un auto-costruttore ha acquisito nel tempo. Il metodo suggerito permette ugualmente un buon allineamento; bastano una chiavetta SDR che riceva a 1296 MHz e un PC con un adeguato software (i.e. SRD Sharp) oltre ad un generatore di rumore a larga banda fino a 1,5 GHz. Il generatore di rumore va collegato sull’ingresso del filtro e all’uscita dello stesso si collega l’ingresso antenna della chiavetta. Si attiva così la ricezione del SDR posizionandola sulla frequenza del filtro da tarare; tramite la videata sul PC osserveremo il rumore di fondo sulla frequenza che stiamo ricevendo che è quello che passa attraverso la banda passante del filtro. In questo modo, tutto il rumore generato fuori della banda passante del filtro sarà attenuato. (foto n. 4). 

 


Il primo passo da compiere è molto semplice e si farà accendendo e poi spegnendo il generatore. Con il generatore di rumore acceso, nel caso fossimo vicini alla frequenza di accordo, dovremmo già vedere un incremento del rumore ricevuto che potremo poi aumentare al massimo valore con la regolazione delle tre viti di sintonia. In seguito, spegnendo il generatore, si vedrà che il rumore sarà solamente quello di fondo. Con il generatore di rumore acceso l’incremento del rumore, con una certa approssimazione, nel mio caso è maggiore di 10 dB rispetto al rumore di fondo. Inoltre, con il generatore acceso, spostandoci sopra e sotto la frequenza di accordo del filtro, potremo osservare la larghezza della banda passante del filtro evidenziata dalla diminuzione del rumore per causa dell’attenuazione fuori banda del filtro. Il secondo step consiste nella taratura fine del filtro che si ottiene agendo ancora sulla sintonia e sugli accoppiamenti per il massimo segnale ricevuto da un beacon. Il risultato finale è che l’accordo si ottiene con la testa della vite di taratura a mezza via fra i dadi che la sostengono e l’estremità dei risonatori. (foto n. 5)

 


Al termine della taratura occorre bloccare strettamente ogni vite tenendo ben ferma la testa e stringere saldamente il controdado esagonale, facendo attenzione a non modificare la posizione delle viti rispetto ai risuonatori. E’ di fondamentale importanza che il coperchio di ottone del filtro sia ben fissato al suo box stringendo a fondo le 11 viti da 3 MA.(foto n. 6) 

 


 

Conclusioni

L’opportunità di sottoporre ad una seria analisi il suddetto filtro mi è stata data dal caro amico Agostino al secolo IK4OMN che oltre ad essere un bravissimo tecnico di provata esperienza professionale, possiede un attrezzatissimo laboratorio per misure R.F. che copre uno spettro di frequenza che parte da pochi kHz fino ad arrivare oltre i 40 Giga. Agostino è sempre disponibile con grande generosità a mettere a disposizione il suo laboratorio nei confronti di altri sperimentatori. Il filtro è stato collegato, al Network analyzer HP 8753. Dallo schermo digitale si poteva evincere che il filtro necessitava di piccola ma precisa messa a punto che Agostino ha immediatamente effettuato con estrema professionalita. Dopo la taratura del filtro a centro banda, vale a dire a 1296,250 MHz, si evidenziava una perdita di inserzione di 0,64 contrassegnata al Marker 1. Mentre alla frequenza di 1321,00 MHz contrassegnata al Marker 2 una attenuazione di 19,22 dB infine al Marker 3 alla frequenza di 1271,00 MHz una attenuazione di 15,20 dB. (foto n.6).

 



Il filtro presenta una curva perfettamente simmetrica come si evince dalla (foto n.7) che mostra il grafico con uno span di 200 MHz riferito alla frequenza centrale di 1296,250 MHz. Una ulteriore misura è stata eseguita per verificare il valore della impedenza di ingresso e di uscita. Il filtro presenta un return-loss in entrata ed uscita di circa -30 dB. Come noto più elevato è il return-loss e più è prossimo a 50 ohm il valore di impedenza. 

 


Pertanto dovendo inserire l’ingresso del mio VLNA, che ha solamente un return-loss di -8 dB, all’uscita del filtro che invece ha un return-loss di -30 dB, quest’ultimo avendo un valore molto prossimo alla impedenza di 50 ohm è in grado di evitare fenomeni di instabilità od auto oscillazioni fuori banda. Io non ho notato fenomeni di instabilità anche perché il coefficiente di stabilità K del VLNA risulta maggiore di 1 ed a ciò ha contribuito, come suggerito dall’autore del progetto, il fatto di aver posizionato all’interno del preamplificatore alcuni pezzi di materiale assorbente RF. Nel caso venissero riscontrate delle instabilità, la soluzione a questo problema consiste nell’interporre un circolatore sull’ingresso della parte ricevente in modo che tutta la potenza riflessa sia dissipata in un carico resistivo ed il filtro resti correttamente caricato sui 50 Ohm. Questa soluzione aumenta naturalmente le perdite dovute all’inserzione del circolatore, perdite che potremmo stimare attorno ai 0,3 dB; per cui con il circolatore inserito si peggiora ulteriormente di altri 0,3 dB la cifra di rumore complessiva. In questa ipotesi dovremmo aggiungere algebricamente ai 0,6 dB di perdita del filtro, ed ai 0,3 dB che presenta l’ingresso del VLNA gli ulteriori 0,3 dB di perdita del circolatore. Complessivamente la cifra di rumore determinata, dal filtro, dal VLNA e dal circolatore salirebbe a 1,2 dB, valore ancora accettabile per i collegamenti terrestri. Concludo affermando che, con l’inserzione del suddetto filtro, i problemi evidenziati si sono completamente risolti.

                                                                                                                                                                                                               i4civ.onorio@gmail.com

 

La presednte dedscrizione è stata pubblicata su Radio Kit Elettronica del mese ottobre dell'anno 2016 a pagina 45.

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