Высококачественный узкополосный CW фильтр на частоту 534 Гц на пяти стандартных катушках индуктивностью 88 мГн.

Ed Wetherhold, W3NQN. Оригинал статьи опубликован в журнале QEX December 1990, pp. 6...10

 

  Введение.  Примерно два года назад в QEX-82 [ 1 ] был описан узкополосный CW фильтр с центральной частотой 750 Гц, выполненный на 7 катушках индуктивности, в варианте с пятью резонаторами. Вариант фильтра имел отличную избирательность (по уровням затухания 30/3 дБ имел коэффициент прямоугольности 2.14), а его номинальный импеданс по входу и выходу 200 Ом легко согласовывался с импедансом 8 Ом с помощью недорогих согласующих трансформаторов фирмы Mouser. Средняя частота фильтра 750 Гц была выбрана из-за того, что у большинства трансиверов промышленного производства эта частота является наиболее выделяемой фильтрами основной селекции и равна частоте генератора самопрослушивания (side-tone). Тем не менее, есть предпосылки к снижению средней частоты CW аудио-фильтра, особенно, в среде радиолюбителей старшего поколения.

 

  Эксперименты, недавно законченные членами G-QRP-Club (QRP – клуб Великобритании), описанные в журнале Radio Communication, показали, что для приёма CW сигналов частоты в районе 500 Гц предпочтительнее, чем обычно рекомендуемые, в данном случае, 750…850 Гц [ 2 ].

  Целый “полк” радиооператоров в количестве 10 человек в возрасте 50-ти и более лет, возглавляемые бывшим радистом Tony Tuite’ ом в результате эксперимента определили, что наиболее подходящими для приёма CW являются частоты от 450 до 600 Гц. Angus Taylor, G8PG, - редактор G-QRP-Communications Forum  в SPRAT (рубрики в журнале QRP клуба Великобритании) пишет:”Итак, вся наша работа была направлена на приём CW сигналов в диапазоне частот 450…600 Гц, как наиболее приемлемом, так как большинство операторов, не осознавая этого, к нему склонялось... ”

   Имея в виду полученные результаты, нельзя не заметить, что требуется, к тому в придачу, и разработка нового высококачественного CW фильтра, теперь с центральной частотой в районе 500 Гц. В настоящей статье рассматривается схемотехника и конструкция CW ЗЧ фильтра с использованием набора из пяти стандартных катушек индуктивностью 88 мГн и двенадцати конденсаторов.

 

Расчёт.

Предпочитаемые параметры полосового фильтра. Перед расчётом фильтра рассмотрим предпочитаемые параметры фильтра и причины, по которым мы их выбираем. Необходимая центральная частота фильтра выбирается вблизи 500 Гц, при полосе пропускания по уровню - 3 дБ равной 25% или 0,25 х 500 = 125 Гц. Наиболее удобное количество применяемых в фильтре катушек индуктивности - 5, поскольку  столько катушек содержит один блок - набор катушек.  Необходимый расчётный входной/выходной импеданс фильтра должен стыковаться со стандартным значением – 8 Ом с помощью стандартных изделий – согласующих трансформаторов фирмы Mouser  Electronics. Номинальная  средняя частота фильтра 500 Гц выбрана из соображений, изложенных в вводной части статьи, хотя нас удовлетворит любая  в районе частот 450…550 Гц. Выбранная полоса пропускания фильтра будет компромиссной, так: слишком узкая полоса, составляющая, например 15% не позволит (из-за нестабильности настройки передающей и приёмной аппаратуры в канале связи - UA9LAQ) устойчиво держать сигнал в полосе прозрачности фильтра, а вносимые фильтром потери будут настолько велики, что будет ощущаться недостаток усиления УЗЧ приёмника и придётся применять внешний, дополнительный. Если полоса фильтра окажется широкой (например, около 40%), то потери в фильтре будут низкими, но пострадает избирательность. Поскольку минимальная полоса пропускания фильтра на практике зависит от величины добротности (Q) катушек на центральной его частоте, то  мы можем задать Q на частоте в районе 500 Гц и определить реальную полосу пропускания фильтра. Составим резонансный контур из одной катушки индуктивности набора 88 мГн и конденсатора ёмкостью 1,03 мкФ, что обеспечит частоту резонанса 534 Гц (окончательно выбранную для фильтра в качестве средней, центральной частоты полосы пропускания). Измеренная полоса пропускания одного контура (по уровню -3 дБ) составила 14 Гц. Если потери в контуре отнести целиком на счёт катушки индуктивности, то можно рассчитать её добротность QL, используя уравнение:

 

QL = Fc / BW = 534 / 14 = 38, где

QL - добротность контура

Fc  - центральная частота (резонансная частота настройки контура), Гц

BW - полоса пропускания контура по уровню – 3 дБ, Гц

 

  Если добротность катушки контура QL в 20 или более раз превышает отношение центральной частоты настройки к полосе пропускания фильтра, то характеристика будущего фильтра будет близка к теоретической, хотя добротность катушки, превышающая отношение Fc / BW (не контура, а фильтра)  в  9…10 раз уже считается удовлетворительной и фильтр, с достаточным соответствием АЧХ теоретической, может быть построен. Если мы примем, что полоса пропускания фильтра должна быть такой, как при 9-кратном превышении добротности одной катушки (измеренной в составе одного контура, как показано выше) над отношением Fc / BW фильтра, то мы сможем получить хорошую аппроксимацию практической минимальной CW полосы пропускания фильтра.

 Используя уравнение: BW = 9 x Fc / QL, рассчитываем минимальную практическую полосу пропускания CW  фильтра: BW = 9 x 534 / 38 = 9 x 14,05 = 126 Гц. Конечно же, фильтр с полосой пропускания менее 126 Гц можно использовать, но практически получаемая АЧХ фильтра будет сильнее “сглаженной по углам” на частотах при уровне – 3 дБ, чем с катушками, имеющими большую добротностью Q.

  По предыдущему опыту известно, что импедансы фильтра (входной и выходной) получатся где-то в пределах 100…500 Ом. Mouser Electronics выпускает миниатюрные согласующие трансформаторы мощностью 0,4 Вт с выводами под “печатный” монтаж для согласования импедансов: 8 : 48, 8 : 120, 8 : 200 и 8 : 500 Ом, у всех имеются центральные отводы. В конце концов, импедансы фильтра (входной и выходной) должны попасть в 10 % допуск одного из вышеперечисленных импедансов повышающих обмоток трансформаторов. “Положив на ум” данные о полосе пропускания будущего полосового фильтра переходим к поиску его конфигурации, удовлетворяющим нашим требованиям.

 

Выбор конфигурации ПФ.

  Тремя возможными типами конфигурации полосового CW фильтра являются: резонансная ветвь,  с параллельными резонаторами со связью с “горячего конца” и последовательными резонаторами со связью с “холодного конца”. Поскольку значения компонентов варианта “резонансная ветвь” становятся неприменимыми на практике при полосе пропускания от 30% и уже, то можно заключить, что такая конфигурация фильтра неприемлема на практике для узкополосного CW ЗЧ фильтра (и здесь не рассматривается – UA9LAQ). Для узкополосных ПФ (с полосой пропускания 10% и уже) применяются фильтры с согласованными резонаторами. По Williams’ у: “…теоретическое утверждение для метода разработки основано на выводе, что согласующие элементы имеют частотонезависимый импеданс. Этот вывод справедлив для узкого участка частот”. Несмотря на то, что полоса пропускания нашего фильтра составляет более 10 %, она, всё-таки, не такая большая и вышеизложенное утверждение может быть применено: результаты, касаемо узкополосного CW ЗЧ фильтра будут приемлемыми. Обычно, при таких условиях выбирают схему фильтра с высокоимпедансной связью (ёмкостная связь по “горячему концу” – UA9LAQ). Такая конфигурация фильтра показана на Рис. 1.

 

 

Рис. 1. Принципиальная схема пятирезонаторного (5-R) полосового фильтра c высокоимпедансной (внешней ёмкостной) связью.

Примечание: катушки L1...L5 имеют одинаковые индуктивности, RS = RL (входной импеданс фильтра – импеданс источника сигнала равен выходному импедансу – импедансу нагрузки), С1 = С5, С2 = С4, С12 = С45, С23 = С34.

 Из-за ёмкостной связи между резонаторами фильтр работает подобно ФВЧ на частотах превышающих среднюю частоту фильтра и ослабление за пределами полосы пропускания (по уровню - 3 дБ) - скат АЧХ сверху здесь не такой крутой как снизу. Поскольку чувствительность человеческого уха больше на частотах выше 500 Гц, то такая конфигурация фильтра для приёма СW не является желательной.

  Для сравнения: последовательные резонаторы в схеме полосового фильтра (Рис. 2), со связью со стороны ”холодного конца” (низкоимпедансной), напротив, имеют максимальную крутизну ската со стороны высоких частот и с основательным (дополнительным) “завалом”  АЧХ на частотах ниже 300 Гц со стороны нижних частот от центральной частоты полосы пропускания фильтра. Действительно, плохое пропускание частот ниже 300 Гц и пониженная чувствительность человеческого уха компенсируют некоторое уменьшение крутизны ската АЧХ ПФ с низкоимпедансной (внутренней) связью со стороны нижних частот.

 

Рис. 2. Принципиальная схема полосового ЗЧ узкополосного 5-ти резонаторного фильтра для приёма CW с последовательными резонаторами и внутриёмкостной (низкоимпедансной) связью.

Примечание: RS = RL, L1...L5 имеют одинаковые индуктивности, С1 = С5, С2 = С4, С12 = С45, С23 = С34

 Исходя из вышеизложенного 5-ти резонаторный полосовой фильтр с внутриёмкостной связью был выбран в качестве прототипа для создания узкополосного СW  ЗЧ фильтра.

 

Расчёт деталей фильтра.

  Теперь мы имеем конфигурацию фильтра, его центральную частоту, полосу пропускания и входной/выходной импеданс, - самое время  произвести расчёт компонентов ПФ. Эту фазу процедуры расчёта лучше всего производить, используя компьютерную программу “BAND” Philip’a Geffe’a по расчёту полосовых фильтров, которая была упомянута в QEX-98 [ 4 ]. Те, кому не по душе упомянутая программа, могут попробовать программу на Бейсике, написанную William’ ом Sabin’ ом, W0IYH [ 5 ].

 

 

Рис. 3. Компьютерная распечатка расчёта пяти-резонаторного фильтра с внутриёмкостной связью, полученная с помощью программы по расчёту фильтров BAND.

 

Многие вычисления по расчёту импеданса, при заданной центральной частоте и полосе пропускания фильтра, с использованием катушек индуктивности 88 мГн, выполнены на компьютере с использованием программы BAND. Вскоре выяснилось, что  значение импеданса 120 Ом, стандартное для трансформаторов Mouser, получалось при использовании катушек индуктивностью 88 мГн, центральной частоте фильтра равной 534 Гц и полосе пропускания фильтра по уровню -3 дБ = 126 Гц. Распечатка результатов расчёта, выполненного с помощью программы BAND, для фильтра Баттерворта с параметрами: FA = 474 Гц, FB = 600 Гц, QL = 38, QC = 250 приведена на Рис. 3. FA и FB – нижняя и верхняя частоты полосы пропускания фильтра по уровню -3 дБ, соответственно, а QL и QC = добротности катушек и конденсаторов, соответственно. Несмотря на то, что номинальное значение индуктивности стандартной катушки составляет 88 мГн, принято значение в 87,4 мГн, потому, что расчётное значение индуктивности отличается от номинального в нижнюю сторону примерно на 1%. Общая ёмкость в схеме фильтра на распечатке, приведённой на Рис. 3 составляет 29,2 мкФ. К счастью, ёмкость конденсаторов фильтра может быть существенно уменьшена, преобразованием емкостных Т-звеньев в П-звенья внутри фильтра. На Рис. 4 показаны Т-звенья конденсаторов с Рис. 3, , до преобразования, в более привычной форме.

 

Рис. 4. Принципиальная схема 5-резонаторного полосового фильтра с внутриёмкостной связью, перерисованная в более наглядной форме с Рис. 3, с целью показать конденсаторы T-образных звеньев.

 

Рис. 5. Принципиальная схема эквивалентного преобразования  ёмкостного Т-звена в П-звено.

 

 Отметьте, что конденсаторы С2, С3 и С4 разбиты на два конденсатора, емкость каждого из которых увеличена вдвое и преобразована, чтобы получить третий вывод Т-образной емкостной схемы. Значения емкостей внешних конденсаторов фильтра остаются неизменными (как на Рис. 3). На Рис. 5 показана процедура преобразования Т-образных звеньев фильтра в эквивалентные, - П-образные. На Рис. 6 показана окончательная схема CW фильтра с новыми значениями емкостей фильтра и новой П-конфигурацией звеньев. Общая ёмкость, необходимая для фильтра, теперь составляет 12, 9 мкФ, что существенно меньше, чем 29, 2 мкФ, необходимой для для фильтра с Т-звеньями (Рис. 3). В дополнение к приведённым значениям индуктивностей и емкостей, на Рис. 6 приведены и значения добротностей катушек на частоте 534 Гц, импеданс источника и нагрузки фильтра (входной/выходной

 

 

Рис. 6. Принципиальная (конечная) схема 5-резонаторного полосового фильтра с внутриёмкостной связью, полученного после преобразования Т-звеньев в П-звенья, с целью уменьшить общую ёмкость фильтра.

 

импедансы), расчётная центральная частота полосы пропускания фильтра и полосы пропускания по уровням -3 дБ и -30 дБ. И это всё, что касается расчёта.

 

Монтаж фильтра.

 На Рис. 7 показан эскиз соединений набора индуктивностей фильтра. Ёмкости, включенные параллельно, пронумерованы цифрами от 1 до 8 слева – направо. Последовательные конденсаторы обозначены номерами прилежащих параллельных.

 

Рис. 7. Эскиз монтажной  схемы фильтра, монтируемого на корпусе набора индуктивностей 88 мГн со схемой соединения выводов катушек для реализации узкополосного  CW фильтра. Выводы катушек набора – удобные монтажные точки для конденсаторов фильтра и  его выводов.

 

 С целью размещения двенадцати конденсаторов на корпусе набора индуктивностей, применены миниатюрные металлоплёночные конденсаторы Panasonic типа ECQ-E(F).

Рис. 8. На фотографии показан набор индуктивностей 88 мГн в сборе с конденсаторами, смонтированный на пластиковой скобе. Обратите внимание на приемлемые габариты фильтровых конденсаторов (применив, например, миниатюрные конденсаторы фирмы Panasonic).

 

Эти конденсаторы, которые можно приобрести у Digi-Key [ 6 ], отличаются необычно большой ёмкостью при небольших размерах. Например, размеры конденсатора ёмкостью 1,5 мкФ на рабочее напряжение 100 В составляют 11/16 х 7/16 х 3/16 дюйма (1 дюйм = 25,4 мм). Где необходимо, можно применить и два включенных параллельно конденсатора, чтобы получить значение ёмкости, находящееся в 1% зоне допуска по отношению к расчетному значению.

 На Рис. 8 показано фото полностью смонтированного набора индуктивностей. Смотрите Рис. 2 в статье из QEX-82. Там приведена схема соединений фильтра, трансформаторов, переключателя и распайка соединителя головных телефонов. На Рис. 9 приведен монтаж фильтра в пластиковой чёрной коробке размерами 6,0 х 3,3 х 1,875 дюйма, которую можно приобрести в Jameсo за 2,75 доллара [ 7 ]. Эта коробка (номер по Прейскуранту Н2851) комплектуется четырьмя крепёжными винтами и крышкой. Размеры коробки достаточны для размещения соединителя, двух трансформаторов, миниатюрного тумблёра и смонтированного набора катушек индуктивностей вместе с конденсаторами. После изучения каталогов, я пришел к выводу, что наиболее подходящей является вышеупомянутая коробка. Другие подобные стоят в 2-3 раза дороже. Наборы катушек 88 мГн могут быть поставлены для радиолюбителей Chesapeake and Potomac Телефонной Компанией штата Maryland. Присылайте автору конверты с марками, с написанными на них своими адресами, для детального пояснения вопросов приобретения деталей для изготовления CW фильтров.

 

 

Рис. 9. Фото полностью собранного фильтра, Фильтр смонтирован в прямоугольной пластмассовой коробке вместе согласующими трансформаторами, переключателем “обхода” фильтра и ответными частями соединителей для подключения в “разрыв” между выходом приёмника и головными телефонами.

 

Измеренные характеристики CW фильтра.

 На Рис. 10 показано измеренное относительное затухание фильтра, уложенное в полу-логарифмический масштаб. Обычный связной приёмник имеет границы полосы пропускания по звуковым частотам 200…3000 Гц, а характеристика фильтра наглядно демонстрирует, как фильтр “обрезает” ненужные при приёме CW части ЗЧ спектра. Сведением принимаемого спектра частот к минимуму достигается минимальная утомляемость оператора, возможность отстроиться от QRM и QRN в условиях приёма слабых сигналов (при уменьшении полосы пропускания снижается общий уровень шумов приёмника - UA9LAQ). Хорошо просматривается на Рис. 10 асимметричность АЧХ фильтра с внутриёмкостной связью, меньшая крутизна НЧ ската характеристики обусловлена наличием последовательно включенных в его схеме катушек индуктивности, обеспечивающих меньшее затухание более низких частот. Как было отмечено ранее, такая АЧХ фильтра более приемлема, чем таковая, при внешнеёмкостной связи в фильтре (высокоимпедансной с последовательными конденсаторами, дающей меньшую крутизну ската, наоборот,- со стороны высоких частот - UA9LAQ).  Измеренное относительное затухание также показано на Рис. 11, но, на этот раз, АЧХ приведена в линейном масштабе и в диапазоне от 180 до 800 Гц. Более подробная детализация АЧХ в линейном

 

Рис. 10. Измеренная АЧХ ЗЧ фильтра  в полу-логарифмическом масштабе.

 

масштабе, по отношению к полу-логарифмическому, позволяет лучше рассмотреть и сравнить полосы пропускания фильтра, например, по уровням -3 дБ и -30 дБ. Характеристика относительного затухания фильтра была измерена с помощью генератора сигналов и лампового вольтметра с симуляцией входного и выходного импеданса фильтра 120 Ом. Ниже 300 Гц затухание точно измерить трудно, так как в полосе пропускания фильтра появляется большое количество высших гармоник генератора сигналов и апериодический (не избирательный) вход вольтметра измеряет и их напряжение (для точного измерения требуется прецизионный  генератор сигналов с фильтрами на выходе, обеспечивающими поэтапное измерение АЧХ или измерение НЧ ската АЧХ в отдельности, линейность измерительного тракта должна также соблюдаться, чтобы не генерировать гармоники. Измерение АЧХ фильтра можно и нужно, при наличии, производить с помощью ЗЧ ИЧХ - UA9LAQ). Из-за последнего обстоятельства, НЧ скат АЧХ ниже 300 Гц “дорисован” с

 

Рис. 11. АЧХ фильтра в линейных координатах. Измеренное относительное затухание узкополосного CW полосового фильтра Баттерворта,  с использованием пяти катушек индуктивностью 88 мГн и 12 конденсаторов. Входной и выходной импедансы = 120 Ом, центральная частота фильтра = 534 Гц, полоса пропускания по уровню -3дБ = 124 Гц, вносимое затухание на F-c = 3,3 дБ. Коэффициент прямоугольности по уровням -30 дБ/-3 дБ = (670 - 379)/(596 - 472) = 291 / 124 = 2,35. Полоса в процентном отношении: (100 х 3дБ BW)/ F-c = 124/5,34 = 23,2% . BW – полоса пропускания. F-c – центральная частота полосы пропускания. Полученная практически АЧХ, соответствует расчётной на ПК в программе BAND.

 

использованием произведённых ранее вычислений. Измеренное вносимое затухание фильтра на центральной частоте полосы пропускания 534 Гц составило 3,3 дБ, которое находится в соответствии с вычисленным его значением, приведённым на Рис. 3. Измеренный по значениям полосы пропускания на уровнях -3 дБ и -30 дБ коэффициент прямоугольности, равный 2,35, даёт возможность сравнивать форму АЧХ с таковой у других фильтров. Рассчитанная на компьютере и измеренная на практике характеристики затухания фильтра совпадают, что указывает на правильность выбранных значений ёмкости конденсаторов и правильность сборки фильтра. При использовании трансформаторов 8 : 120 для согласования фильтра со стандартными импедансами источника сигнала и его нагрузки, следует ожидать дополнительные потери (затухание), примерно, в 1 дБ из-за потерь в трансформаторах. Поскольку “совместное” затухание в фильтре и трансформаторах не превышает 4,3 дБ, то оно может быть легко компенсировано простым поворотом ручки регулятора усиления ЗЧ приёмника. При использовании фильтра сохраняется возможность небольшого изменения высоты тона прослушиваемого CW сигнала в полосе 124 Гц. Наиболее замечательным эффектом при применении фильтра является устранение QRN, и других нежелательных “довесков” в принимаемом ЗЧ спектре, которые способствуют быстрой утомляемости оператора. Полосу пропускания фильтра можно было бы сделать ещё уже, но настройка на станции стала бы более сложной и увеличилось бы затухание в фильтре (следует отметить, что применение сверхузкополосных фильтров не составляет труда, в связи с развитием цифровой обработки сигналов (DSP, например). Принципиально достаточной полосой пропускания для приёма CW является полоса в 1…2 Гц, когда устраняются практически все возможные шумы, становится возможным приём сигналов с таким уровнем, которые вообще не обнаруживаются при “обычной” полосе пропускания, даже CW фильтров, но… здесь есть свои “подводные камни”: необходимо поддерживать долговременную стабильность частоты в указанном выше диапазоне, девиация частоты при манипуляции сигнала должна быть нулевой, скорость передачи информации должна быть уменьшена (в основном, из-за “подзвона” узкополосного фильтра), для интересующихся такими условиями работы можно порекомендовать статьи о так называемой “когерентной” телеграфной связи (CCW) или (и) современной цифровой (PSK), где используются сверхузкополосные фильтры  - UA9LAQ). Следует отметить, что настоящая разработка фильтра является хорошим компромиссом, учитывающим в значительной мере все “за” и “против”, “участвующих в деле” переменных.

 

Заключение.

 Результат исследования показывает, что радиолюбители “со стажем” предпочитают принимать CW  на частотах ближе  к 500 Гц, а не к принятой за стандарт ранее , частоте 750 Гц (понять можно всё: и желание автора “утвердить свою идею в массах” и “немного сдавший” с годами слух операторов, у которых включается, так называемая, “костная проводимость” и требования всё большего уменьшения  спектра  занимаемого одним связным  каналом  в переполненных диапазонах… - UA9LAQ). С использованием компьютерной программы Geffe - BAND, автор показал, как можно построить высококачественный ЗЧ фильтр, применив стандартные катушки индуктивности в 88 мГн и 12 конденсаторов и получив, при этом, стандартные импедансы входа и выхода фильтра при центральной его частоте 534 Гц и полосе пропускания по уровню -3 дБ  - 124 Гц. Дешевизна фильтра и лёгкость сборки, могут послужить для радиолюбителя, желающего принимать CW  на частотах близких к 500 Гц, прекрасным проектом “конструкции выходного дня”.

 

 

Литература (список литературы не переводится по простой причине: для могущих ознакомиться с первоисточниками в подлиннике, - перевод не нужен – UA9LAQ):

 

  

 

Свободный перевод с английского:    Виктор  Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень                      март, 2003 г