Кварцевый фильтр - это просто!

[EU1ME]

Привет всем.
Для будущего трансивера Pic-a-Star+CDG2000 понадобились мне КФ. Готовых нет, значит надо делать самому. Благо, что сегодня все для постоойки хорошего фильтра можно купить или сделать своими руками, не надо ничего "доставать".
Итак ТЗ - набор КФ для CW и SSB, полосы стандартные.
Прежде всего выбор и проверка кварцев. Здесь можно пойти обычным путем - купить резонаторы на 8,86 МГц (ПАЛ). К сожалению, эти кварцы уже становятся дефицитом (по кр. мере у нас), на рынке какие-то остатки неизвестных производителей и качества. У меня лежали еще наверно с прошлого века горсть таких кварцев 8,86.
Прежде всего нужно определить параметры кварцевого резонатора. Не стоит надеяться, что собрав по схеме и номиналам из понравившейся конструкции КФ он заработает как положено. Производителей кварцев сотни и параметры у них отличаются.

Но не стоит заморачиваться с 8,86 - можно и нужно посмотреть, что есть доступного и с помощью, например, программы Ham Tools подобрать по преемлимым уровням пораженок. Далее нужно оценить добротность и качество резонатора. Врядли стоит ожидать от резонатора с неряшливой печаткой потекшей краской хороших параметров. Китайцы научились их клепать как пончики, соответственно и качество может быть самым разным. Так что берем горсть кварцев и проверяем их частоты, если разброс большой и даже из нескольких десятков не найдется шт 6-8 с разбросом 0-30Гц, то желательно не связываться с такими кварцами.
Оценить добротность (а значит и будущие потери в КФ) можно по величине динамического сопротивления. Ниже есть методики его определения. У хороших кварцев это 5-15 Ом. Чем ниже, тем лучше.

Итак, мои 8,86 кварцы оказались ниже среднего уровня прежде всего по добротности и пришлось искать альтернативу. На складе поставщика обнаружил залежавшиеся резонаторы на 6,144 МГц с 6ти летней выдержкой. Замеры показали весьма хорошие результаты по точности, добротности, и собственной емкости. Это резонаторы китайской фирмы CPM http://cpmcn.com/ . В кандидатах были еще "лодочки" от немецкого брэнда Geyer, но добротность у них оказалась никакая, так что на лодочки лучше не смотреть, даже фирменные.
Резонаторы должны быть все одинаковые (одного производителя и партии), а также вылежавшими хотя бы пару лет. Будет очень неприятно, если АЧХ сделанного из новеньких кварцев фильтр через пару лет из-за старения рассыпется.

Для определения параметров можно воспользоваться методикой из следующих программ:
http://www.cqham.ru/gpd.htm
http://www.cqham.ru/lcfd.htm
а также статьей K8ZOA из QЕХ2007 (см прикрепленные файлы).

На этом этапе главное точно измерить частоту последовательного резонанса, собственную емкость кварцедержателя и его динамическое сопротивление. Последнее делается с помощью генератора и милливольтметра замещением кварца на резистор.

Еще одним главным параметром для расчета КФ является динамическая индуктивность кварца. Выше были приведены методики ее определения, но они не точны и нужны для приблизительной оценки. Точная только одна - по предварительно расчитанной индуктивности расчитать и собрать 3-4х кристальный КФ и подогнать в расчете индуктивность до совпадения расчетной полосы с практически измеренной. Я при этом проверял по двум уровням -6 и -30дБ. В моем случае расчетная по частотам последовательного и параллельного резонанса индуктивность получилась 49мГн, а реально она оказалась 37,6мГн.
Я не зря так подробно расписываю этот шаг, так как все дальнейшие результаты напрямую зависят от точности расчетов параметров резонаторов. Здесь как в известном мультфильме - "Лучше день потерять, но за 5 минут долететь".

Теперь самая простая часть - расчет фильтра. Замечательная программа Расчет кварцевых фильтров А. Белых (UA1OJ SK)
http://www.qrz.ru/shareware/detail/483

Программа простая и каждый с ней разберется, нужно только обращать внимание на уровень, по которому расчитывается полоса.
Не стоит стремиться к стандартным частотам полос, например 3100 или 2700 итд. Я при расчете SSB фильтра первоначально заложил полосу 3100, но потом уменьшилее до 3000 так как при такой полосе номиналы конденсаторов оказались близки к стандартым.

На этом же этапе нужно расчитать согласующую цепь, в моем случае нужно было согласовать 900 Ом фильтра с 50 омами тракта трансивера. Проще всего это сделать в программах RFsimm или Mmana.

Весьма полезно просимулировать работу кварцевого фильтра в RFsimm. Эта отличная программа справится и с этим. Единственный минус - программа округляет индуктивность в миллигенри до генри. В моем случае вместо 37,6 мГн в расчет пошло 0,04Гн. Пришлось пересчитать динамическую емкость кварца и смириться с некоторой неточностью. Для проверки сделана идеальная модель и модель с реально отобранными конденсаторами.

Для проверки я сделал фильтр на макетной плате-слепыше с металлилированными отверстиями. Кварцы не запаивал, а укоротив до 5 мм выводы вставил в цанговые панельки (как для микросхем). Это не очень хороший вариант, так как емкость этих контактов существенная, но для отладки методики сойдет. В будущем детали фильтра переедут сразу на печатную плату трансивера и фильтр будет проверен уже на месте.

Конденсаторы надо обязательно проверять, чем точнее к расчетным, тем лучше, но не хуже 2-3%. Я все измерил с помощью FCL и подобрал конденсаторы в пределах 1 процента. Подстроечные конденсаторы не использовал вообще. Если все более-менее точно расчитано и измеряно, то подстроечники не понадобятся. И это действительно так.

Результаты измерений ниже в картинках. Коэф прямоугольности -6 -60 получился на макете 1,8 в конечной конструкции будет еще немного лучше. Затухание в полосе 1,3дБ. Неравномерность в полосе +- 0,2дБ.

Дополнение от 20,12,2009
Все необходимые параметры параметры можно получить с помощью VNA и программы MyVNA!!! смотрите здесь http://forum.cqham.ru/viewtopic.php?p=396073#396073

[EU1ME]

продолжение

[ПАПА]

тоAlex007
Вам значит повезло. У нас в городе тоже кварцы 6,144 от игральных автоматов единственные что продавались дешево и много. Действительно купив 30 кварцев можно отсортировать из них 2-3 восьмикристальных группы с 300-герцовым разбросом по частоте.
Пользуясь теми же программами, что и Вы , а потом сделав фильтра пришел к выводу: в связи с высоким сопротивлением даже 6-кристальный фильтр имеет высокое затухание в полосе прозрачности.
Хотя поставить пару 4-кристальных через каскад наверное можно.
Не могу предоставить никаких доказательств, т.к. от огорчения уже года 3 занимаюсь двойным преобразованием.
Зы: баночку с кварцами на 6,144 все-таки не выкидываю

[UV5EVY]

Спасибо автору комп. программы -А. Белых. По этой методике удалось изготовить три восьмикристальных фильтра -на 5,5--8,86 и 9.0 Мгц , Запаял отобранные кварцы ,подключил Х1-48 .. и О чудо! Я увидел расчетную хар-ку на экране! Предыдущие попытки изготовить кв. фильтр -успехом не увенчались!

[vadim_d]

Замечательная программа Расчет кварцевых фильтров А. Белых (UA1OJ SK)

Александр, я с прискорбием узнал, что Анатолия UA1OJ больше нет с нами. После публикации его статьи об этой программе расчета в журнале "Радио" я ее попробовал, а потом мы вместе внесли туда новые прототипы Чебышева, выправили баги с преобразованием звезды в треугольник и пересчетом входных звеньев, даже прототипы Бесселя где-то лежат среди Маткадных файлов.

[UA6AP]

Я давно знал Анатолия UA1OJ...
Вот все статьи и программы Анатолия на CQHAM.RU:
http://www.cqham.ru/search/search.php?text=UA1OJ

[UR5ZQV]

Делал несколько фильтров по прототипам параметров кварцев Белых с симулированием для подгонки на RFSim, все вошли без проблем в железе по полосе неравномерности (оценивал по S-метру приемника). Кстати, коррекция разности частот резонаторов, и даже ее необходимость для перегона частоты CW фильтра в нужный участок ПЧ (см. опять же Белых) возможна и не столь трудоемка даже без приборов.

[Serg]

Ради интереса собрал пару 4 кристальных фильтров 8.867 по методикам RV4LK и US8MX - на удивление все получилось. Объединить в один 8кристальный пока руки не дошли.

МетОды брал из форума в похожей ветке кто-то выкладывал сканы из Радиохобби...

[Genadi Zawidowski]

Программы для расчёта действительно помогают. Я по методике - перевод из QST, кажется (тоже опубликовно здесь, на СКР) - собирал 4-х кристальный. В методике использовались параметры тестового двухкристального фильтра.

[Serg]

Если нет характериографа - поможет генератор шума и демодулятор любой, хоть SA612, ПС1, хоть просто полевик, в один затвор сигнал после КФ, в другой - сигнал с опорника, потом на звуковую карту и любой НЧ анализатор!