Настройка дополнительного фильтра радиостанции., Вопрос начинающего в RF Опции

[sinc_func]

Мне мой руководитель дал задачу спроектировать дополнительный фильтр для КВ-радиостанции (частотный диапазон 2,13-2,14 MHz) для дополнительного подавления гармоник передатчика. Я синтезировал схему - так как я вижу требуемую передаточную характеристику. В ней ко всему прочему я сделал плоский участок
входного и выходного импеданса в рабочем диапазоне частот и подогнал его к активным 50 Оммам.


Как-то помучался с настройкой и первый образец выдал - потери были 0.4 Вт на 11 Вт входной мощности.

Всем этот результат понравился.
Сейчас перевел это на печатку - и никак не могу добиться такого же уровня потерь (сейчас потери около 2 Вт)
Я подозреваю что такие вещи надо как-то хитро настраивать - но как - для меня это темный лес поскольку это
первая разработка в данной области и это не моя основная тематика.
Хотелось бы знать совет людей с большим опытом в этом деле - как делается настрока таких фильтров.

[HFSS]

////Я подозреваю что такие вещи надо как-то хитро настраивать - но как////
настраиваюся изменением ёмкости и индуктивности - количество колечек, растояние между колечками, номинал ёмкости..
подключите ваш фильтр к скалярнику и настраивайте...

[Owl_]

Потери 2-х Вт при таких малых габаритах компонентов должны быть хорошо заметны. Потрогайте радиодетали после пары-тройки минут работы фильтра - должны быть тепленькими. Левая катушка на фотографии с сердечником или без? И какая мощность прокачивается через фильтр - относительные потери какие?

[Aner]

Фильтр Кауэра 7 порядка должен нормально считаться с потерями на элементах. Возможно посчитли только для идеальных копонентов отсюда и результат такой. В реальности добавятся паразитные элементы ухудшающие параметры фильтра, но не настолько как у вас. Ищите проблему в номиналах, длинных выводах, плохой добротности, взаимного влияния элементов, экранах и тп.

[Serg1956]

В Вашем топике я вижу только картинки из фильтр солюшена, то есть чисто теоретический расчетный фильтр НЧ. Из них следует, что Ваш выбор исходил из того, чтобы в нужной полосе было хорошее согласование и потери а на удвоенной частоте был теоретический провал-запирание, при этом Вы выбрали фильтр с довольно большой неравномерностью в полосе пропускания. Экспериментальные картинки отсутствуют. Есть только данные по потерям на Вашей частоте. Маловато для рекомендаций. Скорее всего у фильтра не печатной плате ушла частота среза фильтра и Вы свалились вправо или влево по частоте, а там уже значительные потери. Проще всего поставить фильтр на какой-нибудь векторный или скалярный анализатор цепей и посмотреть АЧХ или S11 и S21 параметры, сходу будет ясно- не попали в диапазон или высокие общие потери, в первом случае просто подстроить фильтр, во втором придется искать где потери. Если нет анализатора цепей или анализатора спектра с функцией измерения АЧХ, то придется пройтись генератором по диапазону, измеряя напряжение или мощность на 50 Ом -нагрузке без фильтра и с фильтром-это трудоемко но лет 40 назад таким образом в СССР делали фильтры немного сложнее. Таким образом определите где проблема. Дадите картинки в топике, можно будет подсказать, что делать дальше.

[Aner]

...
Вы выбрали фильтр с довольно большой неравномерностью в полосе пропускания. Экспериментальные картинки отсутствуют. Есть только данные по потерям на Вашей частоте.
...

При чём тут большая неравномерность в полосе пропускания? Полоса частот ему задана (частотный диапазон 2,13-2,14 MHz), там потрери малы. Никакой неравномерностью не пахнет.
Единственное, можно придраться к сопротивлению, оно не совсем 50 Ом для данной полосы частот. Это нужно подобрать ёмкости входную и выходную.

[Filippov]

Для таких частот, главная проблема, как правило, - добротность катушек, для компенсации маленькой добротности, можно поставить трансформаторы по входу и выходу и посчитать фильтр на большее волновое сопротивление...

[Aner]

Для таких частот, главная проблема, как правило, - добротность катушек, для компенсации маленькой добротности, можно поставить трансформаторы по входу и выходу и посчитать фильтр на большее волновое сопротивление...

Причем тут компенсация маленькой добротности? Когда фильтр считается нормально с нужными вх/вых сопротивлениями. Трансформаторы лишние как по сути так и по соображениям стоимости, лишних деталей. И они не бывают идеальными, внесут свои паразитные элементы.

[Filippov]

Причем тут компенсация маленькой добротности? Когда фильтр считается нормально с нужными вх/вых сопротивлениями. Трансформаторы лишние как по сути так и по соображениям стоимости, лишних деталей. И они не бывают идеальными, внесут свои паразитные элементы.

Расчет сделан на идеальных элементах, если рисунок соответствует действительности (иначе в FilterSolutions добротность указывается рядом с номиналом элемента, если не ошибаюсь). Добротность катушек на частоте 2МГц невелика, отсюда коэф передачи много меньше в полосе, чем расчетный, чтобы его увеличить (без увеличения добротности)- нужно повышать волновое.
P.S.Прошу прощения, не рассмотрел в посте топикстартера, что один образец был настроен, вопрос в повторяемости... Тогда мои догадки неверны...

[Serg1956]

Прошлый раз я не удосужился обосновать свой ответ. Сейчас исправляюсь.
Я рассчитал в ADS параметры теоретического фильтра автора. Привожу результаты:
,
,

Они все прекрасно демонстрируют, полоса частот, нужная автору лежит близко к левому скату фильтра и если частота среза фильтра уйдет на 400-500кГц, то тогда получится около 1дБ затухания, а это 20% по мощности. Характеристики теоретического фильтра вполне приемлемые.
Если можно промерить фильтр на каком нибудь АЧХ-метре, то по положению частоты среза и резонансов запирания можно будет выдать рекомендации.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[sinc_func]

Как тут на обсуждении было рекомендовано - нужно посмотреть выделяемую мощность на элементах.
У меня представилась возможность посмотреть тепловизором на проблему и что оказалось -
в П-плечах фильтра у меня греются емкости и весьма не хило - входная емкость C1 - где-то 50-60 градусов при входной мощности в 10 Вт.
В качестве конденсаторов я применил NP0 1206 но поставил как одиночную емкость с небольшой добавочным подстраиваемым конденсатором - похоже - это ошибочный подход - надо основную часть емкости распараллелить на несколько примерно одинаковых конденсатров для снижения их общего ESR.

Занятным моментом (по крайней мере для начинающих типа меня) является проблема - а как же делается настройка.
Я ее пытаюсь делать следующим образом.
- собираю схему фильтра с немного недосыпанными величинами конденсаторов (все - кроме добавочных - где- то 7-8% от расчетной величины каждой емкости)
- сначала настраиваю режектор на вторую гармонику - 4.28 Мгц, для этого использую генератор ( выставляю 18dBm) и за фильтром спектроанализатором ищу "провал", далее его подстраиваю добавочными конденсаторами под нужную частоту,
- далее можно заняться третьей гармоникой, но на практике зона режекции от этого нуля на АЧХ достаточно широкая, можно просто поставив суммарный номинал C4 убедиться что эта точка режекции стоит примерно нормально ( тут можно дать небольшой комментарий - я потратил где-то с день на математические манипуляции в комплексных числах с этим фильтром и они у меня отбили всякое желание делать сильные отклонения емкости C4). Эта проверка делается аналогично - генератор (где-то 18 dBm) плюс спектроанализатор. Одного спектроанализатора недостаточно из-за ограниченного динамического дапазона.
- далее уже одним спектроанализатором можно посмотреть основную часть АЧХ в зоне пропускания и спада и ее подкорректировать под теоретическую форму
- финальная стадия настройки делается анализатором антенн RigExpert AA-200,
На выход фильтра вешается эквивалент нагрузки а вход подключается к антенному анализатору. Я смотрю импеданс в режиме параллельного подключения R+jX
на рабочей частоте. Избыток емкости убирается соответсвующей коррекцией общего номинала С1. Недостаток (индуктивный характер общего импеданса) требует увеличения этой емкости.
Далее вход-выход меняются местами и производиться такая же коррекция для С5.
Эти две подстройки С1, С5 делаются несколько раз по кругу для получения нормального КСВ (пока я не совсем до конца тут все понял - чтобы достичь полной идеальности, Rin=Rout=50.0 Ом)

Как правильно заметил Serg1956
базовая схема фильтра имеет некоторые особенности в рабочей зоне частот
Я действительно настраиваю на левую впадину в коэффициентах отражения..

Рабочих картинок АЧХ дать не могу - приборы не пишут картинки во флешку..
Может - если что - фотографии..

Так что битва еще продолжается..

[uve]

Может быть причина кроется в неправильно спроектированной печатной плате. У Вас ёмкости С1,3,5 возможно соизмеримы с паразитными ёмкостями печатных проводников. Неплохо бы её в ЭМСимуляторе просчитать.

Сообщение отредактировал uve - Aug 12 2013, 20:17

[Serg1956]

Не понял. Вы, изначально рассчитывали рабочие режимы элементов, выбранной схемы?
Опишу стандартный порядок разработки пассивных частотно-селективных устройств, которую я применяю.
1. Выбор схемы с анализом реализуемости и расчетом чувствительности элементов. Это позволяет остановиться на наиболее устойчивой схеме с реализуемыми элементами и с минимумом подстроечных элементов.
2. Расчет рабочих режимов элементов. Это позволяет выбрать конкретную элементную базу и решить вопрос о необходимости использования параллельных или последовательных замен.
3. Расчет печатной платы с оптимизацией схемы и учетом допустимых токов в дорожках (по молодости наелся с печатью под мощностью не слабо).
4. Расчет ЭМС. Это позволяет решить вопрос о необходимости экранирования и мест расстановки экранов, что весьма актуально для получения полосы запирания.
Первые три пункта выполняю в п\о ADS, четвертый-CST. Трудоемко, но с опытом многое переходит в знание.
Теперь по части настройки, для контуров режекции важна не только и не столько резонансная частота, сколько волновое сопротивление, но это Вы уже и сами поняли, пока крутили математику. Я, правда, не понимаю, почему не применять программы схемотехнического и электромагнитного моделирования.
По второй части регулировки. Если в вашем случае нагрузка = 50 Ом, то вместо нагрузки повесте спектроанализатор, если его чутья хватит, то будете видеть и потери.
Маленькая ремарка для uve, это каким же эпсилон и размерами должен обладать материал, чтобы иметь емкость сопоставимую с нанофарадой (формулы просты и есть в учебниках), а вот длина земли и ее мощность и разводка могут повлиять.
Судя по фотографии ориентация катушек вполне грамотная, оси взаимоперпендикулярны, что обеспечивает минимальную связь.

[uve]

Маленькая ремарка для uve, это каким же эпсилон и размерами должен обладать материал, чтобы иметь емкость сопоставимую с нанофарадой (формулы просты и есть в учебниках), а вот длина земли и ее мощность и разводка могут повлиять.

Serg1956, простые формулы для простой геометрии. Я вот не поленился и посчитал паразитную ёмкость половины схемы фильтра относительно ground ( фильтр в экране ). Получилось около 0.71 пФ, значит вся схема даст примерно 1.4 пФ, весомый вклад в эту величину внесли печатные проводники.




Сообщение отредактировал uve - Aug 13 2013, 20:08

[Serg1956]

Пико или нано, в схеме минимальная продольная емкость 358пФ, емкость на землю и того больше, паразитная емкость катушек (контакт-контакт при такой длине незначительна по сравнению с продольной емкостью параллельного конденсатора, собственные резонансы конденсаторов и катушек,вряд ли, лежат ниже 20МГц. Нижний КВ диапазон прощает многое ошибки проектировщиков, если только нет жестких требований на полосу запирания.

[uve]

Пико или нано, в схеме минимальная продольная емкость 358пФ, емкость на землю и того больше, паразитная емкость катушек (контакт-контакт при такой длине незначительна по сравнению с продольной емкостью параллельного конденсатора, собственные резонансы конденсаторов и катушек,вряд ли, лежат ниже 20МГц. Нижний КВ диапазон прощает многое ошибки проектировщиков, если только нет жестких требований на полосу запирания.

Да, кирилицу с латиницей перепутал.

[sinc_func]

Пико или нано, в схеме минимальная продольная емкость 358пФ, емкость на землю и того больше, паразитная емкость катушек (контакт-контакт при такой длине незначительна по сравнению с продольной емкостью параллельного конденсатора, собственные резонансы конденсаторов и катушек,вряд ли, лежат ниже 20МГц. Нижний КВ диапазон прощает многое ошибки проектировщиков, если только нет жестких требований на полосу запирания.

Вот кстати вид печатной платы


Катушки и подводы снизу. Нижний слой - почти полностью - полигон.

Сообщение отредактировал sinc_func - Aug 15 2013, 16:42

[Serg1956]

Теперь конструкция понятней, непонятно только, каким образом контачит "земля" платы с корпусом. Я бы Вам порекомендовал выполнить вывод на разъемы свивкой двух проводов, один провод вход(выход)-центральный контакт разъема, второй-"земля" платы - корпус разъема. Такая свивка, в общем то поведет себя, скорее всего, как отрезок довольно высокоомной длинной линии, но этот прием снизит ее влияние. Далее, так как не понятно вычищена ли маска платы под винтами крепления платы к корпусу, то можно предположить, что потери заложены в высоком переходном сопротивлении "земля" платы-корпус.

[sinc_func]

Теперь конструкция понятней, непонятно только, каким образом контачит "земля" платы с корпусом. Я бы Вам порекомендовал выполнить вывод на разъемы свивкой двух проводов, один провод вход(выход)-центральный контакт разъема, второй-"земля" платы - корпус разъема. Такая свивка, в общем то поведет себя, скорее всего, как отрезок довольно высокоомной длинной линии, но этот прием снизит ее влияние. Далее, так как не понятно вычищена ли маска платы под винтами крепления платы к корпусу, то можно предположить, что потери заложены в высоком переходном сопротивлении "земля" платы-корпус.

Контакт "земли" я сделал широкими лепестками с разъема , по два лепестка на каждый разъем - под них открыл маску на плате

Дополнительно по периметру платы вскрытие маски создает контакт с металлической крышкой (крышка была дополнительно проточена). Снизу также есть всрытие маски под выступы в корпусе на которые плата ложиться.
Просто мои первые опыты сразу показали к чему ведет плохая "земля"

Сейчас получены показатели - уже приемлемые - потери - 1 Вт на 10 Вт входной мощности (правда до исходного феномена еще один переход)
Достигнуто это было за счет
- методики настройки (пост выше)
- распрараллеивании конденсаторов (для меня это было откровение - потому что по всем datasheets от Murata для NP0 - их RMS - мизерный..)
Сейчас тепловизор показывает что тепло идет от катушек

Одним из дополнительных парадоксов, который открылся (по крайней мере для меня) являетя то что фильтр является ассиметричным.
Фильтр круто давит гармоники в одном направлении (вход- выход) но в обратном направлении подавление гораздо слабже. Я всячески проверял теоритчески этот фильтр в Mathcad-е - ничего подобного там не просматривалось..

Дальнейшее движение я вижу таким
- предполагаю поработать над потерями в катушках
- чуть лучше разобраться в теории трансформации импедансов и улучшить методику настройки

Сообщение отредактировал sinc_func - Aug 18 2013, 12:26

[HFSS]

Одним из дополнительных парадоксов, который открылся (по крайней мере для меня) являетя то что фильтр является ассиметричным.
Фильтр круто давит гармоники в одном направлении (вход- выход) но в обратном направлении подавление гораздо слабже.

Да ладно?

[Aner]

...
Одним из дополнительных парадоксов, который открылся (по крайней мере для меня) являетя то что фильтр является ассиметричным.
Фильтр круто давит гармоники в одном направлении (вход- выход) но в обратном направлении подавление гораздо слабже. Я всячески проверял теоритчески этот фильтр в Mathcad-е - ничего подобного там не просматривалось..
...

Да нет никаких парадоксов в линейных цепях. У вас просто напросто как вход фильтра, так и его выход нагружаются не на 50 Ом, отсюда и ассиметричность.

[Serg1956]

А Вы измеряете потери в тракте по какой схеме. Теоретически, в 50 Омном тракте этого не должно быть. Единственно, что приходит на ум, какой нибудь старый 75-омный генератор на 50-омную нагрузку, или генератор сильно чувствительный к типу реактивности нагрузки. Вообще то, чтобы отражения гармоник не влияли на работу выходного каскада генератора (усилителя) обычно применяют неотражающий гармониковый фильтр на основе диплексеров, я это часто встречал, да и самому пару раз приходилось разрабатывать такие схемы. В этом случае еще на входе фильтра гармоники отсасываются в балласт, а не отражаются обратно в генератор.