Выбор вариантов кварцевых фильтров на основной плате.

Накопилась интересная информация от радиолюбителей, которые изготовили основные платы “Портативного TRX” ну и конечно от “повторятелей” - немного необоснованных претензий - “почему оно не работает так, как работает FT-1000MP?”.

Ещё раз заостряю внимание читателя на том, что “за всё требуется платить” и трансивер, который задуман как подобие импортных “мыльниц”, тем более без тщательнейшей настройки и отладки - никогда не покажет даже тех параметров, о которых написано в разделе “Портативный TRX”. Ещё раз напоминаю - чем проще схемотехника - тем тщательнее потребуется “вытягивать” максимальные параметры буквально из каждого каскада. А если вы приобрели комплект кварцевых фильтров за 10$, неизвестного происхождения и с неизвестной АЧХ, впаяли пластмассовые транзисторы неизвестного производства и к тому же с теоретически прогнозируемыми параметрами (в основном со слов торговца на радиорынке у которого они и куплены), да ещё катушки-трансформаторы намотали на феррите 100-летней давности из “мусора” - что же можно ожидать от такого “монстра”? Предлагаю посмотреть на характеристики основной платы №3, которую мне прислал Олег( US5EI ) из Днепропетровска. Он рискнул пойти по пути, на первый взгляд дешёвому и наиболее оптимальному, с его точки зрения, а получилось до наоборот - “раньше было плохо, а теперь всё хуже и хуже…”. Плату он делал сам и “немного” (по его мнению) изменил конфигурацию дорожек под те кварцевые фильтры, которые он приобрёл готовыми. Вариант 4+4 или 6+4 кристаллов в фильтрах он посчитал за не заслуживающий внимания - применил “стандартный” радиолюбительский вариант - 8+4. Остальные железки на плате применены из старых запасов (читай - хлама). Всё “это” было запаяно на самодельную плату, ну а в дальнейшем - получилось “как всегда”. Попытки оживить “монстра” окончились - “обращением к автору”…..

Самая главная задача при изготовлении приёмника - обеспечить чувствительность и селекцию сигнала. Без качественного кварцевого фильтра эту задачу в TRX с одним преобразованием решить нельзя.

Сколько раз уже было об этом писано-переписано в радиолюбительской литературе ??? Но мне снова приходится возвращаться к этому вопросу. За более чем 20 лет практически постоянного КВ - конструирования и что немаловажно, стольких же лет работы в эфире (т.к. есть конструкторы, которых в эфире практически никто и никогда не слышал – что можно сказать о их “навыках и подходах” к реалиям любительского эфира ???) сделал для себя вывод – нельзя экономить на фильтре основной селекции – если хотим построить достаточно качественное “Радиво”. 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+20-40 Db, т.е. при затухании фильтра в 80Db и при принимаемом сигнале +40Db 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. А вот если появится сосед на этом же диапазоне уровнем +80Db - ситуация изменяется не в “нашу” сторону. Но не будем брать за основополагающий параметр приёмника - работу на одном диапазоне одновременно с соседом, т.к. скорее всего и ему такая работа будет “не в радость”, да и для “борьбы с такими уровнями” существует радикальный метод – аттенюаторы.

В тех сотнях кварцевых фильтров, которые за эти годы пришлось сделать, затухание за полосой пропускания характеризовалось примерно в 10Db на кварц. 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 кварцев в Б1 военного производства (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 80Db 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 от 2 до 4Db и неравномерность до 4-6Db. Устанавливаем его в “основную плату” и в итоге получаем “пролезание” минуя фильтр в лучшем случае -60Db, а в варианте основной платы Олега US5EI -40Db. Как делать сам фильтр - уже расписывал в описании “КВ трансивера”. Всякие “красивые” варианты печатных плат под кварцами, “элегантных” коробочек и т.д. – опасны как ухудшением добротности кварцев (когда втыкаем ножки кварца в стеклотекстолит) так и “пролезанием” сигнала минуя сами пластинки кварцев. Если и делать фильтры в коробочках - то нужно корпуса кварцев обязательно землить на коробок, который лучше всего изготовить из тонкого лужёного металла, а весь монтаж внутри выполнять на ножках кварцев. Посмотрите - таким образом выполнены все заводские фильтры. Принимаю вариант изготовления самодельной платы и фильтра на ней только с сохранением фольги со стороны установки деталей под общую “массу”, с дальнейшим припаиванием корпусов кварцев на неё и затем ещё можно сверху накрыть фильтр экранирующей коробкой из луженой жести с припайкой всех сторон на фольгу платы. Да, согласен - так не очень красиво, технологично, быстро и т.д. но только таким способом можно максимально избежать “пролезания”. Да и за что в первую очередь “боремся” - за “под фирменный вид” или за сохранение максимально достижимых параметров самого фильтра? Это решает для себя каждый конструктор сам, индивидуально…

Ранее изготавливал, подражая общей радистской “тенденции”, одиночные восьмикристальные фильтры. Но после того, как стали заканчиваться всё чаще и чаще 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” тенденция сложности получения минимальной неравномерности в полосе пропускания и “пролезания” минуя фильтр в восьмикристальных ZQ. Последовали соответствующие попытки “победить возникшие проблемы”…. Что 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 - некоторые одарённые “слухачи” даже по сигналу в эфире могут определить - работает ЭМФ или узкий кварцевый фильтр (по моему мнению - это конечно вопрос “философский” - читай - спорный). При практической реализации намного легче обеспечить плоскую вершину АЧХ в шестикристальном и почти “автоматически” неравномерность менее 1Db получается в четырёхкристальном фильтре. Затухание в полосе пропускания 6-ти кристального ZQ чаще всего не превышает 2-3Db, а у 4-х кристального до 2Db. Но так как затухания в полосе задерживания у таких фильтров недостаточно для КВ трансивера - пришлось разработать основные платы №3 и №4. Т.е. устанавливаем фильтры “паровозиком” с согласующими между ними активными каскадами. Реальные измерения сквозной АЧХ такого варианта построения показаны на рис. №1 .

Рис№1

Измерения проведены на анализаторе СК4-59. Сигнал подавался на первый каскад VT1 основной платы №3 и снимался с обмотки связи катушки в стоке VT4 (при отсоединённом детекторе). Основная плата №3, изготовленная Олегом (US5EI), показала затухание в полосе задерживания примерно 45Db при неравномерности в полосе до 8Db рис.№2 .

Возможно, мне удастся сфотографировать экран СК4-59 с АЧХ сквозного тракта платы US5EI и “стандартной” платы №3 с двумя 4+4 кварцевыми фильтрами для наглядного сравнения - пока могу предложить только срисованные картинки. Неравномерность в полосе пропускания первого 8- ми кристального фильтра достигает 7Db, а затухание за полосой пропускания немногим превышает 40Db.

Рис №2. АЧХ платы US5EI восьмикристальный фильтр + черытёхкристальный

Рис3. АЧХ 6-кристального фильтра измереная Х1-38 (шкала линейная)

Рис4. АЧХ 6-кристального фильтра измереная СК4-59 (шкала логарифмическая)

Рис5. АЧХ 6+4-кристального фильтра измереная Х1-38 (шкала линейная)

Рис6. АЧХ 6+4-кристального фильтра измереная СК4-59 (шкала логарифмическая)

Основная плата №3 изготовленная US5EI

Отчего и напрашивается вывод - есть ли смысл вообще применять “серьёзные” кварцевые фильтры в одноплатном варианте трансивера? Скорее всего - да, чем нет. Но до какого-то определённого уровня затухания за полосой пропускания, потому что в одноплатной конструкции всё равно “пролезания” не избежать. Привожу для примера “срисованные” с экрана СК4-59 две АЧХ основной платы №3 - первая с 4+4 фильтрами, вторая 6+4 фильтры (рис.№1). Второй 4-х кристальный фильтр в этой “лабораторной работе” не менялся, поэтому сквозная АЧХ 6+4 варианта оказалась немного уже, чем хотелось бы, из-за небольшого несоответствия центральных частот этих фильтров - они сдвинуты друг относительно друга на 200Hz. Но даже в таком варианте применения - когда “ворота” фильтров не в “створе” - отличие общей АЧХ в лучшую сторону. Как по коэффициенту прямоугольности (Кп =1,96 варианта 4+4 и Кп =1,78 варианта 6+4) по уровням -10Db и -60Db, так и по затуханию за полосой пропускания - примерно 75Db у варианта 4+4 и более 80Db у варианта 6+4. Следует отметить, что уровни более 70Db сложно точно измерить прибором (шкала проградуирована в десятках Db) не прибегая к дополнительной манипуляции ручками аттенюаторов и выходных-входных уровней. 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 АЧХ сквозных трактов - удобнее посмотреть при помощи X1-38, у этого прибора градуировка АТТ в единицах Db 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 2Db. Неравномерность АЧХ в плате US5EI составила почти 10Db.

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 усё - 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 и удалось найти (из сотен предложений) за 30 марок фильтры на 9MHz от какой-то английской фирмы, но качество ентих изделий… Самые дешёвые кварцевые фильтры, которые уже похожи по своим характеристикам действительно на то, что нам нужно, стоили не один десяток 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” ёмкостей и индуктивностей каскадов - в итоге получаем - “как всегда”… Яркий тому пример - слышим на низкочастотных диапазонах в вечернее время…..

Как показывает опыт ситуация не настолько “страшная”, чтобы вообще отказаться от самодельных фильтров. При установке в плату придётся подобрать нагрузочные сопротивления (R8, R15) и по 1-2 крайних конденсаторов в фильтрах. Например, после каскада на полевике VT1 чаще всего последовательная ёмкость С7 на входе ZQ исключается и заменяется перемычкой , а следующий конденсатор С8 потребует уменьшения ёмкости. То же относится к двум кондёрам с другой стороны фильтра (С11,С10) - нужно их подобрать в конкретной схеме включения (читай - найдя определённый “консенсус” между требуемым качеством работы каскада на VT3 и АЧХ фильтра). Следует ещё отметить, что намного легче обеспечить плоскую вершину АЧХ в фильтрах с меньшим количеством пластин, нежели в многорезонаторных. Теперь вернёмся к количеству кварцев. В одноплатной конструкции основная задача - свести к минимуму “пролезание” сигнала минуя фильтры. Более 95-90Db не удаётся получить в вариантах плат “Портативного TRX”. Проверен был и вариант 6+6 ZQ. И не нужно “горько плакать” по сему поводу - посмотрите АЧХ трансивера, которая приведена в журнале Радиохобби 2/98г. стр.29 - Георгий UT5ULB проводил её измерение в самом “крутом” (в RA3AO) из советских аппаратов…. Руководствуясь накопленным опытом и рекомендовано применение 4+4 в таких платах. Для улучшения “общей прямоугольности” возможен вариант 6+4. Он уступает варианту 4+4 в бОльшем (на 1Db) затухании в полосе пропускания. Но заметно лучше как по крутизне скатов АЧХ, так и в большем затухании в полосе задерживания (на 10Db). Это достаточно хорошо видно на рисунке №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 2Db) и минимальные потери полученного 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 фильтра 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 бестолковости пользователя такого монстра – когда все ручки вправо до упора…. Можно использовать и две ГУ-84Б и не мешать ни ближним, ни дальним соседям. А можно и из выходного каскада на ГУ-29 - “в лёгком режиме при 300V на аноде - выжать пол ампера току” - работающие на низкочастотных диапазонах меня прекрасно поймут…. Ну это тема для другой статьи.

Для конструирующей публики будет небезынтересно посмотреть внутренности и современного буржуинского ТРХ. Привожу фото основной платы RX-TX вместе с блоком синтезатора (экранированная коробочка с тремя катушками, крышку снял для обозрения внутренностей) FT-817, который использую в качестве контрольного приёмника. Он раскрыт и работает 0,1-156Мгц, 420-470Мгц. 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 “Портативного ТРХ” с основной платой №2. 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….

FT-817от фирмы Yaesu.

Выходная мощность у этого аппаратика заявлена фирмой 5Вт, реально в режиме SSB 2,8Вт поэтому много в эфире на нём не наработаешь. Неспешно готовлю законченную конструкцию внешнего ШПУ с Рвых до 200Вт под такие ТРХ. В одной коробке размером 1:1 как “Портативный ТРХ” располагаются ШПУ, СУ, КСВ-метр, БП. Информация о готовности появится на моём сайте и, скорее всего в журнале “Радиохобби”, как наиболее оперативно готовящем публикации. А возможно, если будет на это время и желание и обзорная подробная статья – чего ж енто за “мыльница” такая FT-817 и с чем её нужно “потреблять”??? Тем более, что была возможность в течение некоторого времени проводить реальные сравнения FT-817 с FT-100D, TS-870 и выводы (по крайней мере, для себя J ), конечно, были сделаны.

Некоторые “повторятели” 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 (как правило, 300-400Гц ниже точки на нижнем скате по уровню –6Дб) на нижнем скате фильтра – Fop. 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 1500В на аноде! L ) - соседи будут в “восторге”… Об этом уже предупреждал в описании “Портативного ТРХ”. Ниже даю теоретически рассчитанные “картинки” одного шестикристального ZQ и совмещённые АЧХ на одном графике трёх-четырёх-шести-кристальных фильтров.

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 основной платы. Кстати, если вы хотите просчитать и увидеть АЧХ фильтров из тех кварцев, которые были по случаю приобретены на радиорынке и нет никакого желания их предварительно делать (т.к. - и лень, да и приборов толком нету) для этой цели - рекомендую обратить пристальное внимание на программу расчёта кварцевых фильтров, демонстрационную версию которой мне во время подготовки этой статьи любезно предоставил Анатолий UA1OJ. Программа составлялась не просто программистом, отдалённо представляющим себе “чего енто такое за маленькие железные коробочки?”, а под бдительным оком радиста не понаслышке знающего как собираются такие “коробочки”. Хотя мне ближе по духу практическое изготовление и проверка АЧХ на приборах реальной конструкции фильтра, нежели “теоретизирование” при помощи кнопок компьютера…..

Сквозная АЧХ ТРХ RA3AO, измеренная Георгием UT5ULB –

Теоретический расчёт 3-4-6-ти кристальных фильтров