krystalový filtr pro 101MHz OCXO (konverze 28/432MHz)

Na MW setkání mne zaujala prezentace Míly OK1VUM na téma transvertor 1296/21MHz. Zejména pak odkazy na téma filtrace OCXO krystalovým filtrem.

No a protože se v poslední době množí odkazy na nízkošumové OCXO, nízkošumové kmitočtové syntezátory a klade se důraz na šumovou čistotu oscilátorů použitých v transvertorech, rozhodl jsem se i já jít cestou zmenšení šum a vyzkoušet si filtraci OCXO krystalovým filtrem.

Jako základ jsem si vzal návrh filtru, tak jak ho prezentoval Míla VUM.

Respektive jsem si vzal pouze část filtru s pasivními součástkami.

Měl jsem možnost si zkusit oměřit filtr jak se dvěma krystaly z Hradce Králové, tak kombinaci jeden krystal fy Jauch a jeden krystal fy Krystaly. Všechny pro kmitočet 101.000MHz

V praxi byly výsledky filtru shodné, jen doladění krystalu od fy Jauch do rezonance a na maximální potlačení RL bylo trochu jiné a s problémy, ale výsledná křivka byla stejná, či velmi podobná. I parazity se velmi podobaly. Takže kombinaci různých krystalů jsem zavrhl a postavil a ověřil jsem filtr se dvěma stejnými krystaly od stejného výrobce z Hradce Králové. Z prostého důvodu, kapacity i indukčnosti jsou stejné pro oba krystaly a není třeba laborovat na každé půlce s jinou hodnotou.

Zprvu jsem si filtr ověřil a jednotlivé prvky filtr zkoušel a měnil na destičce a posléze jako první pokusný vzorek zaletoval do krabičky. Nakonec se stal i vzorkem finálovým.

Takhle vypadá filtr z pohledu součástek.

A takhle ze spodní strany, kde jsou zaletované krystaly.

K jednotlivým součástkám v obvodu asi tolik.

Odpory R1 až R3, stejně jako odpory R4 až R5 tvoří 3dB útlumový článek. Tento jsem nahradil jedním prvekm a to je obvod PAT3 s definovaným útlumem 3dB a s mezním kmitočtem dostatečně vysoko na to, aby pracoval v oblasti 100MHz. Lze jej samozřejmě vytvořit i z jednotlivých odporů, ale proč, kdy je tato součástka volně k dispozici a za rozumné peníze. Takže tam sedí na vstupu i výstupu PAT3.

Indukčností L1 a L4 se nastaví rezonance krystalů přesně na střed filtru na kmitočet 101.000 Cívky jsem vinul drátem průměru 0,3mm a na dřík vrtáku o průměru 2,5mm kde počet závitů je 10. Míla má v jeho filtru o dva závity méně, ale zase na větším průměru.

Naladění se provede roztahováním či zmačknutím závitů cívek.

Proměnné kapacitní trimry C2 a C4 jsem měl zaletované pro pokusy, abych si mohl jemně nastavit kapacitu a ověřit si tak vliv na naladění. Nakonec tam zůstaly, protože se filtr krásně ladí na maximální potlačení. V kombinaci s pevnou kapacitou 10pF stačí jako trimr mít kapacitu 0-5pF.

Ladil jsem zprvu z jedné strany na maximum a pak druhou stranu na maximum, ale jakmile jsem filtr otočil a znovu změřil, tak hodnota původního nastavení klesla. Nastavení jedné strany tak ovlivní i druhou stranu. To je třeba mít na paměti.

Vyzkoušel jsem si i jak se bude měnit hodnota RL při připojení reálné zátěže 50R, při připojení pouze 10dB útlumového článku, nebo při úplném odpojení jakékoli zátěže na výstupu filtru. Měřil jsem impedančním můstkem. 10dB útlumové článek na bázi SMA spojky tak imitoval připojený další aktivní modul se vstupím RL -10dB. Pak jsem si ověřil odrazy i s připojeným aktivním prvkem, kde jsem použil zesilovač s PHA1+ a chovalo se to naprosto stejně, hodnota RL se prakticky vůbec nezměnila. Bylo jedno, jestli tam je 10dB útlumák, aktivní zesilovač, nebo reálná zátěž. Jen při úplném odpojení na výstupu se RL posunul kmitočtově.

Takhle se mi podařilo nastavit jednu stranu.

A takhle se mi podařilo nastavit druhou stranu.

Když si zkusil odpojit z výstupu 10dB útlumák, tak to odskočilo kmitočtově.

Znovu podotýkám, že se obě strany ovliňují a proto je třeba neustále otáčet filtr a postupně dolaďovat kapacitními trimry. Potlačení pomalu leze nahoru a v určitém okamžiku se zastaví a ovlivní druhou stranu natolik, že ta naopak leze dolů. V mém případě je potlačení na hranici -37dB respektive -39dB více než špičkové a je prakticky na SWR 1:1, takže maximální spokojenost.

Ve finále jsem zalil cívky včelím voskem a na tomto kmitočtu jeho vliv je nepodstatný. Ověřil jsem si znovu nastavení a sedělo, nebylo nutné cívky dostavovat.

Indukčnosti L2 a L3 jsem zprvu měl také jako vzduchové, vinuté na průměru 2,5mm stejným drátem o průměru 0,3mm, ale neustálé mačkání s roztahování závitů, ve snaze dosáhnou symetrii filtru, co nejlepšího průběhu a potlačení jsem sáhnul po 5mm kostřičce, měděném jádru a cívky namotal jako 10 závitů na průměru 5mm a rázem jsem mohl jemně ladit. Ve finále i tyto cívky jsem zalil včelím voskem.

Kdo by nevěděl kde ho vzít, tak stačí zajít do železářství, či do včelařských potřeb a tamprodávají desky formátu A4 jako jednotlivé listy do včelích úlů, stojí to pár korun a na fixaci cívek a tlumivek je to ideální materiál. Trochu zahřát pájkou a je to.

S kapacitou C5 jsem si vyhrál. Začínal jsem na kapacitě 18pF. Filtr byl na vrcholu poměrně širový, stejně tak charakteristika, ale menší průchozí útlum. Přidal jsem tedy ještě 15pF a rázem byl vrchol daleko střejší, stejně jako strmější křivka. Po přidání další kapacity 10pF se útlum filtr zvýšil o 1,5dB ale potlačení kleslo jen o 1dB, takže výsledná kombinace 18+15+10pF je ideální. Při této hodnotě je útlum filtru, včetně 3dB na vstupu a 3dB na výstupu celkově -14,5dB což lze snadno dohnat nízkošumovým aktivním prvkem za filtrem na požadovanou hranici 0dBm potřebnou pro další násobiče.

V tomto bodě je třeba ale zmínit ještě jednu skutečnost, týkající se šumů a násobení kmitočtu OCXO na vyšší frekvence. Na každou oktávu násobení, to jest násobení 2x se nám šum vlivem násobení zhoršuje o 6dB. Takže pokud se OCXO násobí 4x nahoru na požadovaných 404MHz pro uvažovanou MF u KV rádia 28MHz, tak se nám výsledný šum zhorší o hodnotu 12dB. To je třeba mít na paměti. To jen tak bokem, aby se nejásalo předčasně.

Filtr se podařilo doladit skutečně precizně na kmitočet 101.000MHz což dokládá další obrázek.

Sedí přesně tam, kde je třeba aby kmitočtově seděl.

No a nyní k vlastním výsledkům měření.

Zprvu jsem tak moc nadšený nebyl, když jsem viděl tu křivku.

Osázel jsem si křivku markery a nestačil se divit.

Pak jsem si ale uvědomil, že kmitočet OCXO vlastně násobím 4x nahoru, takže pro mne je podstatnější jen část z této celé křivky. Takže jsem si posunul začátek a konec kmitočtově a už to začínalo být o něco veselejší.

Ještě jsem si upravil REF LEVEL o hodnotu útlumu filtru a mohl se kochat hodnotami útlumů.

A rázem se to jeví jako veselejší, protože když se OCXO násobí 4x nahoru, zhorší se mi šum o 12dB, které je třeba odečíst od hodnot na obrázku, ale už od reálného kmitočtu na 70cm ve vzdálenosti 40kHz od našeho TX signálu je potlačení šumu 30-12 = 18dB což je reálně hodnota 3S na S metru u protistanice sedící vedle na kopci. No a při reálném odstupu na pásmu o 80kHz je již potlačení šumu 45-12 = 33dB což je více jak 5S na jejím S-metru. To vše z pohledu našeho možného rušení šumovým spektrem OCXO. Umožnit tak stanici vedle sedící na kopci poslouchat v závodě od nás rušení o 5S menší jí tak dává možnost poslouchat i stanice, které by jinak naším šumem vůbec v době našeho vysílání na hranici slyšitelnosti S5 vůbec neslyšela. A že tam takových stanic na pásmu je.

No a pokud by rozestup byl kmitočtově 100kHz, tak už potlačení na hranici 50dB je za hranicí aktivních prvků v oscilátoru našeho OCXO, protože i potlačování šumu má svoje hranice a fyzika se ohnout nedá. Nelze donekonečna potlačovat šum, lze ho jen omezit.

Ještě se mi dotalo upozornění, abych provedl měření, kde sweepovací čas posunu z ms na jednotky vteřin a znovu ověřil charakteristiku filtru. Což jsem udělal, ale tvar křivky se vůbec nezměnil, i když byl SWP nastaven na 5 vteřin. Sedí to pořád stejně.

Tento pokus s krystaly jako prvky pro krystalový filtr, který filtruje signál z OCXO v transvertorech tak dal jakýsi návod, či myšlenku, jak vylepšit svoje zařízení.

3RM