TX bandpass filter

Realizzazione dei W3NQN TXBPF

Uno dei problemi riccorrenti nelle attività HF multibanda e multioperatore, in particolare contest o attivazioni di referenze per diplomi, è l’interferenza reciproca tra le stazioni. Pur operando su bande diverse, i segnali trasmessi vanno a generare disturbi sulle bande adiacenti, più o meno accentuati in dipendenza della distanza tra le antenne e la combinazione di frequenze. I disturbi vanno ad interdire i ricevitori delle altre radio operanti in stazione, con la possibilità di causare danni ai circuiti elettronici o funzionamento anomalo. Il problema ovviamente si accentua con l’utilizzo di amplificatori.

Filtri Tx passa banda

Si evince, quindi, la necessità di ripulire il segnale del trasmettitore e, contestualmente, incrementare la selettività del ricevitore, adoperando sul segnale RF in antenna un filtro aggiuntivo passa banda, uno per ciascuna banda. Di qui nasce il progetto di Ed W3NQN, pubblicato sulla rivista QST nel ’98 con il titolo Clean up your signal with band-pass filters” part 1 [1] e part 2 [2]. W3NQN mette a punto e sperimenta una serie di filtri HF, specifici per la risoluzione del problema.

I filtri hanno il vantaggio di pulire il segnale trasmesso dalle armoniche, per evitare d’interferire con le stazioni adiacenti operanti su altre bande e viceversa proteggono il ricevitore da disturbi di intermodulazione o peggio ancora problemi di de-sensibilizzazione o guasti agli stadi del front-end. Sono pertanto indispensabili in quei contesti in cui si opera contemporaneamente su bande diverse. Sono dimensionati per una potenza di picco di 200 W e vanno collegati all’uscita del trasmettitore, prima di eventuali tuner o amplificatori. Attenzione a non utilizzare il filtro su una banda sbagliata o con alti valori di SWR, per evitarne il danneggiamento.

TX bandpass filter
TX bandpass filter

Schema elettrico

I filtri sono in configurazione passa banda Chebyshev, composti da tre celle risonanti e disponibili per le bande HF dei 160, 80, 40, 20, 15, 10 metri, ovvero quelle utilizzate nei contest. I risonatori paralleli d’ingresso e uscita sono uguali e gli induttori sono realizzati con avvolgimenti trifilari o quadrifilari per ottenere una reattanza più alta ed un Q elevato, portando l’impedenza rispettivamente a 450 ed 800 ohm. La presa intermedia dell’avvolgimento primario è opportunamente calcolata per riportare l’impedenza ai 50 ohm del trasmettitore. L’avvolgimento quadrifilare viene preferito, si ripiega sul trifilare per il filtro degli 80 metri per limitazioni legate al valore d’impedenza e sul filtro dei 20 metri perché si ottiene un’attenuazione migliore della seconda armonica. Tuttavia questa scelta progettuale complica le cose, perché si possono aggiungere o rimuovere multipli di quattro o tre spire, limitando lo step del valore d’impedenza ottenibile, ma si ottengono filtri con performance migliori.

Lo schema seguente riassume i dati salienti per la realizzazione. In particolare i valori da me utilizzati per i condensatori, il numeto di spire iniziale degli induttori e la frequenza centrale a cui ho tarato i filtri.

TX bandpass filter - Schema elettrico
TX bandpass filter – Schema elettrico

Elenco componenti

DescrizioneValoreQuantità
Nucleo toroidaleT130-1716
Nucleo toroidaleT130-64
Nucleo toroidaleT130-02
Nucleo toroidaleT106-02
Filo rame smaltatodiam. 1.25 mm15 m
Filo rame smaltatodiam. 1.0 mm18 m
Condensatore390p2
Condensatore240p3
Condensatore130p3
Condensatore120p2
Condensatore43p6
Condensatore36p1
Condensatore30p4
Condensatore24p3
Condensatore15p1
Condensatore12p1
Condensatore10p4
ConnettoreSO-23912
Scatola metallica100 x 60 x h55 mm6
ViteriaM3
TX bandpass filter – Elenco componenti

Note:

  • Nuclei toroidali Amidon o equivalenti;
  • Condensatori SMD multistrato in porcellana per applicazioni RF, tensione di lavoro 1000 V, ad esempio ATC serie 100B.

Realizzazione

TX bandpass filter
TX bandpass filter

Condensatori

In alcune realizzazioni ho visto grande attenzione alla selezione di condensatori di precisione e con valori non commerciali difficilmente reperibili, ma dalle prove che ho effettuato non ho riscontrato variazione nell’aggiungere o togliere qualche picoFarad al valore di capacità previsto dal progetto. Quindi ho preferito utilizzare condensatori SMD in porcellana, specifici per applicazioni RF, con tensione di lavoro di 1000 – 1500 V, bassa tolleranza, alto Q, molto stabili e facilmente reperibili in un buon range di valori. Dove necessario sono utilizzati a coppie, sul PCB è possibile montare in parallelo fino a tre condensatori per ciascuna cella risonante.

Induttori

TX bandpass filter - Induttanze
TX bandpass filter – Induttori

Per l’avvolgimento degli induttori armatevi di tanta pazienza e dita robuste. E’ un lavoro lungo e faticoso. Sul manuale di Bob 5B4AGN [4] la sequenza di costruzione degli induttori è ben documentata.

L1, L3

Gli induttori L1 ed L3 sono composti da due avvolgimenti, primario e secondario. Nella tabella seguente sono riassunte le informazioni per la realizzazione. La lunghezza del filo è indicativa, prendere un po’ di margine. L’induttanza è misurata sul primario, alla frequenza centrale della banda di lavoro dell’induttore. Cominciare avvolgendo il primario, con le spire ben distribuite lungo il nucleo, quindi ripetere il processo tre o quattro volte per il secondario, ricalcando con ordine le spire passate in precedenza per il primario.

InduttoreNucleoSpireFilo (diam x lung) [mm]Induttanza primario [uH]
160m – L1, L3T130-610 + 30 quadrifilare1.25 x 50 +
1.00 x 125
1.10
80m – L1, L3T130-1711 + 22 trifilare1.25 x 50 +
1.00 x 85
0.61
40m – L1, L3T130-177 + 21 quadrifilare1.25 x 35 +
1.00 x 90
0.29
20m – L1, L3T130-175 + 10 trifilare1.25 x 30 +
1.25 x 45
0.18
15m – L1, L3T130-05 + 15 quadrifilare1.25 x 30 +
1.25 x 65
0.11
10m – L1, L3T106-04 + 12 quadrifilare1.25 x 20 +
1.25 x 50
0.08
L1, L3

L2

L’induttore L2 è suddiviso su due nuclei L2a ed L2b. Nella tabella seguente sono riassunte le informazioni per la realizzazione. L’induttanza è misurata alla frequenza centrale della banda di lavoro dell’induttore. La lunghezza del filo è indicativa, prendere un po’ di margine. L’induttanza è misurata alla frequenza centrale della banda di lavoro dell’induttore. Avvolgere le spire ben distribuite lungo il nucleo, facendo attenzione a non perdere il conto. Le spire vanno avvolte nel verso opposto di quanto fatto per L1 ed L3, per minimizzarne l’accoppiamento mutuo.

InduttoreNucleoSpire inizialiFilo (diam x lung) [mm]Induttanza [uH]
160m – L2aT130-6381.00 x 16014.6
160m – L2bT130-6371.00 x 16013.9
80m – L2aT130-17371.00 x 1505.9
80m – L2bT130-17351.00 x 1505.4
40m – L2aT130-17301.00 x 1304.1
40m – L2bT130-17291.00 x 1303.8
20m – L2aT130-17191.25 x 801.6
20m – L2bT130-17181.25 x 801.5
15m – L2aT130-17191.25 x 801.7
15m – L2bT130-17181.25 x 801.5
10m – L2aT130-17151.25 x 651.1
10m – L2bT130-17131.25 x 650.8
L2

I due induttori che compongono L2 sono realizzati con qualche spira più del necessario, che in fase di taratura verranno eliminate per trovare il valore ottimale.

PCB

TX bandpass filter - PCB
TX bandpass filter – PCB

Sebbene sia possibile montare i componenti in aria, avendo utilizzato condensatori SMD e per rendere la realizzazione più semplice e ordinata, ho disegnato un apposito PCB, dimensioni 100 x 56 mm. In verità sarebbe stato meglio disporre di più spazio, per tenere ad una distanza maggiore i nuclei, ma mi sono dovuto adeguare alle dimensioni dei contenitori che ho reperito.

Scaricare qui il file pdf per la realizzazione del TXBPF PCB.

TX bandpass filter
TX bandpass filter

Taratura

La taratura è un’operazione molto lunga da eseguire per step successivi e con la strumentazione adeguata. In particolare occorre un VNA oppure un analizzatore scalare o un analizzatore di spettro con generatore tracking. Non disponendo di tale strumentazione si potrebbe optare per metodi alternativi e meno precisi, utilizzando ricetrasmettitore e ROSmetro. Il processo di taratura e i metodi di misura sono descritte in dettaglio sul manuale di Bob 5B4AGN [4].

In pratica si tratta di agire sulle spire dei nuclei, distanziandole o avvicinandole tra loro, per portare la frequenza di risonanza, di ogni singola cella LC componente il filtro, al valore desiderato. Ricordarsi che su L2a sono state aggiunte delle spire in più che probabilmente andranno rimosse, ma servono inizialmente per avere un po’ di margine nel caso in cui le caratteristiche dei nuclei utilizzati non siano esattamente pari a quanto riportato a datasheet.

Sebbene per il filtro dei 10 metri sia suggerito l’allineamento alla frequenza centrale di 29.200 MHz, ho ottenuto risultati migliori in termini di return loss tarando a 28.840 MHz.

Misure

Nei plot sono riportate le misure di insertion loss e return loss dei filtri che ho realizzato.

E la tabella seguente ne riassume i dati salienti.

Banda [m]CF [MHz]IL [dB]RL [dB]BW @-0.1dB [kHz]
1601.9000.239290
803.6500.227680
407.1500.3231040
2014.1750.3192400
1521.2250.6152010
1028.8400.7133370
TX bandpass filter – Caratteristiche

Conclusioni

La costruzione e taratura dei filtri ha richiesto diversi mesi di lavoro, ma lo sforzo è stato premiato dagli ottimi risultati. In particolare con alcuni amici avevamo cominciato a partecipare ai contest nella categoria multioperatore singolo trasmettitore, con gravi problemi di disturbi sulla stazione multiplier da parte della runner. Successivamente, con l’utilizzo di questi filtri, i problemi si sono risolti, pur avendo antenne distanziate di pochi metri.

Lo step successivo per una stazione multi-singolo o singolo operatore – due radio, sarebbe quello di costruire un banco completo di filtri per ogni postazione, dotandolo di commutazione automatica di banda, vedere il progetto di Bob 5B4AGN [4]. Nel caso di una stazione multi-multi è sufficiente disporre di un solo set di filtri, in quanto si hanno trasmettitore ed antenna dedicati per ciascuna banda.

Esempi di altre realizzazioni, impressioni di utilizzo e misure li trovate ai link indicati tra i riferimenti e cercando TXBPF sui motori di ricerca.

Chi non avesse modo di realizzare in proprio i filtri, può far riferimento alla versione commerciale, prodotta dalla Array solutions [7] o soluzioni simili di altri marchi.

Riferimenti

  1. Ed Wetherhold W3NQN, Clean up your signal with band-pass filters – Part 1, QST May 1998;
  2. Ed Wetherhold W3NQN, Clean up your signal with band-pass filters – Part 2, QST June 1998;
  3. Allen KG4JJH, Contest bandpass filters, build a set of W3NQN filters for multi-operator contesting;
  4. Bob 5B4AGN, TXBPF Groups.io;
  5. Jeff AC0C, 5B4AGN band pass filter modules;
  6. George M1GEO, 5B4AGN TXBPF HF bandpass filters;
  7. Array solutions, W3NQN band pass filters.

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