Блог инженера: Кварцевый полосовой фильтр

Одним из ключевых элементов супергетеродинного приёмника является фильтр промежуточной частоты. Чтобы перейти от приёмника прямого преобразования к супергетеродинному мне не хватает этого фильтра. В продаже доступны готовые кварцевые фильтры на 455 кГц и 10,7 МГц, но они предназначены для АМ или ЧМ (FM) вещания и полоса пропускания шире чем требуется для голосовой связи (SSB) и тем более телеграфной (CW). Есть ещё классические электромеханические фильтры (ЭМФ), но они сейчас редкость и стоят недёшево.

Альтернативой будет самостоятельная постройка кварцевого фильтра. Для начала нужно определиться с промежуточной частотой будущего приёмника. Я отталкивался от стоимости кварцев и удаления искомой частоты от какого-либо из диапазонов. Была выбрана частота 6,144 МГц - одни из самых дешёвых кварцев, которые я нашёл в БелЧип'е и эта частота находится не слишком близко к 7 МГц (диапазон 40 метров).

Купил пакетик кварцев (52 штуки обошлись немногим более 9 рублей или около 3 USD) и пронумеровал каждый из них для измерения и последующей сортировки.

Далее последовал вечер измерения параметров кварцевых резонаторов. Вначале записывал только частоту последовательного резонанса (Fs), но быстро заметил что кварцы стоит дополнительно сортировать по вносимым потерям (S21 LogMag в NanoVNA). При последующих расчётах добротности выяснилось что у кварцев с высокими потерями она достаточно низкая. Данные измерений заносил в таблицу (номер, частота последовательного резонанса, потери S21), далее сортировал её по частоте и отбрасывал кварцы с высокими потерями. Для нескольких кварцев измерил C0, Cm, Lm и Rm которые потребуются для моделирования фильтра. Тут было сделано предположение что у кварцев со схожей частотой и потерями будут схожие C0, Cm, Lm и Rm и было откровенно лень измерять каждый кварц для первого фильтра.

Посмотрел несколько статей по постройке фильтров и решил в качестве пробы пера сделать QER (Quasi-Equi-Ripple) лестничный кварцевый фильтр. Схему фильтра моделировал в Qucs-S

Первое же моделирование показало "кривую" АЧХ в полосе пропускания фильтра, которая является признаком несогласованности. Для определения сопротивления фильтра изменял сопротивление порта источника сигнала в модели от 50 до 600 Ом с шагом 50 Ом чтобы посмотреть как это влияет на АЧХ. По мере приближения к 300 Ом полоса пропускания начала выравниваться, а затем снова портиться по мере удаления от 350 Ом.

На 350 Ом видна склонность к формированию горба, поэтому зафиксировал 300 Ом как импеданс фильтра.

Для согласования по входу и выходу фильтра поставил сопротивления 240 Ом, которые из-за разброса ближе к 250 Ом и измерил АЧХ уже с помощью NanoVNA.

Уровень отличается из-за дополнительных сопротивлений, но форма АЧХ довольно похожа на результат моделирования.

После этого последовал довольно долгий процесс намотки и тестирования трансформаторов 1:6 для согласования 50 Ом тракта в 300 Ом фильтра. Для трансформаторов использовал ферритовые кольца 10х6х3 М400НН, а обмотки провод ПЭТВ-2 0,3 мм. Сам процесс стоит описать в отдельном посте чтобы перечислить грабли по которым пришлось пройтись из-за отсутствия теории.

Для компенсации пробела в знаниях устроил перекрёстный допрос ChatGPT и Gemini - пришлось сделать с десяток итераций пока результат стал похож на рабочий. Чтобы понять как на потери влияют сами трансформаторы включал их симметрично относительно друг друга (1:6 к 6:1) и измерял S21 LogMag, S11 LogMag и S11 Smith. В итоге пока остановился на варианте намотки когда 10 витков мотается бифилярно, а затем намотка продолжается одним из проводов ещё 14 витков. Получается две независимые обмотки на 10 и 24 витка, что примерно соответствует sqrt(600/50) которое требуется для трансформатора 1:6.

Результат -2,2 дБ или 1,1 дБ потерь на каждый трансформатор, это много, но пока не придумал как сделать лучше. Буду отдельно экспериментировать с вариантами намотки и потом заменю трансформаторы.