A KISS duplexer RKE06.2011

A K.I.S.S. Duplexer

FM-70cm

…ci sono momenti nella vita di ogni radioamatore dove lo spazio per le antenne sembra non essere sufficiente…

Talvolta il problema è installare la nuova monobanda per il 160m, talvolta il problema è molto più piccolo ma non per questo meno interessante.

Nel mio caso, la situazione da risolvere era quella di offrire una antenna sia all’autoradio sia al veicolare in 70cm.

L’APE con il suo minuscolo tettuccio non lascia molte possibilità di installazione…

Purtroppo lo spazio limitato sul tetto del mio “pick-up” non permetteva l’installazione di due antenne separate… quindi serviva qualcosa per condividere l’unica installata.

Volendo investire poco tempo nella soluzione del problema, mi sono orientato verso un approccio “K.I.S.S.” acronimo dei seguenti motti: “Keep it simple, Stupid! (fallo semplice, stupido!)”, “keep it short and simple (falla breve e semplice)” e “keep it simple and stupid (fallo semplice e a prova di stupido)”oppure “keep it simple and straightforward (fallo semplice e diretto)” Qualunque sia l’acronimo scelto, il concetto di fondo nell’approccio KISS è che la semplicità è uno degli obiettivi chiave del progetto e che ogni complessità non necessaria deve essere assolutamente evitata.

Il diplexer

Il dispositivo che permette di condividere la stessa antenna fra più utenze operanti a frequenze diverse è noto in radiotecnica come diplexer.

Altro non è che una serie di filtri, progettati in modo tale che ogni radio “veda” l’antenna (e viceversa), ma al tempo stesso le utenze risultino “isolate” fra loro.

Il “KISS” progetto

è possibile basare il progetto di un diplexer standard su una serie di filtri Butterworth terminati singolarmente. Nel caso di un dispositivo a tre porte (una comune, un passo alto ed un passa basso) se ogni sezione è correttamente progettata e terminata, allora l’impedenza vista sulla porta comune è costante a tutte le frequenze.

Vediamo lo schema generico per un dispositivo a tre porte:

La scelta del numero di celle di ogni sezione è guidata dalla ripidità del taglio a fine banda utile che si traduce nell’attenuazione incrociata fra le porte.

Seguendo questo approccio, il dimensionamento dei componenti è molto facile, basandosi sulle tabelle seguenti (precalcolate e normalizzate ad ω=1 e R₀=1 ed n=numero di componenti per sezione):

n	L1	C2	L3	C4	L5	C6	L7	C8	L9	C10
1	1
2	1,41	0,71
3	1,5	1,33	0,5
4	1,53	1,58	1,08
5	1,55	1,69	1,38	0,38	0,31
6	1,55	1,76	1,55	0,89	0,76	0,26
7	1,56	1,8	1,66	1,2	1,06	0,66	0,22
8	1,56	1,82	1,73	1,4	1,26	0,94	0,58	0
9	1,56	1,84	1,78	1,62	1,4	1,14	0	0,52	0
10	1,56	1,86	1,81	1,69	1,51	1,29	1,04	0	0	0

Proviamo ad applicare questa guida al nostro problema, imponendo come frequenza di taglio del passa basso 120 MHz, del passa alto 400 MHz e l’impedenza caratteristica pari a 50 Ohm per il ramo del transceiver e pari a 75 Ohm per l’autoradio.

Per trasformare i valori normalizzati in tabella in quelli necessari per il nostro progetto, per ogni i-esimo componente si applicano le seguenti formule:

Rammentiamo come la pulsazione ω sia legata alla frequenza secondo la formula:

Per non complicarci (troppo) la vita, limitiamo a tre gli elementi di ogni filtro.

Applicando i dati tabulati e le formule sopra descritte, otteniamo il seguente circuito:

A sinistra troviamo lo schema coi valori normalizzati presi dalla tabella, a destra i valori dei componenti reali calcolati dai dati prima definiti.

Il limite della semplicità dei soli tre componenti per ramo è l’isolamento non particolarmente elevato fra trasmettitore ed autoradio, che potrebbe portare a qualche disturbo nella ricezione. Senza complicare troppo le cose, è possibile modificare come segue il circuito, per migliorare questo aspetto:

Dove:

• i valori dei componenti sono stati arrotondati a valori commerciali

• è stato aggiunto un filtro notch a 430 MHz sul ramo “autoradio” per alzare il valore di isolamento verso il trasmettitore

• è stato “aggiustato” il valore di C1 per compensare la modifica sull’altro ramo

La frequenza esatta di notch della nuova cella filtrante vale:

La KISS realizzazione

Dopo queste belle premesse, occorre finalizzare il progetto con una realizzazione altrettanto semplice.

Abbandoniamo quindi circuiti stampati complessi e bobine da avvolgere e tarare!

Lato “autoradio”: sulla destra il “sandwich” LC del notch

Vista generale lato componenti, notare le piste incise

Data la estrema semplicità (voluta) dello schema il circuito può trovare costruzione su di un comune ritaglio di vetronite (FR4) a doppia faccia, spessore 1,6mm, con incise 3 piste a 50 Ohm (larghe 2,9mm circa) agli estremi delle quali si monteranno i connettori. Le piste sono “incise” nel vero senso della parola: con l’aiuto di un buon cutter o del consueto Dremel e di un piccolo disco da taglio o fresa, si realizzano dei sottili tagli fra la parte in rame che dovrà diventare pista di segnale e la superficie circostante che sarà piano di massa assieme all’altra faccia del supporto. Non dimenticare di interrompere le piste per almeno 2mm nelle posizioni ove collocheremo i componenti serie. Condensatori ed induttanze sono tutti SMD di “comune mercato” (godiamoci il fatto di aver progettato con valori prossimi a quelli commerciali!) di buona qualità, quali ad esempio quelli prodotti da ATC.

L2 e C4 che costituiscono il notch, sono montati uno sull’altro, con il condensatore in appoggio al circuito stampato, il tutto come visibile nella foto a fianco.

È importante che le saldature dei componenti siano pulite, solide e con la giusta quantità di lega saldante. Un esempio di come dovrebbero apparire è visibile nella fotografia di seguito:

Lato “70cm”: notare l’aspetto delle saldature

Connettore F: notare le saldature anche sul lato connettore

Come connettori ho impiegato due BNC ed un F, tutti per montaggio a stampato, per compatibilità coi cavi coassiali già disponibili. Nulla vieta ovviamente di adeguarli ai propri bisogni, facendo sempre attenzione di saldarli da ambedue i lati del PCB per garantire la corretta chiusura per la radiofrequenza dei due piani di massa.

In alternativa, se questa tecnica non fosse attuabile, occorrerà “cucire” i due piani con alcuni rivetti o soluzione equivalente.

Le misure

Fatto, finito? Perché non misurarlo allora?

Vediamo ora come si comporta il diplexer appena realizzato schematizzando il sistema come segue:

Le tre misure più importanti per questa applicazione sono:

• return-loss (SWR) visto dal trasmettitore a 430 MHz

• quanta potenza trasmessa arriva all’ingresso dell’autoradio

• quanta potenza a 430 MHz arriva all’antenna (e viceversa viene ricevuta)

Return loss alla porta trasmittente ed isolamento verso il ricevitore	SWR visto dal transceiver ed attenuazione verso l’antenna

Le misure, i cui grafici sono riportati in tabella, mostrano i seguenti valori:

• circa 15dB di return loss (SWR 1,5) sulla porta trasmittente

• oltre 60dB di isolamento verso l’autoradio

• 0,4dB di perdite fra ricetrasmittente ed antenna

Conclusioni:

Abbiamo visto come con semplicità ed un pizzico di fantasia si possa risolvere un problema ben comune. Il circuito è facilmente scalabile per altre frequenze e la sua costruzione risulta compatta, veloce e semplice.

Le prestazioni sono buone e soprattutto non richiede alcuna taratura!

Beh… buon lavoro allora!

73, Pierluigi

Bibliografia

Rick Karlquist, Diplexer design notes, Nov. 13, 2002

en.wikipedia.org/wiki/KISS_principle

www.n6rk.com/

www.rfmicrowave.it