Filtro 1296MHz – RR

Filtro interdigitale per 1296MHz

Introduzione

Chi opera sulla banda dei 23cm deve spesso difendersi da interferenze di altri servizi su frequenze adiacenti. I “diversamente giovani” come me, sicuramente ricorderanno il problema dei radar aeronautici che negli anni '80 e '90, in alcune aree, imperversavano rendendo difficile la ricezione.

Ancor oggi però la situazione non è completamente risolta e problemi possono nascere (come nel mio caso ad esempio) per la banale vicinanza con una BTS di telefonia.

Come è possibile però che frequenze (900 e 1800MHz) così apparentemente distanti provochino difficoltà operative a chi lavora a 1296MHz?

La risposta sta nel tipo di front-end o primo stadio del ricevitore e nella larghezza di banda delle antenne.

Vediamo anzitutto il capitolo antenne: yagi o paraboloidi che siano, sono sensibili anche a frequenze differenti da quelle di progetto. Misure su alcune in mia disponibilità hanno mostrato come di fatto siano paragonabili, in quanto ad efficienza, a un dipolo per le frequenze di telefonia. Se ci troviamo a 300m da una normale BTS, significa portare all'ingresso del ricevitore potenze anche superiori ad 1mW di segnali telefonici! Questo non agevola di certo il funzionamento lineare del primo stadio del ricevitore.

I front end (compatti o transverter che siano), molto spesso sono ottimizzati per il minor rumore. Tutto bene fin qua, se non fosse che questo porta con sé nei dispositivi non recentissimi, la necessità di avere un accoppiamento a larga banda fra antenna e primo dispositivo attivo. Oggi in verità, vari componenti attivi moderni riescono ad offrire basso rumore e alta dinamica anche quando abbinati ad una rete di filtro abbastanza selettiva, cosa non possibile in passato.

Tornando al nostro caso, quello cioè di disporre di un front end a larga banda in vicinanza di trasmettitori TV, GSM, UMTS, etc. l'unica soluzione praticabile è installare a monte dello stesso un filtro che riduca il livello dei segnali estranei al nostro interesse senza introdurre significative perdite.

Viste le frequenze in gioco, una soluzione semplice, ripetibile e dalle buone prestazioni è un filtro “interdigitale”.

Un pizzico di teoria

Un filtro interdigitato non è altro che una particolare versione dei filtri basati su serie di celle LC, risonanti e accoppiate, come schematizzato nell'immagine seguente.

 

Illustrazione 1: Filtro 3 celle LC. Nel caso del filtro presentato le induttanze sono costruite con tronconi di linea di trasmissione e i condensatori di taratura con viti a passo fine.

Questo tipo di filtri realizzati fin dagli albori della radiotecnica con condensatori e induttanze, al salire delle frequenza ha un limite fisico nelle dimensioni e valori dei componenti da utilizzare: non è possibile miniaturizzarli oltre un certo limite. Inoltre al diminuire della lunghezza d'onda le perdite dei consueti componenti discreti assumono valori importanti, tali da introdurre perdite di inserzione significative e scadimento del fattore di merito del filtro stesso.

La soluzione è quindi sostituire le bobine e i condensatori variabili con elementi meccanici ​​ di lunghezza opportuna, che rappresentano tratti di linee di trasmissione. Se ben realizzata, questa soluzione ovvia a molti dei limiti sopra citati.

Una ottima referenza per il progetto e dimensionamento di queste strutture è quella messa a disposizione da Alexander C. Frank, alias Ajarn Changpuak a questo link:

http://www.changpuak.ch/electronics/interdigital_bandpass_filter_designer.php

Un minimo di messa a punto sul prodotto finale è prevedibile, ma la base di partenza è ottima e la simulazione on-line attendibile.

Elenco materiali

Per la costruzione di questo filtro servono indicativamente i seguenti materiali con eventuali opzioni:

#

descrizione

quantità

Note, opzioni

1

Profilato alluminio sezione rettangolare 8x20mm

300mm

Misura indicativa compresi i tagli, alternativa tubo ottone

2

Viti 6MB

3

 

3

Tubo ottone, dia 6,5mm

20mm

Misura indicativa compresi i tagli,

4

Connettori N flangia piccola

2

 

5

PCB doppia faccia 72x140mm

2

O lamiera di rame o ottone spessore 1mm

6

Dado 6MB

3

 

7

Tondino alluminio dia 10mm

120mm

Misura indicativa compresi i tagli, alternativa materiali: ottone, rame

8

Nastro rame

 

Per le opzioni, vedi testo

9

Viti 3MA x 6

26

In ottone

La struttura meccanica

Prima di iniziare ad acquisire i materiali e a tagliarli, è bene vedere la struttura meccanica da realizzare in modo da rendersi conto delle eventuali difficoltà e possibili varianti da introdurre.

Una vista 3D schematica è riportata nell'illustrazione seguente:

Illustrazione 2: Vista 3D del filtro presentato. In rosso le connessioni di ingresso ed uscita, in giallo i tre risuonatori e in marrone le viti di taratura (elementi capacitivi)

Note costruttive

L'assemblaggio delle parti è abbastanza semplice e non richiede attrezzature da “officina meccanica”. E' importante fare tutto con cura e assicurare ottimi contatti fra le parti curando bene la planarità delle superfici e l'assenza di ossidazione.

Le misure delle varie parti sono indicate nel disegno quotato seguente:

Illustrazione 3: Disegno 2D quotato del filtro presentato

E' possibile modificare un poco la distinta dei materiali impiegati secondo la propria disponibilità e capacità meccanica, nonché costo finale del filtro.

Volendo e potendolo fare, il meglio sarebbe creare il tutto in un contenitore monolitico fresato dal pieno, con tutte le parti interne (pareti, risuonatori, etc.) argentate. Ma come vedremo nel seguito anche adattandosi a soluzioni più economiche i risultati raggiungibili sono tutt'altro che disprezzabili.

Vediamo nelle immagini seguenti l'aspetto del filtro finito, poco prima della chiusura dell'involucro.

Illustrazione 4: Vista superiore del filtro una volta completato (senza coperchio). In alto i connettori

Illustrazione 5: Vista prospettica del filtro con in evidenza le linee di accoppiamento e i risuonatori con le viti di taratura

Misure e prestazioni

Vediamo ora come si comporta questo filtro, usando la mia personale realizzazione, abbastanza economica dopo una messa a punto e taratura “adeguata ma non paranoica”. Interessante notare come simulazione e dati misurati siano abbastanza concordanti, a meno delle incertezze di misura. Il peggioramento delle prestazioni nel caso reale rispetto a quello ideale della simulazione è dovuto all'uso di materiali/costruzione “povera”. Corpo e risuonatori ottenuti dal pieno e completamente argentati avrebbero sicuramente avvicinato ulteriormente pratica e teoria, in particolare riducendo le perdite di trasmissione ed elevando il Q con miglior attenuazione fuori banda.

 

Misura

Note

Misura di perdita di inserzione attorno alla frequenza di lavoro

  • @ 1296 solo 0,27dB!

  • Banda passante a -3B pari a 92MHz

Misura di perdita di inserzione da o a 3GHz

  • attenuazione a 900 MHz pari a 45dB

  • attenuazione a 1800 MHz pari a 50dB

  • nessuna risposta spuria significativa

Adattamento attorno alla frequenza di lavoro

  • @ 1296 MHz ben -24dB

  • @ 1299 MHz oltre -40dB

Adattamento da 0 a 3 GHz

  • nessuna risposta spuria

  • adattamento molto stretto attorno alla frequenza di lavoro

 

Molto interessante anche il valore del return loss, di ottimo livello nella banda utile e senza risposte spurie al di fuori, anche a frequenze molto lontane da quella di lavoro.

Conclusioni

Ancor oggi l'utilizzo di un filtro specifico per chi lavora a frequenze oltre il GHz può essere un buon viatico per ridurre gli effetti di interferenze da altri servizi e non di meno, se posto sulla catena di trasmissione, può attenuare le nostre emissioni spurie (armoniche e oscillatore locale in primis). La struttura presentata è abbastanza semplice da essere replicata con mezzi casalinghi e le prestazioni sono ben prevedibili. Non ultimo, questo filtro può essere facilmente scalato su altre frequenze per differenti impieghi e servizi.

Bibliografia

http://home.deib.polimi.it/macchiar/microondeI/lucidi/ApproccioDimensionamentoFiltriMicroonde.pdf

http://www.changpuak.ch/electronics/interdigital_bandpass_filter_designer.php

http://www.filter-solutions.com

 

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