Il filtro UFQ

Sarebbe bello avere sempre tanto spazio per le proprie antenne in modo da tenerle spaziate fra loro e così facendo evitare che quando si trasmette con una si rischi di saturare o peggio danneggiare il ricevitore collegato ad un’altra.

Purtroppo, raramente questo è possibile all’OM medio di oggi, spesso costretto a compromessi e spazi ristretti: possono quindi insorgere difficoltà da superare per far coesistere in spazi ristretti più antenne ed apparati.

Ipotizziamo ad esempio di avere un solo palo disponibile e voler sia fare traffico in onde corte sia operare a larga banda dall’FM in su. Una possibile soluzione è utilizzare una verticale con accordatore automatico alla base per le HF montata in cima al palo e lungo lo stesso supporto, posizionare per mezzo di una “U”, un paio di antenne per le V-UHF quali ad esempio una collineare ed una discone. Sistema sicuramente di compromesso, ma compatto e spesso unica o quasi soluzione percorribile in quei casi. La situazione non cambia sostanzialmente se pur disponendo di più supporti, gli stessi non si possono essere posti ad adeguata distanza fra loro.

Con questa configurazione vi è il rischio che quando si trasmette in onde corte, una quantità non trascurabile del proprio segnale sia captata dalle antenne per le frequenze superiori e viceversa.

Ora è verosimile che un ricevitore di buon livello per V-UHF sia dotato all’ingresso di un filtro passa alto (tale da rendere insensibile il front end a segnali a frequenza inferiore alla propria banda utile) ma la supposizione non è scontata se consideriamo apparecchi di classe economica o magari SDR a larga banda, magari di minimo costo ed ingombro quali gli ormai classici “dongle” USB.

Oltre al problema, magari tollerabile, di “autodisturbarsi” la ricezione delle V-UHF quando si fa traffico in onde corte, vi è anche da valutare l’aspetto affidabilistico, cioè la possibilità di arrecare danno alle nostre radio riceventi.

La stima sulla carta degli accoppiamenti fra antenne su diverse bande è affare complesso e necessita per una attendibile valutazione a calcolo una precisa conoscenza di molti parametri fisici del sistema considerato, difficilmente disponibili nella realtà. Più percorribile è l’opzione di misurare direttamente il sistema con uno dei modi seguenti:

• usando il proprio trasmettitore come generatore ed un bolometro o un analizzatore di spettro come ricevitore

• usando un analizzatore di reti, anche solo scalare

Qualcuno a questo punto si potrà domandarsi come mai la preoccupazione per il rientro di RF sia solo nel verso dalle decametriche alle V-UHF e non anche viceversa? La domanda non è affatto pleonastica e provo ad esprimere alcune motivazioni:

- in genere, nelle stazioni “domestiche compatte”, in HF si ha più potenza (almeno 100W, sovente di più) che nelle bande superiori (10-50W)

- quasi sempre un apparato HF ha un buon front end, la cui prima sezione integra un filtro passa basso

Quanto sopra sono valutazioni e ipotesi del tutto generali e potrebbero essere sconfessate da organizzazioni differenti della propria stazione radio. Pensiamo ad esempio a chi magari fa traffico HF in QPR e in luogo dei 100W ne usa solo 1 o massimo 10. Oppure chi trasmette con 100W in 2m e ascolta con una “chiavetta” le HF. Ogni caso va quindi analizzato con cura, ma lo scopo di questo studio non è coprire ogni situazione e combinazione possibile ma condividere idee generali su come approcciare il tema.

Due casi reali

Per studiare, valutare e documentare la situazione almeno in un paio di scenari tipici, ho utilizzato sia la mia stazione sia quella dell’amico Fabio, IZ4UFQ.

La mia stazione

è composta da una verticale Mosley con accordatore alla base con cui opero dai 160 ai 10m, una verticale bibanda Diamond X-300 per 144 e 430MHz posta a circa 3m e una discone a circa 5m dall’antenna HF, il tutto su tre supporti indipendenti ma ravvicinati sul tetto.

Per valutare quanta della potenza trasmessa in decametriche rientra in stazione tramite le due antenne per le bande superiori, ho eseguito la misura impiegando i 100W del mio FT847 e l’analizzatore di spettro, ottenendo i seguenti risultati:

Figura 1: Andamento in funzione della frequenza dell'isolamento fra le antenne

Nella seconda e terza colonna è indicato il valore in dBm della potenza ricevuta quando in trasmissione con 100W (50dBm) e nella quarta e quinta colonna è riportato l’isolamento (o attenuazione) misurato fra l’antenna trasmittente e quelle riceventi.

Dai risultati si può vedere come la collineare bibanda soffra meno il problema del rientro nonostante sia più vicina all’antenna trasmittente ed abbia una estensione verticale maggiore. La discone appare invece più prona a raccogliere segnali anche molto fuori dalla sua banda utile, con un picco di quasi 200mW in 15m. Un valore importante su cui ragionare.

La stazione di Fabio

in modo analogo alla mia, è composta da una antenna verticale di 12m con accordatore alla base per le HF con cui opera dagli 80 ai 6m, da una collineare Diamond X-5000 e da una discone SD2000 della Sirio, il tutto su due supporti indipendenti posti a circa 3m l’uno dall’altro.

Con il suo setup, ha misurato la potenza ricevuta dalle antenne V-UHF quando in trasmissione a piena potenza (100W) nelle bande decametriche, ottenendo i seguenti risultati:

Figura 3: Andamento in funzione della frequenza dell'isolamento fra le antenne

Anche in questo caso, indiscutibilmente l’antenna discone appare più “sensibile” rispetto alla collineare, raccogliendo una frazione talora significativa del segnale emesso. In 10 e 6m, uscendo coi classici 100W, si ricaptano ben 400-700mW con la l’antenna a larga banda e fino a 100mW con la collineare tribanda.

Dai rilievi effettuati appare quindi evidente come la potenza rientrante possa raggiungere livelli pericolosi o comunque tali da porre serio nocumento alla ricezione. La soluzione più semplice e forse più istintiva è realizzare un opportuno filtro passa alto da anteporre ai ricevitori V-UHF specie quando accoppiati ad antenne a larga banda.

Il filtro

Prima di partire con la progettazione del filtro passa alto, vediamo una breve presentazione delle tipologie maggiormente diffuse con le loro caratteristiche tipiche senza entrare in dettagli matematici. Per chi volesse approfondire tale aspetto, può trovare ampie fonti nella copiosa bibliografia in calce all’articolo.

Figura 4: Pagina di configurazione del tool on line di progettazione e simulazione filtri RF

Mettendo in grafico le parole, possiamo riassumere i comportamenti dei filtri prima menzionati come segue, simulando un generico filtro passa alto del quarto ordine con taglio a 100MHz correttamente alimentato e terminato su 50 Ohm. Per realizzare questa tabella comparativa mi sono avvalso dell’aiuto dell’ottimo sito: https://rf-tools.com/lc-filter/

Chebyshev (tipo 1)	Ellittico	Butterworth

Inverse Chebyshev (o Tipo 2)	Bessel	Legendre

Un caso pratico

Terminata l’introduzione teorica, vediamo come mettere in pratica quanto appreso.

Utilizzando il tool on line sopra menzionato, proviamo a progettare un filtro passa alto il più semplice (pochi componenti) possibile che attenui almeno una trentina di dB la banda dei 10m. Dopo alcuni aggiustamenti ho sintetizzato il filtro riportato a fianco: un Chebyshev del terzo ordine con taglio a 127MHz, imponendo la scelta dei valori dei componenti fra quelli disponbili commercialmente nelle serie E12.

Sotto allo schema potete vedere la sua simulazione, sia come trasmissione (S21) sia come adattamento (S11). Sostanzialmente il filtro così dimensionato risponde ai requisiti di attenuare almeno una trentina di dB tutte le banda HF, avere perdite ridotte e un adattamento sufficiente dai 144MHz a salire. Definita l’architettura del filtro e i valori dei componenti, ho realizzato il primo prototipo che

Figura 6: Primo prototipo del filtro passa alto

per quanto di pessimo aspetto è risultato utile per le verifiche strumentali ed i primi test sul campo.

Per la costruzione ho impiegato un ritaglio di circuito stampato con alcune piazzole e un buon piano di massa. I componenti sono SMD per comodità e compattezza di montaggio. Non avendo immediatamente disponibile l’induttanza da 56nH, ne ho impiegate due da 100nH (visibili affiancata nell’immagine) collegate in parallelo. Il risultato così ottenuto non è affatto disprezzabile come visibile nella misura all’analizzatore di reti riportata a fianco.

La banda dei 6m (o 50MHz) è attenuata di oltre 20dB mentre la perdita nelle bande dei 144 e 430MHz è contenuta. Il montaggio un po’ improvvisato ed i componenti di recupero incidono invece visibilmente sulla risposta oltre il GHz, con una perdita non proprio ridotta.

Per fortuna, con un po’ più di cura nel montaggio e nella scelta dei componenti, in particolare dell’induttanza, è possibile migliorare le prestazioni in modo apprezzabile.

Nel secondo prototipo realizzato, ho impiegato una linea a 50Ohm su circuito stampato, recuperato da una serie di attenuatori (descritta ed analizzata in altro numero della rivista) e già dotata di una coppia di connettori SMA. Per l’induttanza ho scelto un componente singolo del valore richiesto e con una frequenza di autorisonanza oltre i 3GHz. I risultati non si sono fatti attendere, con una drastica riduzione delle perdite fino al limite superiore d’utilizzo previsto e un miglior adattamento in banda utile.

Figura 8: Immagine del secondo prototipo di filtro

Figura 9: Curva di risposta del secondo prototipo di filtro. Notare le perdite molto ridotte anche a frequenze elevate

Figura 10: Curva adattamento d'impedenza del secondo prototipo. Notabile il miglioramento su tutta la banda utile.

Conclusioni

La problematica affrontata è verosimilmente diffusa presso molte stazioni, fortunatamente la soluzione non è particolarmente onerosa da progettare e realizzare. I test sul campo col secondo prototipo hanno dimostrato la validità ed efficacia del filtro, permettendo ascolti indisturbati dai 2m a salire anche quando in trasmissione sulle bande HF. Come anticipato, ogni situazione fa un po’ caso a sé, ma credo che le linee guida condivise qua possano essere di buon sussidio per tutti. Questo detto, un grazie a Fabio per avermi portato all’attenzione il tema appena discusso e collaborato a lungo nelle misure. E buoni filtri a tutti.

Bibliografia

https://www.reddit.com/r/amateurradio/comments/yjft75/ic_r8600_risk_of_damagin_the_receiver_from_nearby/

https://rf-tools.com/lc-filter/

https://www.unica.it/static/resources/cms/documents/1.IntroduzioneFiltri.pdf

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