Filtro anti FM per apparati V-UHF low cost
Introduzione
Negli ultimi anni il mercato degli apparati amatoriali per V-UHF ha visto affacciarsi una quantità di produttori cinesi (ad esempio QYT, Baofeng, etc.), con apparati interessanti e spesso dal costo molto contenuto, sia palmari sia veicolari.
La qualità in generale è accettabile per la classe di prezzo. Dove veramente hanno difficoltà è la sensibilità sul campo, specie in aree soggette a forti segnali FM, così come ad esempio presentato e spiegato ad esempio su queste pagine nel numero di gennaio 2019.
Al di là delle reali capacità dinamiche del loro front-end, il problema è ingigantito dalla copertura in ricezione anche della banda FM 88-108MHz. Se da un lato questo permette l’utilizzo di questi apparati come “radio da compagnia” dall’altro, la mancanza di un adeguato filtro ne sancisce la desensibilizzazione specialmente quando impiegate in banda 144-146MHz, riduzione di sensibilità che può raggiungere anche le decine di dB.
Ipotesi di soluzioni
La soluzione d’elezione in questi casi, si chiama filtro escludi banda (notch) e visto che parliamo di apparati compatti ed economici dovrà essere esterno e di costo molto contenuto. La soluzione più immediata è una rete composta di un solo condensatore e induttanza, in serie fra loro e in parallelo alla linea d’antenna, il tutto risonante a 98MHz. Un modo comodo ed alternativo di realizzare questa soluzione è sostituire gli elementi concentrati (condensatore e induttanza) con una sezione di linea coassiale di opportuna lunghezza e aperta alla sua estremità.
Purtroppo la grande semplicità porta con sé due limiti:
l’attenuazione è buona a centro banda, ma limitata agli estremi della banda FM
il filtro crea un disadattamento inaccettabile in banda 2m, tale da disturbare il corretto funzionamento del trasmettitore
Un altro approccio vede l’impiego di un filtro passa alto, tale da ridurre a sufficienza le frequenze inferiori ai 108MHz senza “disturbare” le bande superiori. Questo è fattibile, ma richiede un filtro di ordine e complessità elevata, colle relative difficoltà di realizzazione e messa a punto.
Ora, sembra che nessuna delle soluzioni prima viste possa da sola soddisfare i requisiti di semplicità, compattezza, efficacia. Però, unendo le due idee si può ottenere qualcosa di interessante e forse vincente. Vediamo nel prossimo capitolo come passare dall’intuizione alla pratica.
Il filtro misto
Come abbiamo appena visto, una soluzione del tutto semplice e funzionale sembra non essere fattibile, ma unendo il meglio di un filtro notch e di un passa altro si può giungere ad un buon risultato, soddisfacente verso il problema da risolvere e minimizzando al tempo stesso costi, complessità e disadattamento. Un ottimo programma per sintetizzare e verificare questi filtri è RFsim99, liberamente scaricabile al link riportato in bibliografia.
Al terminale (1) viene collegata la radio, al numero (2), l’antenna.
Il filtro è composto da due sezioni:
un passa alto a 3 celle, realizzato con componenti discreti (la sezione di destra nello schema)
un notch (escludi banda) realizzato con un tratto di linea coassiale (la parte a sinistra nello schema)
la parte passa alto ha alcuni effetti, descrivibili con qualche semplificazione come segue:
contribuisce all’attenuazione ai margini della banda FM, là dove il notch tende a perdere di efficacia
attenua drasticamente anche segnali inferiori al di sotto degli 88MHz, che potrebbero in certe postazioni arrecare saturazione del front end
“isola” un poco il notch dall’apparato, in modo da ridurne il disadattamento in banda utile
Detta sezione è realizzata con due condensatori da 18pF in serie al segnale e una induttanza da 39nH in parallelo, che cortocircuita verso massa i segnali a frequenza più bassa. Vista la ridotta potenza in gioco, nell’ordine delle decine di Watt, i componenti sono di facile scelta sia in contenitori SMD sia “tradizionali”, con reofori. Pur non essendovi nulla di critico, è bene impiegare materiali di buona qualità, con frequenza di auto risonanza superiore al GHz e basse perdite. Il componente più critico, se vogliamo, è l’induttanza, per la quale consiglio ad esempio il modello 1812SMS-39NJLC della Coilcraft.
La sezione notch o escludi banda è realizzata in cavo coassiale con l’estremità on collegata lasciata aperta e ben isolata. Nulla vieta di costruirla con componenti discreti, ma trovo che questo approccio sia il migliore per questa applicazione: compatto, molto economico, ripetibile, di facile messa a punto.
Il cavo da impiegare come filtro deve essere lungo elettricamente un quarto d’onda della frequenza centrale della banda che si vuole attenuare. Per la FM possiamo scegliere 98MHz come punto medio fra 88 e 108MHz:
a cui corrispondono i seguenti quarti d’onda, espressi in tempo e lunghezza:
Ora, la velocità con cui il segnale si propaga nei cavi coassiali è sempre inferiore di quella nello spazio libero, occorrerà quindi una porzione di cavo con una lunghezza fisica (inizio-fine) inferiore al quarto d’onda calcolato nello spazio libero. Il fenomeno può essere visto in questo modo: dato che l’onda radio si propaga più lentamente nel cavo rispetto al vuoto, a pari tempo trascorso percorrerà meno spazio per raggiungere la fase voluta (quarto d’onda, pari a 90°). Il fattore che indica quanto lentamente (o velocemente) l’onda si propaga è detto fattore di velocità e può essere espresso sia in percentuale i.e. 66% sia in valore assoluto i.e. 0,66 sempre riferiti alla velocità della luce, considerata la massima possibile per un segnale elettromagnetico. Valori tipici valgono 0,66 per cavi con isolante compatto tipo RG213, RG58 e simili e salgono a circa 80% per i cavi con isolante parzialmente in aria (foam, cellflex, etc.).
La qualità del cavo, cioè le sue perdite, influenza un poco l’efficacia del filtro: nel limite del sensato e conveniente è bene impiegare coassiali a bassa perdita. Una buona soluzione, veloce ed economica è utilizzare circa 480mm di cavo TV da almeno 6mm di diametro.
La realizzazione può essere molto personalizzata, fatto salvo il garantire connessioni stabili e schermature fra le sezioni. Si può ad esempio realizzare il tutto in un piccolo contenitore di lamiera stagnata con un paio di connettori SO-239 o BNC, ovvero integrare il tutto lungo il cavo che collega l’apparato alla calata d’antenna, con un intervento forse più da “chirurgo” che da radiotecnico.
Misure e risultati
La simulazione fatta con RFSim99 è riportata sotto:
dove è visibile l’azione combinata delle due sezioni di filtro. L’attenuazione “periodica” che si ripresenta ogni multiplo dispari di 98MHz è dovuta all’azione del notch realizzato in linea coassiale.
La misura di attenuazione sul mio esemplare, rispecchia sostanzialmente la simulazione, con valori del tutto apprezzabili sia di attenuazione della porzione di banda attribuita alle broadcasting FM sia di limitate perdite di inserzione alle frequenze amatoriali. Dai dati indicati nella schermata occorre depurare uno 0,5-0,7dB dovuti ai connettori e cavo che ho impiegato per la misura.
Conclusioni
Il filtro pur nella sua semplicità, si dimostra efficace. Con esso è possibile ricevere stazioni e ponti ripetitori prima inascoltabili, “nascosti” dalla desensibilizzazione del front end dovuta ai forti segnali della FM, non adeguatamente filtrati all’interno delle radio.
Il modesto adattamento non pare dare problema alcuno in trasmissione e la radio eroga piena potenza senza difficoltà.
Ringraziamenti
Ringrazio l’amico Claudio IK4MTS, per i suggerimenti, gli spunti di riflessione e le piacevoli discussioni che mi hanno portato a sviluppare questa semplice soluzione.
Bibliografia
https://www.electroschematics.com/rfsim99-download/