4 MHz Quarzfilter mit einstellbarer Bandbreite

4 MHz Quarzfilter mit einstellbarer Bandbreite

von Christian, DL9NL
Fertiges Quarzfilter im Testadapter

Für einen Transceiver-Eigenbau wurde ein 4 MHz Quarzfilter benötigt. Da bezüglich der Flankensteilheit keine sehr hohen Anforderungen zu erfüllen waren, wurde ein 4-poliges Ladder-Filter nach Chebyshev mit dem AADE Filterdesigner 4.51 für eine Bandbreite von 500 Hz und einem Ripple von 1dB berechnet. Für die Betriebsart CW sollte zur Signalselektion und Störausblendung die Bandbreite des Quarzfilters auf 100 -150 Hz verschmälert werden können.

Messung der Quarzparameter

Das Filter wurde mit sehr günstig erhältlichen 4,000 MHz Quarzen unbekannter Qualität aufgebaut. 20 Quarze wurden mit einem Netzwerktester analysiert und die Quarzparameter wie Serien- und Parallelresonanzfrequenz, Quarzgüte etc. gemessen. Aus dem Kontingent wurden 4 Quarze selektiert, die untereinander die geringste Differenz ihrer Serien-Resonanzfrequenzen aufgewiesen.

Platinen-Layout
Stromlaufplan 4-poliges Quarzfilter nach Chebyshev
Platinenunterseite ohne Gehäusedeckel

Das Filter wurde mit den berechneten Kapazitätswerten auf einer 26 × 22 mm großen Platine aufgebaut und mit SMD-Bauteilen bestückt. Für eine möglichst hohe Weitabselektion erhielt die Bauteilseite eine Abschirmung aus Weißblech. Die Anschlüsse eines jeden Quarzes wurden durch einen zusätzlichen Quersteg voneinander abgeschirmt. Außerdem wurde die Massefläche mehrfach durchkontaktiert und die Quarzgehäuse mit der Massefläche verlötet. Das dünne 0,15 mm Weißblech stammt übrigens von einer 200 ml Kaffeemilchdose und ließ sich einfach verarbeiten und hervorragend löten.

Bandbreitenumschaltung von 500 auf 100 Hz. Darstellung von S21 und S11, zusätzlich im Smith-Diagramm S11

Zur Verringerung der Bandbreite wurde den 3 Koppelkapazitäten eine berechnete Parallelkapazität mit Transistoren zugeschaltet. Bei 500 Hz Bandbreite beträgt die Eingangs- und Ausgangsimpedanz ca. 210 Ω, die auf dem Testadapter mittels kleiner Übertrager im Verhältnis 1:2 dem 50 Ω-Messsystem angepasst wurde. Die Messergebnisse für S21 und S11 wurden ohne Abstimmmaßnahmen erreicht. Bei der Bandbreite 100 Hz ist die Filterimpedanz auf etwa 50 Ω abgesunken. Die nicht kompensierte, erhebliche Fehlanpassung ist für die Zunahme der Durchgangsdämpfung auf 7 dB mitverantwortlich.

Messwerte:

– 3dB Bandbreite von 490 Hz bzw. 110 Hz
– Durchlassdämpfung S21 von 2,7 dB bzw. 7,2 dB
– Ripple (Welligkeit) ca. 1,2 dB
– Shape-Faktor 6/60 dB von 3
– Weitabselektion etwa 80 dB.

4 MHz Quarzfilter mit einstellbarer Bandbreite 100 Hz – 500 Hz

Stromlaufplan QF mit variabler Bandbreite

Nach den guten Erfahrungen mit der Bandbreitenumschaltung war die Frage, wie sich im Vergleich eine kontinuierliche Bandbreiteneinstellung mit Kapazitätsdioden bei einem einfachen Ladder-Filter aus 4 Quarzen verhält. Dazu wurden weitere 4 Quarze mit nahe beieinanderliegender Serienresonanzfrequenz aus den verbliebenen 16 Quarzen ausgewählt. Die 3 Koppelkapazitäten wurden durch geeignete Kapazitätsdioden ersetzt und das Filter wie der Vorgänger, auf einer kleinen Platine mit einer Weißblechabschirmung aufgebaut. Bei den nun (theoretisch) gleichen Koppelkapazitäten lag ein Filtertyp nach Cohn vor, wobei die Eingangs-und Ausgangsimpedanz wurde bei einer Bandbreite von 500 Hz mit 270 Ohm berechnet wurde. Diese verringerte sich mit abnehmender Bandbreite auf 100 Hz wieder bis auf 50 Ohm. Für die Messungen wurden die unveränderten 2:1 Übertrager verwendet.

Als Kapazitätsdiode wurde die 1SV149 von Toshiba verwendet, da für eine schmale Bandbreite hohe Kapazitätswerte der Koppelkondensatoren erforderlich sind. Die 1SV149 hat bei 1 V Sperrspannung etwa 500 pF und bei 8 V nur noch ca. 25 pF, die Abstimmspannung für den Bandbreitenbereich beträgt ca. 1-4,5 V. Es wurden unselektierte Dioden eingesetzt, so dass auch Gleichlaufdifferenzen zu den Abweichungen von der berechneten idealen Filterkurve beigetragen haben können.

S21 bei 120 Hz, 250 Hz und 500 Hz Bandbreite
Weitabselektion 500 Hz dB im Bereich von 100 kHz

Messwerte:

– 6dB Bandbreite von 100 Hz bis 500 Hz
– Durchlassdämpfung S21 von 2,9 dB (500 Hz) bis 7,0 dB (120 Hz)
– Ripple (Welligkeit) ca. 3 dB
– Shape-Faktor 6/60 dB von 3,4
– Weitabselektion > 85 dB.

Die Messergebnisse wurden ohne jegliche Abstimmmaßnahmen erreicht.

Christian, DL9NL

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