Messtechnik Bild 2: Blockdiagramm Filterbank Bild 3: Schaltplan des Chebyshev-Bandpass Bild 4: Simulationsergebnisse: Reflektion (blau) Dämpfung (rot) Filterentwurf und Schaltungssimulation Im vorliegenden Projekt werden die benötigten Filter als kapazitiv gekoppelte Impedanzresonatoren ausgeführt. Diese Technik bietet gegenüber dem klassischen Bandpassdesign mit Serienschwingkreisen im Längszweig Bild 5: Layout der Trägerplatine des Filters und Parallelschwingkreisen im Massezweig realisierbare Bauteilgrößen der Induktivitäten und Kapazitäten. Das Blockschaltbild des kompletten Arrays ist in Bild 2 dargestellt. Nachfolgend wird am Beispiel des 0,7-m-Bandpasses dessen Entwicklung aufgezeigt. Da dieser Frequenzbereich wegen der daraus resultierenden Bauteilgrößen am kritischsten zu betrachten ist, wurden zunächst Erkenntnisse hierüber gesammelt und anschließend auf die verbleibenden Filter im 2-m- und 4-m-Bereich übertragen. Die Design-Parameter des 0,7-m-Filters sind: Chebyshev- Bandpass, Ripple 0,1 dB, Mittenfrequenz 400 MHz, Bandbreite 40 MHz, Filtergrad: 6. Dieser Filtertyp kann mittels konventionellen Regeln und Formeln entworfen werden, wie sie z.B. aus S.B. Cohn /1/, den ham radio Veröffentlichungen /2/, oder verfügbaren Softwaretools hervorgehen. Anhand mehrerer Berechnungen bei der Optimierung des Filters stellt sich heraus, dass sich die Kapazitäten tendenziell verkleinern, wenn die Induktivitäten vergrößert werden. Aus dieser Tatsache heraus fiel die Entscheidung auf Spulen der Induktivität 20 nH. Die resultierenden Kapazitäten von 0,5 pF sind gerade noch im 0603-Gehäuse erhältlich. Da aber diese schon nahe an die parasitären Eigenschaften von Spulen und Trägerplatine herankommen, sind diese Werte nur als Richtwert zu verstehen. Zur Optimierung des Filters sind weitere Iterationsvorgänge notwendig. Die Steilheit der Filter könnte durch einen höheren Filtergrad verbessert werden, um noch mehr Störträger auszublenden. Das wiederum müsste allerdings mit erhöhtem Platzaufwand und größerer Durchgangsdämpfung erkauft werden. Der Kompromiss fiel auf einen Bandpass sechster Ordnung. Realisierung und Messergebnisse Nach Dämpfungen von über 14 dB im Durchlassbereich des ersten Prototyps mit festen Bauteilwerten wurden anpassbare Kapazitäten (3/10 pF) in die Resonanzkreise eingefügt, die eine Kompensation von Bauteilabweichungen ermöglichen. Eine deutliche Verbesserung konnte auch durch den Einsatz hochgenauer Kapazitäten mit hoher Güte (>1000) als Koppelelemente erzielt werden. Die Induktivitäten sind aus gewickeltem 0,2 mm Kupflerlackdraht hergestellt und am LRC- Meter bei einer Messfrequenz von 100 kHz abgeglichen. Auch die Wickeltechnik selbst bringt entscheidende Verbesserungen mit sich. Zum einen muss das Magnetfeld in der Spule gehalten werden, zum anderen sind parasitäre Effekte durch möglichst wenige Wicklungen zu vermeiden. Ein guter Kompromiss fand sich bei einem Spulendurchmesser von ca. 0,5 cm und drei Wicklungen. Die Bauteile sind auf eine Trägerplatine (s.Bild 5: Layout der Trägerplatine des Filters) gelötet. Der Signalpfad besteht aus einen auf 50 Ohm angepassten Microstrip. 28 hf-praxis 10/2013
Messtechnik Bild 7: Filterarray rakteristiken aufweist, verlangt die Integration der Filter in das RF-Modul hinsichtlich des Massebezuges und der geänderten Leitungsführung einen weiteren Optimierungsschritt: Eine Multilayerplatine gewährleistet die Vorteile einer konsequenten Masseanbindung in den Zwischenschichten des PCBs sowie eine Reduzierung der Breite der 50 Ohm Microstrips. Die Leitung wurde an sieben Stellen unterbrochen, sodass die Koppelelemente eingelötet werden können. Links und rechts der Platine sind Pads zum Auflöten von SMA-Konnektoren vorgesehen. Nach weiteren Iterationen, wie der Änderung der Wickeltechnik und das Trimmen der Resonanzkapazitäten, konnte schließlich folgendes Ergebnis erzielt werden: Die Durchgangsdämpfung beträgt ca. 2,6 dB in der Mittenfrequenz, die Dämpfung an den Eckfrequenzen (380 MHz, 420 MHz) etwa 3,5 dB. Die Stoppbanddämpfung für Frequenzen unter 300 MHz ist größer als 80 dB mit einer annehmbaren Flankensteilheit. Die Welligkeit des Filters führt zu Messabweichungen des Empfängers, welche durch Ausgleichstabellen kompensiert werden. Nichtsdestoweniger reduziert die Durchgangsdämpfung des Filters die Empfindlichkeit des Messgerätes. Trotzdem ist diese immer noch ausreichend. Analoge und digitale Funkgeräte arbeiten unter optimalen Bedingungen bis zu einer Kanalleistung von ca. -110 dBm. Versorgungslücken sind also weiterhin ohne Probleme detektierbar. Nachdem die weiteren Filter nach derselben Vorgehensweise entwickelt wurden, konnten diese zusammen mit den Multiplex-Bausteinen auf eine neue Trägerplatine montiert werden. Diese findet neben dem Versorgungs- und Kontrollmodul und dem Empfänger Platz im RF-Adapter des softwarebasierten Funkanalysators. Der Prototyp mit allen Filtern und dem Bypasspfad ist in Bild 7 dargestellt. Zusätzlich enthält die Platine einen Lötanschluss für eine N-Buchse, über welche die Antenne zu adaptieren ist, sowie einen Connector für den Anschluss an den Empfänger. Die Schaltsignale für die Multiplexer werden über vierpolige Pfostenleisten vom Versorgungs- und Kontrollmodul zugeführt. Der Empfänger selbst befindet sich im zusammengebauten RF-Modul unterhalb des Filter-PCBs. Fazit Während der Prototyp des Filters bereits zufriedenstellende Cha- Quellen /1/ “Direct-Coupled-Resonator Filters”, Cohn, S.B. Proceedings of the IRE. Feb. 1957, Volume: 45, Issue: 2 Page(s): 187 – 196 /2/ “Ein verlustarmer Bandpass für 10,7 MHz mit hoher Sperrdämpfung bis 500 MHz”, Gunthard Kraus, DG 8 GB, UKW-Berichte 1/2012, Seiten 13-29 /3/ Design of Chevy-Bandpass- Filters, e.g. http://leleivre.com/ rf_coupled_resonator_cheb.html Bild 6: S12 Messung des Bandpasses (3. Versuch) hf-praxis 10/2013 29
