Дуплексные фильтры что это
Дуплексные фильтры что это
Дуплексёры: теория и настройка
| SEITS – SouthEast Iowa Technical Society | Развитию любительского радио посвящается |
Введение
По огромной массе вопросов, поступающих на сайт можно сделать вывод, что нужна статья по дуплексёрам и коаксиальным фильтрам. Дуплексеры и их собратья диплексеры (это не одно и то же!) являются, по сути дела, простыми электрическими фильтрами. Они позволяют нам принимать и передавать на одну и ту же антенну в одно и то же время, вырезать нежелательные сигналы и подводить два сигнала к одной антенне, в случае подключения их через диплексер.
Электрически дуплексёр является устройством, использующим высокодобротные резонансные контуры, чтобы изолировать приёмник от передатчика. Это позволяет обоим работать на одну антенну, в то же время и без повреждения приёмника сигналами передатчика. Отметьте, что между частотами приёма и передачи должен быть обязательный разнос. Это называется “сплит” (split – англ.). На двухметровом диапазоне этот разнос равен 600 кГц (стандарт принят для радиолюбительских ретрансляторов, объясняется относительно малой шириной диапазона). На диапазоне 70 см разнос может быть легко увеличен до 5 МГц.
Диплексеры часто ошибочно называют дуплексёрами. Диплексер обычно применяется тогда, когда нужно присоединить два выхода, например, двухдиапазонного трансивера к одному фидеру или антенне. Диплексеры намного проще в постройке чем репитерные дуплексёры и имеют совсем отличное от них назначение. В дуплексёрах используются узкополосные резонансные контуры как выделяющие так и поглощающие, тогда как диплексёр – это комбинация фильтров нижних и верхних частот.
Описание дуплексёра Wacom
Исследование показало, что два резонатора дуплексёра включены последовательно с выходом передатчика и два последовательно со входом приёмника. Две половинки соединены между собой с помощью Т-образного соединителя и подключены к фидерной линии антенны (Рис. 1).
возможно, этот шум и не удастся подавить полностью в приёмном тракте (а это создаст условия, при которых сигналы, подаваемые на репитер будут шуметь, а, значит, его шумоподавитель не будет срабатывать, репитер будет “тупым” – UA9LAQ). Первые транзисторные передатчики имели очень высокий уровень шумов, теперь есть и малошумящие передатчики (здесь может крыться и ответ на вопрос, почему один открывает репитер, скажем при 300 мВт выходной мощности, а другой и при 1 Вт открыть репитер не может при прочих равных условиях – UA9LAQ). Итак, шумящим передатчикам не место в сетях с использованием ретрансляторов – это понятно.
Как же дуплексёры позволяют одновременно работать приёмнику и передатчику, причём, на одну антенну?! Удивительно, но дуплексёр состоит лишь из двух тщательно настроенных резонансных схем (комбинаций контуров, резонаторов). Электрически он очень прост: одна схема определяет полосу пропускания, вторая – определяет центральную частоту (и полосу) поглощения. Вот и всё! А две ячейки включаются последовательно для усиления того или иного эффекта, соответственно, для увеличения изоляции приёмника от передатчика – одной ячейки для приемлемой изоляции недостаточно.
Но для чего же городить огород, ведь катушка и конденсатор в контуре для диапазона 2 метра могут быть маленькими?
Всё дело в добротности катушек, обычные катушки имеют очень малую величину добротности Q, чтобы быть использованными в составе дуплексёров. А это означает, что характеристика дуплексёра будет пологой, широкополосной и не позволит достаточным образом подавить ненужные сигналы на входе приёмника и выделить нужные, таким образом, нарушается смысл создания дуплексёров.
Интересное явление произойдёт, если мы возьмём и увеличим диаметр катушки, уменьшив количество её витков (если потребуется окончательную настройку контура на прежнюю частоту можно скомпенсировать изменением ёмкости конденсатора С1). При этом возрастает добротность катушки Q и, соответственно, уменьшаектся полоса пропускания контура, настройка становится острее. Если мы продолжим эволюцию катушки в том же направлении, то она вскоре превратится в четвертьволновую линию. Ёмкость С1 заменяется корпусом резонатора относительно линии (становится конструктивной распределённой), добротность резонатора будет тем больше, чем длиннее линия и больше размеры корпуса резонатора. При диаметре корпуса резонатора в 8 дюймов его добротность Q будет явно выше, чем при диаметре в 3 дюйма, да и первый будет лучше “себя вести” в эфире. Вот таким образом мы и получили коаксиальный резонатор (Рис. 4) длиной 25 и диаметром около 8 дюймов (1 дюйм = 25,4 мм). Линия внутри резонатора выполнена из медной трубы диаметром 1 3/8 дюйма и имеет изменяемую длину в пределах 18…23 дюйма. Изменением длины линии (ещё называют плунжером) можно изменять частоту настройки резонатора, подгоняя под необходимую полосу пропускания дуплексёра.
Есть ли водопроводчик в доме?
Итак, как мы видим, устройство очень простое и все трудности заключаются лишь в механике. Прежде всего, нам необходимо свернуть корпус резонатора, пойдут листовые медь, алюминий или латунь.
Торцовые стенки трубы следует заглушить шайбами из однородного с корпусом материала. Внутренний проводник (линия, плунжер) может быть выполнен из отрезка обычной водопроводной медной трубы с внешним диаметром 1 3/8 дюйма и длиной 18 дюймов. Внутрь него вставлен штырь с резьбой диаметром ¼ дюйма и длиной 20 дюймов, позволяюший перемещать (вдвигать и выдвигать) отрезок медной трубы длиной 6 дюймов и внешним диаметром 1 дюйм. Единственной проблемой здесь является обеспечение электрической проводимости плунжера (между неподвижной и подвижной частями), которая осуществляется с помощью пружинных контактов из бронзы. Затем обе половины линии серебрятся. Серебрение архиважно! Голая медь на частотах двухметрового диапазона имеет достаточные потери, чтобы в большинстве случаев быть неприемлемой для изготовления узкополосных дуплексёров, кроме того, окислившаяся медь не может обеспечить хорошего подвижного контакта, приводит к невозможности настройки резонатора из-за скрипов, шорохов и различного рода флуктуаций сопротивления на окислах металла в месте контакта на линии. Все части внутри резонатора: подвижные контакты, обе части линии и корпус изнутри следует обязательно посеребрить. Разница с непосеребрённым существенная. Помните, что Вы должны обеспечить затухание в дуплексёре не более, чем 3 дБ и даже небольшое увеличение добротности резонаторов имеет существенное значение.
Напоследок о конденсаторе С2. Простой КПЕ с воздушным диэлектриком будет сильно критичным в настройке. Поэтому для перестройки в резонаторе Wacom применено изменение диэлектрической постоянной диэлектрика конденсатора. Вспомните теорию: отчего же зависит ёмкость конденсатора – от размеров его пластин, расстояния между ними и качества диэлектрика, т. е., его диэлектрической постоянной.
Другой проблемой является температурная стабильность. Если дуплексер расположен в зоне неконтролируемых изменений температуры, то металлические составляющие резонаторов, нагреваясь, будут расширяться, удлинняться немного расстраивая резонаторы. В дуплексёре Wacom эта проблема обойдена применением регулировочного штыря из дорогого материала – железо-никелиевого сплава, имеющего своеоразный (видимо, отрицательный) температурный коэффициент расширения и называемого инвар (INVAR), который компенсирует температурные изменения. Но у нас, как правило, такие штыри не водятся.
Следующей в деле рассмотрения дуплексёров является связь его составляющих по РЧ. Это осуществляется коаксиальными линиями с электрической длиной, равной четверти длины волны (на рабочей частоте). На КВ и СВ (си-би), при необходимости, можно применить и более длинные кабели. Настройте устройство и проверьте его на деле в эфире. Если требуемой изоляции приёмника и передатчика не получится, обратитесь к разработчику дуплексёра и последуйте его рекомендациям или подберите длину кабелей самостоятельно.
РЧ волна в кабеле короче, чем в свободном пространстве (поэтому и ведут речь о коэффициенте укорочения). В справочнике ARRL имеются справочные данные по различным кабелям, приведены их коэффициенты укорочения и рассказано, как правильно высчитать электрическую длину ¼ λ отрезка того или иного типа кабеля. Со временем соединительные линии на дуплексёрах старятся и важно знать, как их правильно заменить. Ещё я заметил, что после практической подборки длинн соединительных линий в дуплексёре, последние оказываются несколько иной длины, чем трактует справочник ARRL. Доверяй да проверяй!
Лучшим выбором для дуплексёра следует считать соединительные СВЧ кабеля с тефлоновой (фторопластовой) изоляцией и двойной оплёткой. Если мощность Вашего передатчика не превышает пары сотен ватт, то толстый кабель для соединительных линий применять нецелесообразно. Длины соединительных кабелей небольшие и потери в них тоже будут незначительными.
Настройка дуплексёра, полученного комбинацией полосно пропускных/полосно задерживающих (режекторных) фильтров намного более проста, чем настройка промышленного дуплексёра. С помощью плунжера устанавливается (средняя) частота полосы пропускания. Этим Вы устанавливаете возможность для прохода как можно большего колличества РЧ энергии через дуплексёр (минимальное затухание полезного сигнала). С помощью КПЕ С2 устанавливается частота подавления. Ясно себе представляйте какие частоты Вы собираетесь пропускать через дуплексёр, а какие подавлять, помните, что в приёмном и передающем трактах они меняются местами.
Пример: Резонаторы приемного тракта Резонаторы передающего тракта
Сначала подключите один резонатор, затем, подайте с генератора на него сигнал и, варьируя его частоту выше-ниже, найдите полосу пропускания этого резонатора по показаниям РЧ вольтметра или S-метра (по максимальным показаниям обнаруживается центральная частота полосы пропускания). Помните, что введением плунжера частота настройки резонатора понижается, а выведением – повышается. Установите индикатор РЧ напряжения на линейный участок его шкалы (вблизи центральной её части или чуть меньше) изменением выходного напряжения ГСС.
Не пытайтесь всё выстраивать сразу точно – это только предварительная настройка. Подключите следующий резонатор и, аналогично, первому настройте его на частоту пропускания. Затем настройте оставшуюся пару резонаторов, уже на их частоту пропускания. Необходимо чётко помнить частоты настройки каждого резонатора (об этом было упомянуто выше) и не перепутать их, что упростит настройку и сохранит время и силы (нервные). Частоты настройки лучше написать на каждом резонаторе или приклеить на них соответствующие ярлычки-наклейки.
Настройка режекторных контуров
Настройка режекторных контуров немного посложней, да и здесь нужен более чувствительный, нежели ваттметр, использовавшийся доселе, прибор индикации. Если Ваш ГСС сможет выдать достаточно энергии для настройки (имеет “вольтовый” выход), то можно в качестве индикатора использовать простой РЧ-вольтметр. Отключите ваттметр и на его место подключите Т-образный соединитель. К одному его концу подключается нагрузка, а к другому – РЧ-вольтметр. Теперь имеется возможность измерять РЧ напряжение на нагрузке 50 Ом и можно начинать “строить” режекторные контуры. Теперь необходимо, чтобы генератор сигналов стабильно и точно выдавал требуемые фиксированные частоты. Старые перестраиваемые вручную ГСС для этой цели не подойдут, так как у них “плывёт” частота. (Лучше использовать либо кварцованный генератор, либо ГСС с ФАПЧ – UA9LAQ). Если у Вашего трансивера имеется возможность понижения выходной мощности, то можно использовать и его. Внимание! При настройке режекторных контуров на частоту настройки трансивера, последний уже не будет нагружен сопротивлением 50 Ом, если Ваш трансивер не допускает такого “издевательства” или Вы не уверены, лучше не рискуйте, так как “неправильно” нагруженный выходной каскад трансивера может выйти из строя.
На фото показана опытная установка, с помощью которой можно настраивать самодельные дуплексёры SEITS. Слева направо: ИЧХ с ваттметром и КВ-трансивером сверху. Далее следует анализатор спектра фирмы Hewlett Packard и частотомер, использовавшийся при окончательной (прецизионной) настройке. Далее следует простое оборудование, которое использовал N0LBG при предварительной настройке. На осциллографе стоит старый ламповый вольтметр с РЧ пробником Heath. Сигнал при настройке подавался со старого ГСС Hewlett Packard. В основном все “прилады” при настройке были простыми и доступными (радиолюбительскими). Спасибо N0LBG и K0VM.
Периодически включайте трансивер на передачу и настраивайте режекторный контур первого резонатора. Возможно, по мере настройки придётся изменять “чувствительность” РЧ-вольтметра, чтобы отметить момент резонанса. Настройка должна быть весьма острой. Затем, также настройте второй резонатор дуплексёра (речь пока идёт об одном тракте, например, передающем). Для другого тракта (приёмного) процедура повторяется с соответствующей сменой частоты.
Если всё пройдёт гладко на этот раз то 99% настройки закончено. Пройдите ещё раз по всем настройкам как пропускающих, так и режекторных контуров. Рассчитайте потери, как в приёмном, так и в передающем тракте. Эти потери должны быть в пределах 2…3 дБ. Если потери превосходят это значение, проверьте настройку резонаторов ещё раз, если это не поможет, то ищите причину в соединительных кабелях и соединителях.
Главной причиной, по которой мне нравится конфигурация дуплексёра на полосно пропускающих/полосно задерживающих (режекторных) фильтрах, является простота их настройки. Обычно такой дуплексёр не нуждается в дополнительной подстройке при подключении к репитеру. Хотя порой, с целью убрать последние следы шумов, дуплексёр на “рабочем” месте немного подкручивают. Для этого на вход приёмника репитера потребуется слабый немодулированный сигнал и подключение милливольтметра параллельно контрольному динамику репитера. Я подключал кусок провода к ИЧХ, принимал слабый сигнал гармоник и по нему настроил дуплексёр на минимум шумов. Выходное напряжение устанавливал таким образом, чтобы получить примерно 10% подавления шумов приёмника с отключенным шумоподавителем. Включайте и выключайте передатчик (местным выключателем) и смотрите за изменением уровня шумов. Любое дополнительное шипение, появляющееся в приёмном тракте во время работы передатчика есть его белый шум. Если уровень этого шума значительный, беритесь за окончательную подстройку режекторных контуров дуплексёра.
Постройка самодельного дуплексёра
Да, SEITS предпринял постройку набора дуплексёров двухметрового диапазона, и это оказалось делом непростым. Harvey, N0LBG выполнил большинство работ по дуплексёру и сказал:”Никогда больше. ”
Резонаторы для нашего дуплексёра выполнены из медных труб диаметром 10 дюймов с толщиной стенки ¼ дюйма (1 дюйм = 25,4 мм). КПЕ для режекторных контуров смонтированы на верхней крышке, чтобы исключить применение небезгрешных уголковых соединителей. Все элементы внутри резонаторов посеребрены. Этот дуплексёр работает в составе репитера в Iowa City, в канале 145,37 МГц и работает хорошо, стабильно, даже будучи размещённым в неотапливаемом помещении.
В этой статье отсутствуют также технические подробности и детали процедур настройки для всех существующих разновидностей дуплексёров. Самое лучшее, чтобы избежать потери времени, сил и нервов, при проблемах свяжитесь с производителем соответствующей аппаратуры и купите инструкцию по её эксплуатации!
Эта статья является ментальным продуктом David’a Metz’a, WA0AUQ. Возникнут вопросы спросите по E-Mail у Dave’a.
Дуплексные фильтры что это
Дуплексные фильтры: основные типы, характеристи
