Kombinovaný 432 MHz hornopropustný a 144 MHz výřezový filtr pro satelitní provoz

Při současném provozu na 144 a 432 MHz může být problémem i signál, který se nachází mimo pracovní pásmo přijímače. Typickým příkladem je satelitní nebo VKV stanice, kde se pracuje na obou pásmech současně a antény jsou umístěny relativně blízko sebe. Silný signál z 2 m vysílače se může dostat do vstupu 70 cm přijímače a způsobit jeho probuzení nebo nelineární chování.

Právě tento problém řeší kombinovaný filtr podle návrhu VE2ZAZ. Na cestě pro 432 MHz vytváří hornopropustnou charakteristiku a zároveň velmi úzký výřez v oblasti 144 MHz. Výsledkem je velmi malý vložný útlum v pracovním pásmu 70 cm při výrazném potlačení silného 2 m signálu. Návrh vznikl z praktické potřeby provozu na obou pásmech a byl následně použit i dalšími radioamatéry. 

Proč filtr při satelitním a vícepásmovém provozu?

Při satelitní provoz je běžné, že jeden systém pracuje současně na 2 m a 70 cm. Při použití samostatných antén může být vzdálenost mezi nimi malá a při směrových anténách může jedna anténa přímo „vidět“ druhou. Výsledná vazba nemusí být problémem pouze při samotné základní frekvenci. Silný 144 MHz signál se může dostat přímo na vstup 432 MHz přijímače, kde už nejde o klasický problém nedostatečného odfiltrování harmonických.

Právě tento jev popisuje OK2VMC z zkušeností z VKV závodů. Při jeho stanovišti byly antény blízko sebe a na 2 m se používalo přibližně 300 W. Měřením zjistil, že potlačení třetí harmonické 2 m vysílačů bylo 72 až 77 dB, takže zdrojem širokopásmového rušení nebyla třetí harmonická. Problémem byl samotný silný signál 144 MHz pronikající přes nedostatečnou selektivitu vstupu 70 cm přijímače.

To je důležité i pro pochopení koncepce filtru. Nejde primárně o filtr proti třetí harmonické 144 MHz. Jeho úkolem je zabránit tomu, aby základní signál 144 MHz pronikl do 432 MHz přijímací cesty a probudil její vstupní obvody nebo LNA.

Výhoda kombinace hornopropustného filtru a výřezu

Samotný hornopropustný filtr by sice potlačil nižší frekvence, ale při požadavku na výrazné potlačení 144 MHz může být potřebný kompromis mezi strmostí charakteristiky, vložným útlumem a šířkou pracovního pásma. VE2ZAZ řeší problém kombinací hornopropustného účinku a rezonančního výřezu přesně v oblasti 2 m.

Výsledkem je filtr, který může mít na 432 MHz velmi malý vložný útlum a současně poskytovat desítky decibelů potlačení na 144 MHz. Referenční popis návrhu uvádí přibližně 0,1 dB vložného útlumu na 432 MHz a přibližně 60 dB potlačení na 144 MHz. Tyto hodnoty je třeba chápat jako výsledek konkrétního naladěného exempláře, nikoli jako automaticky garantované parametry každého vyrobeného filtru. 

Princip zapojení

Filtr VE2ZAZ je jednoduchý. Celé zapojení je pasivní a nevyžaduje žádné napájení.

Pro 432 MHz představuje výsledná síť průchodnou cestu s nízkým vložným útlumem. Při 144 MHz se jednotlivé reaktance dostávají do rezonančního vztahu, který vytvoří hluboký útlmový zářez. Přesná poloha minima je velmi citlivá na skutečné hodnoty součástek, parazitní kapacity, indukčnosti a mechanické provedení.

Právě proto nelze takový filtr postavit pouze podle nominálních hodnot součástek a očekávat identický výsledek. Na VKV a UHF už mechanické rozměry, délka vývodů, typ trimru, uložení cívky a vzájemná poloha součástek tvoří součást RF obvodu.

Konstrukce filtru VE2ZAZ

Původní návrh VE2ZAZ používá dvě vinuté paralelní cívky a tři nastavitelné kondenzátory. Právě tyto součástky umožňují filtr doladit na konkrétní pracovní pásmo. 

Konstrukční detaily

Pro L1 a L2

• Použijte vodič AWG18 (0,042″ / přibližně 1 mm průměr).
• Cívky navíjejte na průměr 0,25″ (6 mm).
• Rozestup závitů nastavte přibližně na průměr použitých vodičů.
• Počet závitů zvolte podle údajů uvedených v schématu.

Pro C1, C2 a C3

• Zvolte otočný kondenzátor s rozsahem, který zahrnuje uvedenou hodnotu.
• Doporučené hodnoty otočných kondenzátorů jsou uvedeny v závorkách.

Poznámka: Na schématu jsou pro cívky uvedeny hodnoty L1 = 18 nH / 2 závity a L2 = 44 nH / 3 závity. Při kondenzátorech jsou doporučené rozsahy C1: 9–35 pF, C2: 2–8 pF a C3: 9–35 pF.

Při konstrukci je proto podstatná nejen elektrická schéma, ale i mechanická realizace. Filtr musí být umístěn v kovové skříni s kvalitním uzemněním a krátkými spoji. Samotné kovové pouzdro přitom není elektricky neutrální součástí. Při podobných UHF filtrech může změnit parazitní kapacity a zpětné proudy a tím posunout rezonanční frekvenci. Při pozdější PCB verzi odvozeného návrhu od VE2ZAZ byl například po vložení do kovové skříně pozorován posun výřezu přibližně o 5 MHz. 

Právě tato vlastnost vysvětluje, proč je vhodné filtr naladit až v konečné mechanické konfiguraci. Pokud se změna provede po uzavření skříně, výsledná charakteristika může být odlišná od té, kterou bylo možné změřit na otevřeném přípravku.

Naladění a výsledky

Nejpraktickým nástrojem na naladění je VNA. OK2VMC uvádí, že filtr nastavoval pomocí levného čínského VNA a že bez VNA by bylo ladění v podstatě prací naslepo. Při jeho realizaci použil keramické kapacitní trimry a cívky z lakovaného vodiče s průměrem 1 mm. Výsledkem bylo potlačení 144 MHz více než 48 dB, vložný útlm na 70 cm přibližně 0,17 dB a útlm odrazu přibližně 37 dB.

Při ladění je lákavé nastavit filtr na co nejhlubší zářez. To však nemusí být nejlepší řešení pro reálnou provoz. OK2VMC po nasazení filtru uvádí, že při natočení 2 m antény směrem na 70 cm anténu rušení zmizelo. Filtr zároveň dlouhodobě zvládl přibližně 75 W v této konfiguraci.

Při návrzích tohoto typu je proto rozumnější sledovat nejen absolutní minimum S21 při 144 MHz, ale také šířku a stabilitu výřezu a současně minimální vložný útlum v celém požadovaném rozsahu 432 MHz.

Praktické zkušenosti OK2VMC

OK2VMC původně řešil rušení 70 cm stanice při provozu 2 m vysílače. Po ověření, že samotné 2 m vysílače nevytvářejí problémovou třetí harmonickou, soustředil pozornost na odolnost přijímací cesty 70 cm. Filtr podle VE2ZAZ následně zařadil přímo do anténní koaxiální trasy.

Výsledek byl prakticky významný. Při paralelním směrování antén se po vhodném umístění pracovních míst rušení ztratilo, ale při natočení 2 m antény směrem k 70 cm anténě se opět objevilo. Po zařazení filtru na anténní konektor 70 cm přijímače rušení zmizelo. Tato zkušenost dobře ukazuje, že problém může být podmíněn nejen výkonem vysílače, ale také geometrií antén a jejich vzájemným směrováním. 

OK2VMC zároveň vytvořil samostatný filtr pro 2 m cestu s opačnou funkcí. To je zajímavé při vícepásmové stanici, protože ochrana přijímače může být potřebná na obou pásmech.

Praktické zkušenosti OM0AAO

OM0AAO se k návrhu VE2ZAZ dostal právě na základě zkušeností OK2VMC. Při prvním vyhotovení použil hliníkovou skříňku s rozměry 41 × 55,5 × 31 mm a N-konektory, tedy jeden samec a jednu samici. Takové vyhotovení umožňuje zařadit filtr jako vložku přímo do koaxiální trasy. Filtr byl následně spolu s přepínacím relé a LNA umístěn v plastové skříňce přímo pod anténami.

OM0AAO změřil na 70 cm vložný útlum přibližně 0,3 dB a potlačení 2 m více než 40 dB. Druhý exemplář byl výrazně menší, přibližně 40 × 32 × 20 mm, a používal SMA konektory. Byl určen před LNA SPF5189. Kvůli rozměrům skříňky byly použity keramické trimry a výsledné parametry byly o něco horší než při prvním filtru, stále však poskytovaly velmi dobré potlačení.

Velmi cenná je zkušenost s kompromisem při ladění. OM0AAO záměrně neladí filtr na absolutně nejhlubší možný zářez. Ačkoli se podařilo dosáhnout i více než 40 dB potlačení, při velmi úzkém rozsahu. Mechanické působení, teplota a čas mohou filtr rozladit a poté se může útlm na požadované frekvenci výrazně zhoršit. Prakticky proto dává větší smysl určitá rezerva a širší stabilní zářez než extrémní hodnota dosažená pouze v jednom bodě.

OM0AAO zároveň uvádí, že náklady na samotnou stavbu filtru nepřesáhly několik eur. V kontextu přijímací techniky 70 cm je to zajímavý poměr mezi náklady, složitostí a výsledným potlačením nežádoucích signálů.

Shrnutí

Kombinovaný 432 MHz hornopropustný a 144 MHz výřezový filtr podle VE2ZAZ je praktické řešení problému, který se objevuje zejména při vícepásmových VKV stanicích, satelitní provozu a contestových pracovištích s blízko umístěnými anténami. Jeho hlavní vlastností je spojení nízkého vložného útlumu na 70 cm s výrazným potlačením silného 2 m signálu.

Nejdůležitější praktickou lekcí však není samotná hodnota útlumu. Při UHF filtru rozhoduje mechanická realizace, přesnost součástek, kvalita uzemnění a především správné naladění v konečné skříni. Zkušenosti OK2VMC a OM0AAO ukazují, že výsledky kolem 0,2 až 0,3 dB vložného útlumu a více než 40 dB potlačení 144 MHz jsou při dobře zhotoveném a naladěném exempláři reálné.

Při ladění proto není cílem pouze nejhlubší možný notch. Důležitější je dostatečně hluboká a mechanicky stabilní oblast potlačení, přičemž na pracovní frekvenci 432 MHz má zůstat vložný útlum co nejmenší. Právě v tomto kompromisním návrhu spočívá praktická hodnota filtru pro reálnou rádioamatérskou stanici.