Kombinierter 432 MHz Hochpassfilter und 144 MHz Bandpassfilter für Satellitenbetrieb

Bei gleichzeitiger Nutzung von 144 und 432 MHz kann auch ein Signal, das außerhalb des Arbeitsbereichs des Empfängers liegt, ein Problem darstellen. Ein typisches Beispiel ist ein Satellit oder VHF Station, wo gleichzeitig auf beiden Bändern gearbeitet wird und die Antennen relativ nah beieinander stehen. Ein starkes Signal von einem 2 m Sender kann in den Eingang eines 70 cm Empfängers gelangen und dessen Wecken oder nichtlineares Verhalten verursachen.

Genau dieses Problem wird hier behandelt Kombinierter Filter nach dem Design von VE2ZAZ. Auf dem Weg für 432 MHz wird eine Hochpasscharakteristik erzeugt und gleichzeitig ein sehr schmaler Bandpass im Bereich von 144 MHz. Das Ergebnis ist ein sehr geringer Einfügedämpfung im Arbeitsbereich von 70 cm bei starker Unterdrückung des starken 2 m Signals. Das Design entstand aus der praktischen Notwendigkeit, auf beiden Bändern zu arbeiten, und wurde anschließend auch von anderen Funkamateuren verwendet. 

Warum ein Filter bei Satelliten- und Mehrbandbetrieb?

Bei Satellitenbetrieb es üblich, dass ein System gleichzeitig auf 2 m und 70 cm arbeitet. Bei Verwendung separater Antennen kann der Abstand zwischen ihnen gering sein, und bei Richtantennen kann eine Antenne die andere direkt „sehen“. Die resultierende Kopplung muss nicht nur bei der Grundfrequenz ein Problem darstellen. Ein starkes 144 MHz Signal kann direkt in den Eingang des 432 MHz Empfängers gelangen, wo es sich nicht mehr um das klassische Problem unzureichender Filterung von Harmonischen handelt.

Gerade dieses Phänomen beschreibt OK2VMC aus Erfahrungen von VHF-Wettkämpfen. An seinem Standort waren die Antennen nah beieinander und es wurden etwa 300 W bei 2 m verwendet. Durch Messungen stellte er fest, dass die Unterdrückung der dritten Harmonischen von 2 m Sendern 72 bis 77 dB betrug, sodass die Quelle der breitbandigen Störungen nicht die dritte Harmonische war. Das Problem war das starke Signal von 144 MHz, das durch die unzureichende Selektivität des Eingangs des 70 cm Empfängers drang.

Das ist auch wichtig für das Verständnis des Filterkonzepts. Es handelt sich nicht primär um einen Filter gegen die dritte Harmonische von 144 MHz. Seine Aufgabe ist es, zu verhindern, dass das Grundsignal von 144 MHz in den Empfangspfad von 432 MHz eindringt und dessen Eingangsschaltungen oder LNA weckt.

Vorteil der Kombination aus Hochpassfilter und Ausschnitt

Das Hochpassfilter würde zwar niedrigere Frequenzen unterdrücken, aber bei der Anforderung einer deutlichen Unterdrückung von 144 MHz könnte ein Kompromiss zwischen der Steilheit der Charakteristik, dem Einfügedämpfung und der Bandbreite erforderlich sein. VE2ZAZ löst das Problem durch die Kombination der Hochpasswirkung und des resonanten Ausschnitts genau im Bereich von 2 m.

Das Ergebnis ist ein Filter, der bei 432 MHz eine sehr geringe Einfügedämpfung aufweisen kann und gleichzeitig Dutzende von Dezibel Unterdrückung bei 144 MHz bietet. Die Referenzbeschreibung des Designs gibt etwa 0,1 dB Einfügedämpfung bei 432 MHz und etwa 60 dB Unterdrückung bei 144 MHz an. Diese Werte sind als Ergebnis eines bestimmten abgestimmten Exemplars zu verstehen, nicht als automatisch garantierte Parameter jedes hergestellten Filters. 

Prinzip der Schaltung

Der VE2ZAZ-Filter ist einfach. Die gesamte Schaltung ist passiv und benötigt keine Stromversorgung.

Für 432 MHz stellt das resultierende Netzwerk einen Durchgangspfad mit geringer Einfügedämpfung dar. Bei 144 MHz gehen die einzelnen Reaktanzen ein resonantes Verhältnis ein, wodurch eine tiefe Dämpfungskerbe entsteht. Die genaue Position des Minimums hängt sehr empfindlich von den tatsächlichen Werten der Komponenten, parasitären Kapazitäten, Induktivitäten und dem mechanischen Design ab.

Deshalb kann ein solcher Filter nicht nur nach den Nennwerten der Bauteile gebaut werden, und man kann nicht das identische Ergebnis erwarten. Bei VHF und UHF gehören bereits mechanische Abmessungen, die Länge der Anschlüsse, der Typ des Trimmers, die Anordnung der Spule und die relative Position der Bauteile zum RF-Kreis.

Konstruktion des Filters VE2ZAZ

Der ursprüngliche Entwurf VE2ZAZ verwendet zwei gewickelte parallele Spulen und drei einstellbare Kondensatoren. Diese Bauteile ermöglichen es, den Filter auf einen bestimmten Arbeitsbereich abzustimmen. 

Konstruktionsdetails

Für L1 und L2

• Verwenden Sie Draht AWG18 (0,042″ / etwa 1 mm Durchmesser).
• Wickeln Sie die Spulen auf einen Durchmesser von 0,25″ (6 mm).
• Stellen Sie den Abstand der Windungen ungefähr auf den Durchmesser des verwendeten Drahts ein.
• Wählen Sie die Anzahl der Windungen gemäß den im Schaltplan angegebenen Daten.

Für C1, C2 und C3

• Wählen Sie einen Drehkondensator mit einem Bereich, der den angegebenen Wert umfasst.
• Die empfohlenen Werte der Drehkondensatoren sind in Klammern angegeben.

Hinweis: Im Schaltplan sind für die Spulen die Werte L1 = 18 nH / 2 Windungen und L2 = 44 nH / 3 Windungen angegeben. Für die Kondensatoren sind die empfohlenen Bereiche C1: 9–35 pF, C2: 2–8 pF und C3: 9–35 pF.

Bei der Konstruktion ist daher nicht nur das elektrische Schema, sondern auch die mechanische Realisierung von Bedeutung. Der Filter muss in einem Metallgehäuse mit einer hochwertigen Erdung und kurzen Verbindungen untergebracht werden. Das Metallgehäuse selbst ist dabei kein elektrisch neutrales Element. Bei ähnlichen UHF-Filtern kann es parasitäre Kapazitäten und Rückströme ändern und somit die Resonanzfrequenz verschieben. Bei der späteren PCB-Version des abgeleiteten Entwurfs von VE2ZAZ wurde beispielsweise nach dem Einlegen in das Metallgehäuse eine Verschiebung des Ausschnitts um etwa 5 MHz beobachtet. 

Genau diese Eigenschaft erklärt, warum es ratsam ist, den Filter erst in der endgültigen mechanischen Konfiguration abzustimmen. Wenn die Änderung nach dem Schließen des Gehäuses vorgenommen wird, kann die resultierende Charakteristik von derjenigen abweichen, die an der offenen Vorrichtung gemessen werden konnte.

Abstimmung und Ergebnisse

Das praktischste Werkzeug zur Abstimmung ist der VNA. OK2VMC berichtetEr stellte den Filter mit einem billigen chinesischen VNA ein und ohne VNA wäre die Abstimmung im Grunde genommen eine Blindarbeit. Bei seiner Umsetzung verwendete er keramische kapazitive Trimmpotentiometer und Spulen aus lackiertem Draht mit einem Durchmesser von 1 mm. Das Ergebnis war eine Dämpfung von 144 MHz von mehr als 48 dB, ein Einfügedämpfung von etwa 0,17 dB bei 70 cm und eine Rückdämpfung von etwa 37 dB.

Beim Abstimmen ist es verlockend, den Filter auf den tiefsten Einschnitt einzustellen. Das muss jedoch nicht die beste Lösung für den realen Betrieb sein. OK2VMC berichtet, dass nach der Installation des Filters das Störsignal verschwand, als die 2 m Antenne auf die 70 cm Antenne ausgerichtet wurde. Der Filter hielt in dieser Konfiguration auch langfristig etwa 75 W stand.

Bei Entwürfen dieser Art ist es daher sinnvoller, nicht nur das absolute Minimum S21 bei 144 MHz, sondern auch die Breite und Stabilität des Ausschnitts sowie den minimalen Einfügedämpfung über den gesamten gewünschten Frequenzbereich von 432 MHz zu beobachten.

Praktische Erfahrungen von OK2VMC

OK2VMC beschäftigte sich ursprünglich mit der Störung des 70-cm-Standorts beim Betrieb eines 2-m-Senders. Nachdem er festgestellt hatte, dass die 2-m-Sender selbst kein problematisches drittes Oberton erzeugen, konzentrierte er sich auf die Robustheit des Empfangspfades bei 70 cm. Der Filter gemäß VE2ZAZ wurde dann direkt in die Antennen-Koaxialleitung integriert.

Das Ergebnis war praktisch signifikant. Bei paralleler Ausrichtung der Antennen verschwand die Störung nach geeigneter Positionierung der Arbeitsplätze, trat jedoch erneut auf, als die 2-m-Antenne in Richtung der 70-cm-Antenne gedreht wurde. Nach der Integration des Filters am Antennenanschluss des 70-cm-Empfängers verschwand die Störung. Diese Erfahrung zeigt gut, dass das Problem nicht nur durch die Leistung des Senders, sondern auch durch die Geometrie der Antennen und deren gegenseitige Ausrichtung bedingt sein kann. 

OK2VMC entwickelte gleichzeitig einen separaten Filter für den 2-m-Pfad mit umgekehrter Funktion. Dies ist interessant für ein Mehrbandgerät, da der Schutz des Empfängers in beiden Bändern erforderlich sein kann.

Praktische Erfahrungen von OM0AAO

OM0AAO kam aufgrund der Erfahrungen von OK2VMC zum Entwurf von VE2ZAZ. Bei der ersten Ausführung verwendete er ein Aluminiumgehäuse mit den Abmessungen 41 × 55,5 × 31 mm und N-Steckern, also einem Stecker und einer Buchse. Diese Ausführung ermöglicht es, den Filter direkt als Einlage in die Koaxialleitung zu integrieren. Der Filter wurde dann zusammen mit einem Umschaltrelais und einem LNA in einem Kunststoffgehäuse direkt unter den Antennen platziert.

OM0AAO maß bei 70 cm einen Einfügedämpfung von etwa 0,3 dB und eine Dämpfung von mehr als 40 dB bei 2 m. Das zweite Exemplar war deutlich kleiner, etwa 40 × 32 × 20 mm, und verwendete SMA-Stecker. Es war für den LNA SPF5189 vorgesehen. Aufgrund der Abmessungen des Gehäuses wurden keramische Trimmer verwendet, und die resultierenden Parameter waren etwas schlechter als bei dem ersten Filter, boten jedoch immer noch eine sehr gute Dämpfung.

Sehr wertvoll ist die Erfahrung mit dem Kompromiss beim Abstimmen. OM0AAO stimmt den Filter absichtlich nicht auf den absolut tiefstmöglichen Einschnitt ab. Obwohl es gelang, mehr als 40 dB Dämpfung zu erreichen, war dies nur in einem sehr engen Bereich. Mechanische Einflüsse, Temperatur und Zeit können den Filter verstimmen, und dann kann die Dämpfung bei der gewünschten Frequenz erheblich verschlechtert werden. Praktisch macht es daher mehr Sinn, eine gewisse Reserve und einen breiteren stabilen Einschnitt zu haben als einen extremen Wert, der nur an einem Punkt erreicht wird.

OM0AAO weist auch darauf hin, dass die Kosten für den Bau des Filters einige Euro nicht überschritten haben. Im Kontext der Empfangstechnik 70 cm ist dies ein interessantes Verhältnis zwischen Kosten, Komplexität und der resultierenden Unterdrückung unerwünschter Signale.

Zusammenfassung

Der kombinierte 432-MHz-Hochpass- und 144-MHz-Sperrfilter nach VE2ZAZ ist eine praktische Lösung für das Problem, das insbesondere bei Multiband-UKW-Stationen, Satellitenbetrieb und Wettbewerbsarbeitsplätzen mit eng beieinander liegenden Antennen auftritt. Sein Hauptmerkmal ist die Kombination aus geringer Einfügungsdämpfung auf 70 cm und deutlicher Unterdrückung eines starken 2-m-Signals.

Die wichtigste praktische Lektion ist jedoch nicht der Wert der Dämpfung selbst. Bei einem UHF-Filter sind die mechanische Umsetzung, die Präzision der Teile, die Qualität der Erdung und vor allem die richtige Abstimmung im finalen Gehäuse entscheidend. Die Erfahrung von OK2VMC und OM0AAO zeigt, dass Ergebnisse von etwa 0,2 bis 0,3 dB Einfügedämpfung und mehr als 40 dB 144-MHz-Unterdrückung für ein gut gebautes und abgestimmtes Exemplar realistisch sind.

Beim Tuning geht es daher nicht nur um eine möglichst tiefe Kerbe. Wichtiger ist ein ausreichend tiefer und mechanisch stabiler Entstörbereich, während bei der Betriebsfrequenz von 432 MHz die Einfügungsdämpfung möglichst gering bleiben sollte. In diesem Kompromissvorschlag liegt der praktische Wert des Filters für eine echte Funkamateurstation.