1) Простое устройство и легкая форма в стиле QRP

2) Воспроизводимость электрических параметров

3) Необходимость в минимальном оборудовании для настройки

4) Возможность некоторого "перетягивания" основной частоты кварцевого фильтра относительно номинала кварцевого резонатора.

Это простейший фильтр на одном кварцевом резонаторе с невысоким входным сопротивлением (несколько кОм), нагрузкой фильтра является эмиттерный повторитель. Настраивается за счет изменения нагрузочного сопротивления кварцевого резонатора (подстроечный резистор "RT"). Настраивается также входной параллельный контур в резонанс с кварцевым резонатором.

(Нажми для просмотра в полном размере)

Некоторые результаты экспериментов

При определении качества схемы, пришлось признать, что это очень плохой фильтр с высокой асимметрией АЧХ. Это происходит из-за того, что собственная емкость  и индуктивность кварцевого резонатора в этой схеме никак не компенсируется. На результирующей АЧХ появляется "провал" величина которого зависит от величины параллельного резонанса кварца. Расположение этого "провала" зависит от величины последовательного резонанса кварца (без нейтрализации) и он может отстоять от центрального пика полосы пропускания, например 10-ти МГц в сторону на 15 - 25 кГц. Проявляя любопытство я проверил, как себя ведут в этой схеме распространенные кварцевые резонаторы типа HC49 на частотах 8, 10 и 20 МГц. Оказалось, что "провал" АЧХ отстоял от пика полосы пропускания на 8,5 кГц, 11 кГц и 16 кГц соответственно.

Для того, что бы добиться большей симметрии необходимо нейтрализовать собственную емкость кварцевого резонатора. Этого можно добиться в схеме фильтра показанной ниже, путем установки конденсатора "Cn", настройкой которого добиваются нейтрализации собственной емкости кварца. При использовании кварцевого резонатора типа HC49 на частоты 4, 6, 8, 10 и 20 МГц достаточно номинала нейтрализующей емкости в 5 - 6 пф. Используется настраиваемый конденсатор, подстройка которого производится диэлектрической отверткой для устранения внесения дополнительной емкости от руки.

Представляет интерес последовательное включение с кварцевым резонатором настраиваемой индуктивности или конденсатора. Такое расположение элементов используется в некоторых приемниках. Это удобно для настройки центральной частоты полосы пропускания фильтра (последовательно включенный конденсатор повышает частоту настройки, а последовательно включенная индуктивность понижает частоту настройки). При повышении частоты настройки фильтра уменьшается емкость конденсатора нейтрализации, что ограничено из-за влияния емкости монтажа. При понижении частоты настройки фильтра емкость конденсатора нейтрализации наоборот увеличивается.

(Нажми для просмотра в полном размере)

Замечания по конструкции

Сама конструкция в макете представляет некий "силок для птиц". Конечно так собирать нельзя, при конструировании фильтра важно соблюдение "симметрии", использование коротких соединительных проводов для уменьшения паразитных емкостей.

1) Изолировать вход и выход фильтра для уменьшения паразитного просачивания сигнала минуя фильтр. Желательно применить логичное конструирование и экранирование узла.

2) Использовать короткие соединительные проводники, а лучше собирать все узлы на печатной плате. Уделять большое внимание симметрии обмоток используемых трансформатора Т1. 

Несколько фотографий макета кварцевого фильтра и законченного блока

Общий вид макета	Финишная сборка фильтра	Законченное устройство

 (Нажми для просмотра в полном размере)

Замечания по эффекту "дрейфа" частоты фильтра

С эффектом дрейфа частоты часто сталкиваются в несложных кварцевых генераторах. Такой же эффект возникает в кварцевом фильтре за счет наличия "внешней обвески" кварцевого резонатора - конденсаторов и индуктивностей, влияет и качества самого кварцевого резонатора (снижение эффективной добротности фильтра). Основная причина, обычное явление для кварцевого генератора - это температурный дрейф частоты является большой проблемой при конструировании. Существует правило - как далеко может происходить дрейф частоты: 1 кГц дрейфа на каждые 1 МГц частоты кварцевого резонатора. На частоте 10 МГц дрейф может составить 10 кГц и зависит от качества кварцевого резонатора. В кварцевом фильтре происходят аналогичные явления, которые проявляются снижением степени подавления внеполосных сигналов, расширением полосы пропускания фильтра. Эти явления могут стать проблемой при большой их выраженности. Для компенсации проблемы "дрейфа" параметров фильтра необходимо тщательно его конструировать  и применять высококачественные элементы с высокой добротностью и низкими потерями.

Пример использования генератора шума и программы ARGO для настройки фильтра. Используется полный диапазон частот для просмотра низких частот. В центре видна более ярко выраженная шумовая полоса соответствующая полосе пропускания кварцевого фильтра.

 (Нажми для просмотра в полном размере)

Настройка конденсатора "Cn"

Для настройки однокристального кварцевого фильтра необходимо нейтрализовать собственную емкость кварцевого резонатора для получения наиболее симметричной формы АЧХ. В основе схемы фильтра мостовая схема, которую необходимо балансировать. Вначале настройки устанавливается минимальная емкость нейтрализующего конденсатора или он убирается совсем. Приемник прямого преобразования по НЧ соединяется с персональным компьютером с запущенной программой анализатора спектра (например M0KGK SDR software). К антенному разъему подключается источник широкополосного шумового сигнала и исследуется АЧХ фильтра. Частота кварцевого генератора временно "уводится", удобнее вниз" относительно номинальной частоты настройки. Наблюдая за АЧХ на экране компьютера настраивают "Cn" до получения формы характеристики показанной на рисунке ниже. Существует способ настройки только блока кварцевого фильтра без использования персонального компьютера, для этого нужен широкополосный КВ приемник. Вначале приемник настраивается на 1-2 МГц ниже частоты 10,140 МГц и подстройкой "Cn" добиваются минимума шумов на НЧ выходе приемника (нуль шумов очень остроконечный). Затем приемник перестраивают на 1-2 МГц вверх и уточняют положение настройки "Cn" - позиции должны совпадать.

Если настройка не получается - не нужно вдаваться в панику. Последовательно с кварцевым резонатором можно включить некоторую емкость или индуктивность и повторить процедуру настройки при различных номиналах вновь установленных элементов. Частота пика настройки фильтра при этом может изменяться вниз или вверх. Если для настройки баланса требуется слишком маленькая емкость, то последовательно с кварцевым резонатором лучше включить небольшую индуктивность. В обратном случае добавлять параллельно "Cn" дополнительную емкость для настройки баланса. Как пример на рисунке ниже показана АЧХ оптимально настроенного кварцевого фильтра на одном кварцевом резонаторе для частоты 7020 кГц.

Для примера на рисунке ниже приведен график АЧХ фильтра на 7020 кГц с неправильно настроенным нейтрализующим конденсатором "Cn". Видна асимметрия с "провалом" в АЧХ, 

 
Примечание.
Рисунки созданы с помощью программы M0KGK SDR software.

Полоса пропускания

Полоса пропускания определяется на уровне -3 дб от силы сигнала в полосе прозрачности фильтра. Типичная полоса пропускания по этому уровню на частоте 10140 кГц колеблется от нескольких сотен Гц до нескольких кГц. При использовании очень узкополосных фильтров на выходе приемника появляется такой неприятный эффект, как "звон", затрудняющий непосредственный слуховой прием сигналов. Что не относится к визуальным способам приема информации с помощью например персонального компьютера.

Мостовой балансный фильтр

Andy (G4OEP) предложил использовать другой тип фильтра, который представляет интерес для повторения и сравнения с вышеописанным фильтром на одном кварцевом резонаторе. Для модификации фильтра требуется лишь установить второй аналогичный кварцевый резонатор вместо нейтрализующего конденсатора. Сам фильтр не имеет настроечных элементов, поэтому в схеме должны использоваться подобранные по параметрам кварцевые резонаторы, в противном случае потребуется индивидуальная настройка плеч моста с помощью конденсатора или емкости. Смотри схему ниже.

Примеры работы кварцевого фильтра 

(Нажми для просмотра в полном размере)

Обновление (26/09/2006)

В сентябре 2006 года Chris (DL6JAN) проводил дополнительные эксперименты с мостовым балансным фильтром на частоте 10140 кГц, и результаты экспериментов стали доступны QRSS сообществу. Также радиолюбитель G4OEP проводил дополнительную работу с этим типом фильтров на диапазоне 30 метров для приема QRSS сигналов. Ознакомиться с разработкой приемника с мостовым кварцевым фильтром можно по нижеуказанной ссылке.

Advanced 30 Mtr QRSS Receiver by G4OEP (lower third of web-page)

Некоторую дополнительную работу провел радиолюбитель G4OEP и описал детали настройки и измерения параметров кварцевых фильтров. Ссылка на публикацию приводится ниже.

Measurements on Signal Frequency Crystal Filters (SFXF) 

Спасибо за чтение статьи, если у вас есть вопросы, комментарии - просьба обращаться по адресу электронной почты.

e-mail 

Des (M0AYF)