Homebrew, Bandpassfilter 145.500 MHz, Uli-DL2LTO

VHF Low Loss Helical Bandpass Filter 2m - 145 MHz

Projekt: Bandpass Filter 2m - 145 MHz

Kontakt:

Einleitende Worte

Im Internet beschreibt Mile Kokotov, Z33T den Aufbaus eines verlustarmen Bandpassfilters für das 2m Band. Ich fand das Design interessant, denn es ist leicht ohne spezielle Bauelemente nachzubauen.
Das Filter ist in einer abgschirmten Box und besteht aus zwei Induktivitäten als Luftspulen und zwei Platten als Kondensatoren mit Luftdielektrikum. Die beiden Kondensatoren müssen für eine hohe HF-Spannung ausgelegt sein! Zugegeben ist für ein RX-Filter der Aufwand zu hoch, aber im Sendefall treten am Kondensator extrem hohe Spannungen auf, die in diesem Selbstbau als abstimmbare Plattenkapazitäten auch mehr als 100 Watt Sendeleistung vertragen.
Durch einfaches verschieben einer Kondensatorplatte wird das Durchlassfrequenzband optimiert.
Das Filter dient der Eingangsselektion, um Empfänger vor Interferenzen durch außerhalb des Bandpassbereichs befindliche Störer zu schützen.
Das Bandpassfilter wird mit einem kurzen Koaxkabel auf den Antennenanschluss des Handfunkgerätes aufgeschraubt und somit zwischen Antenne und Empfänger eingeschleift. Es unterdrückt Signale ausserhalb 144-146 MHz um mindestens 25 dB bis über 50 dB und hebt damit die 2m-Amateurfunksignale wieder aus dem Rauschen heraus.

Skizzierter Aufbauvorschlag

Diese Skizze soll den späteren Zusammenbau der Filterkomponenten verdeutlichen.

Es ist eine vorwiegend mechanische Lösung. Zwei lose gekoppelte Parallelschwingkreise werden in einem abgeschirmten Gehäuse angeordnet. Wichtig ist der Abstand der Spulen zueinander und deren Bemaßung!

Angaben zum praktischen Filteraufbau:

L1 = L2	–	6 Windungen, einlagig
Spulendurchmesser	–	Ø 23 mm
Spulenlänge	–	ca. 36 mm
Drahtdurchmesser	–	Ø 2 mm
50 Ω Abgriff	–	nach ¼ Windung von Masse
C1 = C2	–	Plattenkondensator - Lufttrimmer ca. 0.5 bis 5 pF
Boxenmaße	–	ca. 120 x 90 x 50 mm

Details

Platten Kondensator:
Die beiden Luft Kondensatoren werden selbst gebaut. Dazu wurden aus einem 1 mm starken Kupferblech 4 kreisrunde Platten mit einem Ø von 32 mm ausgeschnitten.
Bei der Materialsuche für die Kondensatorplatten und der Luftspulen darf man nicht vergessen, dass es zur Reduzierung von Verlusten und zur Erhöhung des Qualitätsfaktors notwendig ist, Materialien mit möglichst geringem Widerstand zu verwenden. Wahrscheinlich wäre eine der möglichen Lösungen, die Spulen, Kondensatorplatten, Einstellschrauben und Muttern zu versilbern. Das muss aber nicht sein.

Platten Kondensator Kapazität verändern:
Metalldübel

Für mich stellte sich die Frage, wie eine Feinjustierung der beiden Plattenpaare sicher durchgeführt werden kann. Die Gewindestange muss sich stramm und mit guter Kontaktgabe bewegen lassen. Um das umzusetzen wurde ein Messingdübel eingelötet.

Detailansicht

Von der Messingschraube wurde der Kopf abgefeilt und das Ende der Gewindestange mit einem Schlitz für einen Schraubenzieher versehen. Beim Eindrehen dieser Gewindestange, spreizt sich der Messingkonus im Innern auf. Die Spreizwirkung sollte gerade merkbar sein, sanft verlaufen und gute Kontaktgabe garantieren. Um das zu erreichen musste ich ca. 3 mm von der enger werdenden Konusseite abfeilen. Das muss man je nach Dübelart individuell anpassen.
Eine am Metalldübel angelötete Mutter sorgt für einen optimalen Sitz in der Gehäuse Box.

Die beiden variablen Platten vom Luftdrehkondensator. Die Gewindestange ist 25 mm lang und wird von innen in den Spreizdübel gedreht. Durch Rein- bzw. Rausdrehen kann dann die Kapazität in Grenzen zum Filterabgleich variiert werden.

Verbunden-Gewindestange und Kondensatorplatte

Das eine Ende der Spule wurde mit einem Plattenpaar des Luftdrekondensators verlötet. Beide Kondensatorplatten mit dem Spulenende und die variabel zu verschiebene Platte müssen nun noch in das Gehäuse eingebaut werden.
Hinweis: Der Draht für die beiden Spulen sollte den Durchmesser von 2 mm nicht unterschreiten. Da die eine Spulenseite nur mit der Boxenwand verlötet ist, die andere Seite mit der runden Kondensatorplatte aber freitragend in der Luft hängt, kann es zum Federn, Herumspringen führen. Die Kondensatorplatte muss aber ruhig an der richtigen Stelle positioniert sein. Sonst gibt es Verwerfungen bei der Abstimmung und im praktischen Einsatz.
Von einer Abstützung mit einem Pertinaxstreifen halte ich nicht viel, ist aber im Ausnahmefall sicher möglich.

Verbunden-Luftspule und Kondensatorplatte

Luftspulen:
Der Durchmesser der Spulen beträgt 23 mm.
Mehr durch Zufall habe ich einen 18650 Akku in der Hand gehalten und festgestellt dass dieser Akku genau den gesuchten Wickeldurchmesser hatte. Also wurde die Spule straff auf diesen Akkutyp gewickelt. Wird vom Spulendurchmesser abgewichen, wird es nicht gut möglich sein, in den 145 MHz-Bereich abzugleichen!
Die beiden BNC Buchsen sollten ca. 20 mm vom Gehäuseboden eingesetzt werden. Den Ankopplungsdraht nicht zu lang machen. Direkt nach einer ¼ Windung sitzt der Einspeisepunkt für 50 Ω. Die Spulen werden gleichsinnig gewickelt, aber um 180° verdreht eingesetzt. Die Wicklungen beginnen und enden somit auf entgegengesetzten Seiten.

Gehäuse Box:
Ich schneide die Wände für das Filtergehäuse aus FR4 doppelseitig Cu beschichtetem Leiterplattenmaterial aus und bohre die notwendigen Löcher für beide BNC Buchsen und beide Metalldübel.
Als HF-Anschlüsse wurden 2 BNC Buchsen gewählt. Für diese Anschlüsse gibt es die nötigen Adapter und Verlängerungen.
Die beiden BNC Buchsen müssen für eine gute HF-Leitfähigkeitzur mit der inneren Massefläche der Box verlötet werden. Dies Übergänge beeinflussen die Einfügedämpfung des Filters.
Vorbereitung der Elemente für die Filtermontage:
Zuerst wurde je ein Plattenteller an ein Spulenende mittig in einer Fluchtlinie angelötet. Zuvor wurden die beiden Metalldübel bereits in die Boxenwand eingelötet. Je ein Kondensatorteller wird nun mit der Gewindestange in den Metalldübel geschraubt. Damit ist erst einmal ein Kondensatorteller fixiert.
Nun die Spule mit den anderen Kondensatorteller an den Kondensatorteller mit der gerade eingeschraubten Gewindestange ausrichten. Wenn alles soweit im "Lot" ist, das andere Spulenende an die Boxenenwand anlöten.

Das eine Ende des Metalldübels verläuft konisch. Damit wird eine straffe kontaktsichere Masseverbindung der einen Kondensatorplatte erzielt. Um das zu erreichen wurden über Kreuz 4 Einschnitte gesägt.
Da hinein darf kein Lötzinn gelangen! Siehe roter Kreis.
Desshalb wurde auf der Unterseite der Mutter ein sehr kleiner Klecks Klebstoff gegeben und vorsichtig durch die Bohrung auf der Kupferplatine gedrückt. Somit wurde der Fluß von Lötzinn beim Anlöten der Mutter in die Schlitze verhindert.
Die beiden Gewindestifte müssen für eine gute HF-Leitfähigkeit unbedingt blank und fettfrei sein.

Überschlagsmäßige Kapazitätsberechnung des Plattenkondensators in pF

Die Kapazität C eines Plattenkondensators mit dem Flächeninhalt A der gleichgroßen runden Platten, dem Plattenabstand d und einem Dielektrikum mit relativer Dielektrizitätskonstante ε_r ist proportional zum Flächeninhalt und antiproportional zum Plattenabstand d.
Die relativer Dielektrizitätskonstante ε_r wurde hier mit 1.00059 für Luft angenommen.

Plattenkondensator-Berechnungsgrundlagen

Beide Eingaben in mm (Punkt erlaubt)

Platten Durchmesser [mm]
Platten Abstand [mm]
Kapazität [pF]

Blick in das Innere der Filterbox

Es ist darauf zu achten, dass die Spulen möglichst parallel verlaufen. Die beiden Kondensatorplattenteller sollten auch parallel ausgerichtet werden und es ist darauf zu achten, dass diese möglichst deckungsgleich angeordnet werden.

Um das Bandpassfilter mit einem Widerstand von 50 Ω anzupassen, müssen die Abgriffe der Spulen im Abstand von einem Viertel der Länge der Spulenwindung mit den Mittelkontakten der BNC Buchse verbunden werden.

Die HF-Anschlüsse, hier BNC sind zwecks guter Kontaktgabe mit der inneren Massefläche der Gehäusebox zu verlöten. Wichtig ist der allseitige Kontakt nach Masse. Auch der Deckel hat einen wahrnehmbaren Einfluss auf die Filterparameter.

Filterabgleich

Abgleichkontrolle mit Wobbler, Analyzer, NanoVNA. Kondensatorteller wechselseitig auf minimale Durchgangsdämpfung bei z.B. 145.5 MHz einstellen.
Alternativ mit einem Rauschgenerator und SDR-Spektrumanzeige oder Empfänger. Rauschgenerator am Eingang anschließen und am Ausgang 3 Frequenzen vergleichen: 135 MHz und 155 MHz sollten min 15 dB abgesenkt werden, die Durchgangsdämpfung auf 145.5 MHz sollte sich bei ca. 0.8 dB einpendeln.
Durch leichtes Strecken oder Stauchen der Spule kann eine Feinabstimmung der Induktivität und damit der Frequenz erreicht werden. Ein Auseinanderziehen der Windungen verringert die Induktivität und führt zu einer Frequenzerhöhung.

Hier wurde über einen großem Frequenzbereich gescannt, 50 MHz bis 800 MHz. Es unterdrückt damit sehr effektiv Signal ausserhalb des 2m Bandes.

Das Filter wurde für das 2m Amateurfunkband bei 145.425 MHz, der Bergfrequenz im 'Sächsischen Bergwettbewerb' optimiert. Die gemessene minimale Einfügedämpfung bei 144.425 MHZ beträgt rund 0,7 dB.

Hereingezoomt. Aufgezeichnet ist der Durchlassbereich zwischen 140 MHz und 150 MHz. Die Einfügedämpfung um 145.425 MHz ist kleiner als 1 dB. Bei 140 Mhz und 150 MHz beträgt sie bereits ca. 10 dB.
Das Filter hat eine 3 dB Bandbreite von ca. 4 MHz, einen Verlust bei 145.425 MHz von etwa 0.7 dB.

Das folgende Chart zeigt den Verlauf meiner Optimierungen auf, die durch nochmaligen feinabgleich sicher noch etwas verbessert werden kann.
Auf Diagramm klicken, dann wird im separaten Fenster das Diagramm groß angezeigt.

Detailanalyse Bandpass Filter 145 MHz...

Abschließende Anmerkungen

Es ist auf gute Abschirmung des Gehäuses zu achten. Nur so können bereits Störstrahlungen von außen effektiv unterdrückt werden.
Es ist darauf zu achten, dass sich eine "normale" Stellschraube oder eine Schraube aus dem Laden NICHT in der Mutter "frei bewegen" sollte. Es ist notwendig, das Spiel der Schraube in der Mutter sehr gering ist. Hat die Stellschraube der Kondensatorplatte Spiel, verkopmpliziert sich der Abgleich und die Arretierung mit einer Sicherungsmutter kann ein Versuch sein.
Die Abdeckplatte sollte mit einem flexiblen Drahtgeflecht im Boxeninnenraum mit Masse verbunden werden.
Die beide Videosequenzen von Z33T zu diesem Filter

145 MHz Low Loss Bandpass Helical Filter by Mile Kokotov

Characterize My Homemade VHF Helical Bandpass Filter with VNA

Das simple Bandpassfilter besteht aus zwei Schwingkreisen gleicher Resonanzfrequenz. Die Signalkopplung erfolgt induktiv. Je nachdem, wie die Spulen zueinander angeordnet sind, ändert sich die Filtercharakteristik. Großen Einfluss auf die Durchlasskurve hat der Koppelfaktor und die Schwingkreisgüte.
Durch eine Anzapfung der Spule nach dem Prinzip des Spartransformators wird Input und Output so angepasst, dass die Kreisgüte und damit die Flankensteilheit groß bleibt.

Ein solches Filter nur mit experimentieren zu optimieren ist sehr zeitaufwendig und nicht immer erfolgreich. Die zur Verfügung stehenden Simulationsprogramme sind sehr hilfreich. Eine nachträgliche oder parallele Messung führt zum Ziel. Verwende also Simulationen und Messgeräte, um die Leistungsfähigkeit eines Filters zu überprüfen und anzupassen, bevor du die abschließende Schaltung und das Layout umsetzt.