Filtro Pasa Bajos HF para 40 y 80 metros, 5 polos (primer intento)

(Low pass filter for 80 and 40 meters HF bands – 5 poles, first try)

Un amplificador de potencia ideal sería aquel en que, para una señal de entrada dada, la señal de salida tiene una forma de onda tal que se puede expresar de manera exacta a través de la multiplicación de un valor escalar por la señal de entrada. Sin embargo, los amplificadores tienden a inducir distorsión en la señal de salida, generando espurias por intermodulación (presentes cuando se aplica más de una frecuencia de entrada al amplificador de potencia) y componentes armónicas (múltiplos enteros de la frecuencia fundamental – portadora -).

Estas distorsiones se deben a no linealidades en el comportamiento del amplificador, causadas por: no linealidades en la respuesta amplificadora de los dispositivos semiconductores – MOSFET o BJT -, saturación del amplificador, componentes comportándose en forma asimétrica en ambos semiciclos de la señal de entrada, saturación de transformadores de RF o choques, etc.. Amplificadores tipo push-pull (o en contrafase) tenderán a generar menos distorsión debido a la simetría en su operación, versus aquellos que poseen un único dispositivo semiconductor de salida.

Ahora bien, como no existe el amplificador ideal, en nuestros equipos transmisores necesariamente debemos implementar filtros que mitiguen estas espurias. A continuación un primer intento en la construcción de filtros pasa bajos para transmisores en la banda de 40 y 80 metros (HF).

Vamos a nuestro primer intento de filtro para las bandas de 80 y 40 metros. Simulaciones en RFSIM.

El diseño para 40 metros está basado en el filtro de 5 polos que utiliza el kit ILER 40. Para 80 metros, se mantuvieron las mismas reactancias capacitivas en inductivas del filtro anterior, pero calculadas para esta banda, resultando en la multiplicación en un factor x2 de capacitores e inductores (los condensadores de 940pF los consideré de 1nF) . Utilizaremos la herramienta RFSIM para simular el comportamiento de estos circuitos.

Figura 1. Filtros a simular en RFSIM.

En las gráficas siguientes tenemos escala lineal en el eje X, correspondiente al eje de la frecuencia, mostrando el rango comprendido entre 1 kHz y 30 MHz. En el eje Y, tenemos escala logarítmica (dB), donde en rojo apreciamos el parámetro de transmisión S12 (o S21 – es simétrico, pues dá lo mismo cuál puerto es entrada o salida en estos filtros pasivos, con igual impedancia característica en ambos puertos -) y en azul el parámetro de reflexión S11 (o S22, por la misma razón recién mencionada). Estos parámetros dependen de la frecuencia y corresponden a la proporción (expresada en dB) de la potencia que pasa a través del filtro (S12) o la que se refleja (S11), respecto de la potencia total inyectada al filtro.

Figura 2. Respuesta simulada del filtro para 40 metros. Click para aumentar imagen.

De acuerdo a la figura 2, El filtro para 40 metros tiene respuesta prácticamente plana para el rango de frecuencias comprendido entre 6 MHz y 8.5 MHz, con atenuación de transmisión S12 inferior a 0.25 dB y parámetro de reflexión inferior a -15 dB. La frecuencia de corte (-3 dB) está a 9.9 MHz. A 14 MHz tenemos atenuación del orden de 25 dB, a 21 MHz de 44 dB y a 28 MHz de 58 dB. Bastante bien.

Figura 3. Respuesta simulada del filtro para 80 metros. Click para aumentar imagen.

Por otro lado, el filtro para 80 metros tiene respuesta prácticamente plana para el rango de frecuencias comprendido entre 3 MHz y 4.2 MHz, con atenuación de transmisión S12 inferior a 0.05 dB y parámetro de reflexión inferior a -20 dB. La frecuencia de corte (-3 dB) está a 5 MHz. A 7 MHz tenemos atenuación del orden de 25 dB, a 10.5 MHz de 44 dB y a 14.5 MHz de 60 dB. Muy bien.

Y ahora, a construir.

Entre mis componentes tengo algunos toroides tipo T130-2, adecuados para trabajar hasta 10 MHz. Con estos toroides podemos construir filtros que soporten 500W P.E.P. sin problemas. También encontré condensadores cerámicos de alto voltaje (1 kV) de diversos valores. Si bien este tipo de condensadores no es ideal para aplicaciones en RF, por presentar pérdidas no despreciables en dieléctrico al operar en el rango de las radiofrecuencias y por la alta dependencia de su capacitancia con la temperatura, los voy a utilizar de todas maneras a modo de ensayo. La idea es siempre aprovechar lo que hay a mano para experimentar.

El circuito se muestra a en la figura 4.

Figura 4. Circuito con filtro pasa bajos para bandas de 80 y 40 metros, de 5 polos.

El filtro requiere alimentación 13.8 VDC, y consume del orden de 30 mA, dados por la corriente del bobinado del relé activo y LED indicador de banda.

En la foto 1 vemos una vista general de esta primera versión de filtro pasa bajos bi-banda, para 80 y 40 metros. Está armado sobre un PCB pre-perforado, dejando las mayor parte de las conexiones a través de conductores soldados, lo más cortos posible. Si bien no es la mejor forma de construir PCBs de RF (recordemos que en RF se hacen relevantes las capacitancias e inductancias parásitas, afectando el desempeño del circuito), me he tomado la libertad de hacerlo así pues está pensado en operar sólo en las «bandas bajas» de HF, como lo son 40 y 80 metros. El frecuencias más altas, el efecto de estas capacitancias e inductancias parásitas se hace muy relevante.

Foto 1. Filtro construido para mediciones.

Los inductores (bobinas) se construyen de acuerdo a las indicaciones del fabricante de los toroides (ver toroids.info), donde tenemos la siguiente relación:

Ecuación 1. Cálculo de inductancia de bobinado sobre toroide T130-2.

De la ecuación 1 podemos obtener que para un L = 1 uH, N = 9.5 vueltas. En la foto 2 vemos esta bobina lista.

Foto 2. Inductor 1uH sobre toroide T130-2, utilizado para filtro pasa bajos banda de 40 metros.

Asimismo, para la L = 2 uH, N = 13.5 vueltas. Podemos apreciar esta bobina en la foto 3.

Foto 3. Inductor 2uH sobre toroide T130-2, utilizado para filtro pasa bajos banda de 80 metros.

Estos enrollados fueron construidos con hilo esmaltado 18 AWG.

Los resultados.

Llegó la hora de la verdad… pongamos el circuito de la foto 1 al analizador de espectro con generador de tracking. En las figuras 5 y 6 tenemos los resultados de ambos filtros.

Figura 5. Respuesta de filtro para banda de 40 metros.

Para 40 metros, vemos que dentro del rango 6.990 kHz y 7.330 kHz el rizado es inferior a 1 dB, pero sin embargo observamos atenuación entre 2 y 3 dB. Esto puede deberse al tipo de condensadores utilizados y al rango de tolerancia de las componentes (especialmente los inductores, que posiblemente son de más de 1 uH). A 14.3 MHz la atenuación es del orden de 25 dB, a 21 MHz de más de 45 dB, mientras que a 28 MHz de 50 dB.

Figura 6. Respuesta de filtro para banda de 80 metros.

En el caso del filtro para 80 metros, vemos que dentro del rango 3.500 kHz y 4 MHz el rizado es inferior a 1 dB pero, al igual que en el caso anterior, observamos atenuación entre 2 y 3 dB. A 7 MHz la atenuación es del orden de 30 dB, a 10.5 MHz de más de 45 dB, mientras que a 14.5 MHz de 55 dB.

A medida que incrementamos la frecuencia, observamos que la atenuación tiende a ser menor (ver figura 7). Esto se debe a que los acoplamientos capacitivos se hacen más significativos, predominando capacitancias en serie. Para reducir este efecto, será conveniente apantallar cada etapa del filtro (por ejemplo, poniendo placas de aluminio conectadas a tierra GND entre los inductores toroidales).

Figura 7. Respuesta observada en el rango 1 kHz a 60 MHz.

A lo largo del rango de frecuencias analizado, vemos máximos y mínimos de atenuación, dejando en evidencia ciertas resonancias en el circuito.

Conclusión

La respuesta en frecuencia del circuito físico es diferente a la simulada, resultado esperable porque las componentes reales tienen valores de inductancias y capacitancias diferentes a las ideales. Por otro lado, las inductancias tienen capacitancias parásitas relevantes a la frecuencia de operación.

Otro aspecto importante es la alta atenuación del filtro dentro de las bandas de interés. Se han medido entre 2 dB y 3 dB. En otra oportunidad, quiero probar el filtro con potencia, para ver si esta atenuación se debe a los capacitores cerámicos (debieran ser de mica). Operando el filtro con unos 300W en CW, y tomando imágenes térmicas podremos descubrir dónde está la pérdida de potencia.

En resumen, está bastante bueno el filtro, pero si lo quieres construir te recomiendo utilizar capacitores de mica y apantallar los toroides entre sí.

Si lo construyes, agradecería me comentes cómo te ha funcionado.

Saludos

Emerson Sebastián

 

ACTUALIZACIÓN 22/02/2021

Por restriciones de espacio, en casa puedo operar desde la banda de 40 metros hacia arriba en forma eficiente, lo que me motiva a construir filtros para 40 y 10 metros. Para 10 metros hay un kit relativamente barato en Ebay, el que decidí adquirir, mientras que para 40 metros decidí construir un filtro con capacitores mica-plata y toroides T130-6. Los resultados de mi diseño son satisfactorios, mientras que el filtro adquirido queda un poco al debe.

Figura 8. LPF para 40 y 10 metros.

En cuanto disponga de tiempo para ello, publicaré mis resultados.

6 respuestas a «Filtro Pasa Bajos HF para 40 y 80 metros, 5 polos (primer intento)»

  1. Hola Emersón
    Estaba buscando algo asi para un amplificador de 1 Kw que quiero usar principalmente en bandas de 20 y 40m, asi que esto me da una buena idea, lo que te agradezco.
    Pero he visto tu actualización donde has construido con nuevos condensadores de mica plateada, me gustaria que me comentases que mejora en cuanto a la etenuación de la banda de paso has obtenido ya que comentabas en tu primer intento que las perdidas de paso eran de 2 a 3 dB que son pérdidas de casi la mitad de la potencia. agradecería tus comentarios
    Saludos
    si puedes enviarme el comentario a mi email te lo agradezco mtordesi@hotmail.com

  2. Hola, buscando como construir un filtro chevichev, encotre esto y me pareció muy interesante, sobre todo porque estoy experimentando con un ILER 40. Agradezco mucho a gente como Uds. que experimentan y publican.
    Un saludo y espero que continúen, que no perdais motivación
    73´

    1. Hola Gerardo. Muchas gracias por tu comentario.
      Ya subiré el detalle de la nueva versión del filtro para 40 metros, con dos toroides T130-6 y capacitores mica-plata. Estoy probando un amplificador CB (con sencillas modificaciones) + este filtro para el Iler 40, y anda de maravilla. Saludos desde Chile.
      73s.

  3. Hola,
    Muy buena publicación, solo tengo algunas dudas, respecto de los filtros. En las figuras se comenta de una atenuación de 2 a 3 DB sin embargo, la pantalla de analizador marca 22 a 23 DB y el tenuador esta en 10db. Hay algo raro ahí.
    Por otro lado, respecto de la atenuación en la banda de rechazo claramente va a ser mayor a medida que uno se aleja, sin embargo, lo importante es la atenuación real en DB para el segundo armonico ya sea para lo definido por subtel o FCC. Hago estos comentarios con la mejor onda y sin afán de aportillar. Encuentro excelente que gente se dedique a hacer este tipo de cosas.
    Les sugiero un filtro chevichev con condensador de entrada, cortando en 7.5 mhz. y 0.1db de variación en banda pasante es de 4 orden lo que da una atenuación de 20.6 DB para 14 MHz y 0.16 DB en la pasante
    Sigan adelante
    Agustin

    1. Hola Agustín. Muchas gracias por tu comentario. La idea es que este tipo de iniciativas genere conversación.
      Como nos interesa ver sólo mediciones relativas a la banda pasante, no hice referencia a los parámetros de configuración del TG y en front-end del analizador. Estamos con P = -10 dBm, a lo que si consideramos la atenuación del ATT (10 dB) y preamplificador apagado, tenemos como referencia los -20 dBm. Por ello, idealmente en la banda pasante tengamos aproximadamente -20dBm. En cada figura hice referencia a la atenuación observada en las armónicas pares e impares, para hacerse una idea de la respuesta del filtro.
      Voy a probar el Chevyshev que me indicas (ideal si puedes compartir los valores de las componentes).
      Saludos desde el Maule y buena semana,
      Sebastián

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