Foxiss Симулируем фильтр на 145 МГц, тут как-то при сборке платы УКВ на 145 МГц для трансивера «Волк-2», задался вопросом о проверке в симуляторе выходного фильтра.
Проверка выходного фильтра УКВ передатчика (145 МГц) в симуляторе, зачем это нужно и как это работает
Каждый радиолюбитель, собирающий свой первый или даже сотый трансивер, знает этот момент, плата спаяна, все соединения проверены, напряжение подано… И вот он самый ответственный этап, первое включение в эфир. Но что, если вместо чистого сигнала в антенну полетит «мусор», который создаст помехи соседям и вызовет вопросы у надзорных органов? Или, того хуже, часть мощности вернется обратно в выходной каскад усилителя?
Именно эти мысли привели меня к идее виртуальной проверки при сборке платы для диапазона 145 МГц. Речь идет об одном из самых важных узлов любого передатчика — выходном фильтре.
Выходной каскад (PA), особенно собранный на мощных транзисторах, по своей природе генерирует не только полезный сигнал на основной частоте (в нашем случае ~145 МГц), но и множество паразитных гармоник — сигналов на частотах, кратных основной (290 МГц, 435 МГц и так далее).
Без должной фильтрации сигнал будет «грязным», а внеполосные излучения могут создать серьезные проблемы. Поэтому расчет и сборка этого узла требуют высокой точности.
Почему нельзя доверять только бумажному расчету?
Классический подход — взять формулы из справочника Ротхаммеля, рассчитать номиналы катушек индуктивности и конденсаторов, а затем собрать схему. На КВ-диапазонах такой метод часто дает приемлемый результат. Но на УКВ (VHF), в диапазоне 144–146 МГц, физика процесса меняется.
Здесь начинают доминировать паразитные параметры, которые мы привыкли игнорировать. Индуктивность выводов, даже короткий вывод резистора или конденсатора обладает собственной индуктивностью.
Межвитковая емкость катушек, катушка индуктивности ведет себя как совокупность идеальных L и C элементов, образуя собственный колебательный контур. Паразитная емкость монтажа, близко расположенные проводники на плате создают емкостную связь. Реактивное сопротивление компонентов, обычный керамический конденсатор с выводами на этой частоте может вести себя скорее, как индуктивность!
Все это приводит к тому, что реальный фильтр, рассчитанный «по учебнику», может иметь совершенно другую полосу пропускания, затухание и коэффициент стоячей волны (КСВ), чем ожидалось. Он может просто не заработать.
Переходим в виртуальную реальность, симулируем фильтр на 145 МГц
Чтобы избежать этих проблем, я решил проверить свою схему в симуляторе. Для таких задач я использовал программу Filter Solutions, но можно попробовать и Qucs-S (бесплатно) или профессиональных пакетов типа ADS/AWR.
Симулируем фильтр на 145 МГц что мы моделируем?
Главное правило успешной симуляции — адекватность моделей. Нельзя просто поставить в схему идеальный элемент L или C. Нужно использовать реалистичные модели.
Катушки индуктивности, в свойствах элемента указываем не только номинал, но и добротность (Q) и собственную частоту резонанса (или эквивалентную последовательную емкость). Эти данные можно найти в даташите на готовые SMD-индуктивности или оценить для самодельных катушек.
Конденсаторы, указываем эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). На 145 МГц лучше всего работают безвыводные SMD-конденсаторы (типоразмеры 0805, 1206) или специальные ВЧ-конденсаторы.
Соединения, провода между элементами заменяем моделями линий передачи (микрополосковыми линиями), учитывая их волновое сопротивление и задержку распространения сигнала.
Анализ результатов
После запуска симуляции (обычно это анализ S-параметров) мы получаем графики, которые рассказывают о работе фильтра всё:
S21 (Transmission), это наш главный график. Он показывает амплитудно-частотную характеристику (АЧХ). Мы смотрим на полосу пропускания, попадает ли наша частота 145 МГц в максимум кривой? Оцениваем крутизну скатов, насколько резко фильтр отсекает ненужные частоты.
Смотрим на подавление гармоник, какое затухание фильтр обеспечивает на 2-й (290 МГц) и 3-й (435 МГц) гармониках? Хорошим результатом считается >40 дБ.
S11 (Reflection/Return Loss), этот график показывает, какая доля мощности отражается от входа фильтра назад в трансивер. Чем ниже значение S11 (например, -20 дБ), тем меньше отраженная мощность и ниже КСВ. Высокий КСВ может привести к перегреву и выходу из строя выходных транзисторов PA.
Групповое время задержки (Group Delay), показывает фазовую линейность. Резкие пики на этом графике означают, что широкополосный сигнал (как FM-вещание или цифровой сигнал) будет искажаться, «размазываясь» во времени.
Итог
Проверка схемы выходного фильтра в симуляторе перед изготовлением — это не прихоть, а необходимый шаг при работе на УКВ. Она позволяет:
Заранее увидеть реальную АЧХ и убедиться в эффективности подавления гармоник.
Добиться хорошего согласования с антенной (низкого КСВ), защитив выходные каскады передатчика. Избежать дорогостоящих ошибок, сэкономив компоненты и нервы.
Мой виртуальный эксперимент подтвердил работоспособность выбранной топологии, но также выявил необходимость немного скорректировать номиналы нескольких конденсаторов для идеальной настройки на центральную частоту. Теперь, когда я буду подавать питание на собранную плату, уверенность в результате будет стопроцентной.
Важно помнить, симулятор — это лишь инструмент моделирования идеализированной математической модели. Реальная печатная плата всегда внесет свои коррективы из-за несовершенства материала диэлектрика (FR-4) и неточности изготовления.
Поэтому после сборки финальная настройка фильтра («холодная» проверка с помощью анализатора) все равно обязательна. В статье есть реальная схема и характеристика фильтра, которая с успехом используется в трансивере.
