FRONT - END FORUM con riferimento agli articoli pubblicati su Radio Rivista di settembre e ottobre 2002.  Filtri Butterworth vs filtri ellittici Cauer e preamplificatori. I vostri commenti e risposte

E-mail del 19 ottobre 2002 da parte di I5SXN, Angiolo:

Per Sergio e Romano, IK4AUY e I4FAF.

Sono Angiolo Chiti I5SXN, ho molto apprezzato al vostra idea di far precedere i ricevitori da circuiti passa banda per eliminare risposte spurie o disturbi dovuti a forti stazioni fuori gamma. Il compianto I5TDJ diceva che trasmettitori e ricevitori si fanno con i circuiti accordati.

Sono però rimasto stupito della presenza dei due circuiti serie fra il centro dei filtri e massa. Ho allora effettuato la simulazione al computer di questi filtri con due programmi che uso normalmente.

Quella che vi invio e' la simulazione ottenuta con il programma Touchstone, ma non più ottenibile se non nella ultima edizione della Agilent a circa 30.000 dollari e forse più.

Identici risultati li ho però ottenuti con il programma ARRL Radio Designer che la ARRL vende a 150 dollari. Questo programma è derivato dal Compact Software che Ulrich L. Rhode (KA2WEU, anche DJ2LR o HB9AWE) ha fatto ridurre per metterlo a disposizione dei radioamatori.

 

Ambedue le curve sono ottenute eliminando L2 e C2.

La curva verde che è meno scampanata a sinistra e più a destra la ho ottenuta con un condensatore da 90 pF al posto di L3 e C3, quella blu è stata ottenuta con L3 da 0,2 m H e C3 da 55 pF.

In ambedue i casi il return-loss è identico, come vedete le due curve sono sovrapposte.

Da questo ho dedotto che i due circuiti risonanti serie verso massa sono inutili ed in qualche caso, provando vari valori di capacità, possono creare delle risposte spurie a frequenza più alta.

Faccio inoltre notare che usando questi programmi di simulazione ho sempre ottenuto risultati ottimi, soprattutto in HF dove le componenti parassite delle induttanze sono trascurabili.

Buon lavoro e 73 Angiolo I5SXN

Nostra risposta del 25 ottobre 2002:

Carissimo Angiolo Chiti, I5SXN
Premessa:

La tua e-mail ci ha fatto molto piacere (credo che tu sia un tecnico "professionale" e non solo radioamatore). Anche se sono radioamatore con nominativo dal ‘80, patente nel '78 all'eta' di 16 anni, mio padre da molto molto tempo prima, anch'io ricordo con piacere gli articoli vari del compianto I5TDJ e tuoi su Radio Rivista.
Premesso che siamo della stessa idea che un buon ricevitore e' fatto anche di buoni filtri ovvero con un fattore di forma buono e correttamente commutabili con un sistema che non generi di suo IMD (quindi relais meccanici),  meglio se i filtri passa banda posizionati tra l'antenna ed il mixer coprono le sole bande a noi assegnate,  sia quelli ancor piu' stretti  o per la sola SSB o per CW, a quarzo o meccanici , subito dopo il primo mixer (no FM, esempi di apparati con questa architettura sono l'Elecraft K2, in kit di montaggio, oppure in nuovissimo top line della TEN TEC denominato "ORION" per citarne alcuni), oppure con un compromesso di copertura, quelli  a quarzo nel front -end, con la sola pecca di essere a banda ancor piu' limitata poiche' realizzati proprio a quarzo e presentati qualche anno fa dal ns. amico Roberto IK4AVZ (ora in pensione, egli lavorava al CNR di Bo), con il quale abbiamo anche co-scritto l'articolo sugli amplificatori per TX QRP a mosfet a bassissimo costo, ma lineari (R.R. 2000).

Tra l'altro ho scoperto recentemente che filtri a quarzo similari, di progetto della "INRAD", per piccole porzioni HF, sono ora prodotti e venduti da questa ditta USA specializzata in filtri a quarzo di media frequenza.

Due anni fa a Friedrichshafen ho avuto dallo stand YAESU-Europe un fascicolo, denominato technical overview del MARK V, che non e' altro che l'approfondimento tecnico analitico relativo al loro apparato di punta per le HF (nonche' piu' costoso) FT1000MP-MK V in cui usano  n. 5 filtri passabanda commutati da relais per le bande dei 160 metri sino ai 20 metri compresi, solo per la banda amatoriale, oltre ai seguenti 10/11 filtri tradizionali  passa-banda costruiti con le solite impedenzine (molded choke  simili alle resistenze o similari) e per questi ultimi c'e' anche un grafico all'analizzatore di spettro dove si evince dallo span orizzontale che, in testa, sono larghi sui 3 MHz  essendo questo RX, come la maggior parte di quelli JA, a copertura continua) mentre i cinque filtri passa banda posti all'entrata dell'antenna canale RX hanno un controllo variabile del peak (presumo a varicap) sintonizzabile dal pannello. Stessa tecnica usata anche nel nuovissimo FT1000-MK V Field.

Noi abbiamo cercato di semplificare la cosa, poi durante i contest non hai il tempo di fare dei peaking su segnali  che hanno del FADING, per cui abbiamo optato per filtri fissi con la ricerca di buoni fianchi, buon fattore di forma a -50/-60 dB  il piu' stretto possibile, e a -3/-6 dB con larghezza di banda pari a circa le nostre bande o poche decine di KHz in piu'.
Le prove di lavoratorio ARRL hanno confermato per il MARK V, qui mi riferisco al solo valore di IP2 (punto di intercetta del secondo ordine) migliore di tutti gli altri apparati, con i loro filtri inseriti nelle bande basse, con valori di oltre +100dBm (la media degli altri apparati non dotati di tali filtri e' tra i 60 e 80 dBm).

Altra cosa importante, come avrai letto nella parte prima, noi siamo partiti dalle bande basse 160,80,40 metri, che ci interessavano in primis, poi le altre bande le abbiamo coperte per completare il lavoro.

Cio' premesso ho gradito molto il tuo grafico ottenuto con il software di simulazione della ARRL di cui conoscevo l'esistenza, ma un po' il prezzo, non l'ho mai preso.

Gradiremmo, quando avrai tempo, se potessi inviarci un analogo grafico se provi con i dati per la banda degli 80 metri ad esempio.

Ti informiamo che nelle bande basse (sicuramente entrano in gioco i valori di Q ottenibili con i toroidi di ampia sezione usati) la forma di passabanda REALE ottenuta da questi filtri ellittici CAUER e' eccellente con un passabanda a -60dB notevolmente piu' stretto rispetto ai Butterworth (vedi il grafico di simulazione nella prima pagina del ns. sito internet assolutamente vicino alla forma visualizzabile con un analizzatore di  spettro con tracking).

W3NQN tecnico senior dell' ARRL e "guru" dei filtri nel suo articolo in QEX (vedi riferimento nel mio testo) ha proprio ottimizzato i valori dei due gruppi (L2-C2, L3-C3 verso massa della configurazione CAUER) proprio per accentuare il NOTCH sulle due bande radioamatoriali adiacenti poiche'  il progetto gli era stato "commissionato da note stazioni per contest USA che operano nei MULTI MULTI ovvero con TX in contemporanea su tutte e 5 le bande radioamatoriali con potenze da 1500 w PEP  nel raggio di poche centinaia di metri.

Questa configurazione ritrovata nel sito di OK1RR usa il principio delle trasformate (L1-C1 ed L4-C4 qui sono in risonanza serie anziche’ parallelo come proposto nell’articolo originale in QEX da parte di W3NQN) ed e' molto simile a quello presentato da W3NQN, ma in questo modo ha potuto ottenere dei valori di induttanza pratici per un match diretto a 50 Ohm, mentre W3NQN aveva simulato il filtro Cauer da lui presentato ad un'impedenza di input e output piu' alta poi ha usato una tecnica di trasformazione con il risultato pratico che i toroidi venivano avvolti addirittura su strati di spire multipli, una cosa molto difficoltosa. In effetti le risposte spurie del tipo RAINBOW (a forma di arcobaleno) al di fuori delle due bande adiacenti erano superiori a quelle riscontrate in questa configurazione presentata da OK1RR e da noi provata (che garantisce una attenuazione ultima fuori banda tra i -60 e -50 dB, almeno dai 21 Mhz in giu', piu' o meno).

D'altra parte la densita' di segnali evidenziata da molti nel "radiomonitoring" delle bande e' proprio nel senso che i segnali di maggior intensita’ delle broadcasting che possono sovraccaricare il front-end dei ricevitori e' proprio dai 21 Mhz in giu' (la banda VHF FM e’ tagliata fuori dal passa-basso).

Usando un paio di programmi di simulazione al computer dei filtri, con risposta in frequenza e return loss, ho notato:

a) alcune differenze sia tra i dati forniti da OK1RR e le ottimizzazioni reali, sia tra i due programmi da me testati nei risultati delle simulazioni sempre rispetto ai valori empirici, reali (uno dei due software pare proprio la base delle simulazioni prodotte da OK1RR nel proprio sito, in quanto coincidono esattamente).

b) uno dei due programmi si e' avvicinato di piu' alle curve di attenuaz./ freq. a quelli che sono i risultati reali usando componenti reali.

Ti invito per curiosita' appunto ad inviarci altro grafico in cui comparerai la versione Cauer con le bobine L2,L3 nei due rami verso massa e senza, ma con simulazioni per bande piu’ basse dei 10 metri ovvero per i 160m., 80 metri o 40 metri, poiche’  nelle bande basse e’ piu' evidente la proprieta' ellittica della risposta di questi filtri CAUER e nella REALTA' i due gruppi LC verso massa SONO MOLTO IMPORTANTI nel determinare proprio il fattore di forma ELLITTICO appunto che contraddistingue la famiglia di filtri denominata CAUER ed  abbiamo attinto la configurazione dal sito di OK1RR, egli stesso ha messo sul proprio sito tutti i grafici, banda per banda, ottenuti con una simulazione al computer che abbiamo proprio voluto verificare in pratica, pertanto noterai che abbiamo indicato qualche valore diverso dai suoi, poi comunque noi abbiamo usato dei compensatori variabili proprio per poter sempre ottimizzare la forma e recuperare le differenze di valore dei componenti reali. A maggior precisazione alcuni compensatori da noi indicati di valore nel range 1-5pF in realta' e' meglio che siano nel range da 1-a 10pF o addizionare una piccola capacita' fissa da 2 o 3 pF, se necessario, cio' in concordanza piena con la simulazione fatta con uno dei due software).

Dimmi se e' possibile con il tuo programma Touchstone, o quello similare ARRL, avere un grafico con l'asse Y nel range maggiore da 0 a -60 dB, piu' significativo.

Altri software di simulazione per i radioamatori:

Nel nostro sito puoi trovare la strada per fare il down load gratuito di entrambi i programmi dai siti originali USA:

a) ELSIE di WB6BLD, Jim lo rende disponibile in download gratuitamente, ha funzionalita' piena ed e’ derivato da programma  in vendita a diverse centinaia di dollari da Trinity Software di WB6BLD, e' pienamente operativo ma limitato solo all'ordine del filtro (settimo).
b) l'altro della ditta USA Almost All Digital Electr., AADE, fornito in versione demo nel loro sito internet, funzionante in molte parti, ma limitato il numero di utilizzi ad una decina, sino a che non si acquista al prezzo di circa 25 dollari e viene fornito un codice di sblocco che consente di attivare il programma a piena funzionalita' .

Entrambi supportano la configurazione CAUER direttamente ed e’ anche definibile dall'utente la configurazione del filtro da
analizzare.
In effetti questa tipologia di filtro pare che non abbia avuto una grande diffusione tra i radioamatori anche per la difficolta' di calcolo manuale dei valori appropriati.
Ovviamente parrebbe preferibile la configurazione Butterworth se si accetta un fattore di forma inferiore, ma con minor "Rainbow" al di fuori del passabanda.
Ritengo sia preferibile il miglior fattore di forma se e' mantenuto almeno a -50 dB fuori dal passabanda, gia' e' una buona attenuazione, con una pendenza maggiore. La scelta dipende anche dall'uso specifico e se  la perdita di inserzione e'  un parametro critico.

13 febbraio 2003,

Claudio, IN3LNC ha eseguito dei test accurati sui due esemplari di preamplificatore presentati nel ns. articolo su R.R. di
settembre e ottobre 2002.
La versione 1 evidenzia: G= 16 dB,  NF= 5,2 dB (misurata con testina calibrata a 30 MHz),  OIP3= + 41 dBm
La versione 2 (con i due trasformatori di feedback in piu') G= 12dB, NF=3,9 dB, OIP3= +43 dBM. 
Questi risultati ci fanno veramente molto piacere. Grazie ancora a Claudio IN3LNC.

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