Фильтр на коаксиальном резонаторе на 70 см диапазон (426-451 МГц)

Сразу скажу - у меня нет огромного опыта создания коаксиальных резонаторов или разработки иных СВЧ высокодобротных ФСС, просто в какой то момент, грубо говоря, жизнь заставила столкнуться с подобного рода устройствами.
За всю жизнь я сделал всего 2 коаксиальных резонатора и оба на диапазон 70 см, оба этих резонатора были полуволновыми.
Так как я в этом деле оказался новичком, то прежде чем что либо сделать начал усилено собирать всю информацию и обнаружил огромные пробелы в её наличии. Попадались либо талмуды, где 200 страниц одних только формул, либо посты на форумах, где по всем важным моментам ответы сводились к фразе: "сам потом на анализаторе увидишь" или ещё более интересным, вроде: "петли в процессе настройки чуть изуродовать пришлось" - никакой конкретики: пришлось укоротить, удлинить, прижать к внутренней стенке или выгнуть волной, понятно не было.
Что бы хотя бы частично восполнить пробелы в доступной информации, я и решил написать эту статью.

Так как электромагнитная обстановка в современном эфире городов очень сложная (засилье радиостанций "крановщиков" кричащих майна-вира на PMR 446МГц, транки, таксисты, спец-службы, CDMA, эфирное вещание ДМВ), думаю эта статья будет полезна многим желающим нормально запустить/использовать приёмную аппаратуру на 70см.
Если ваша Alinco DR-605 или Vertex почему-то отказывается принимать некий сигнал, это не значит, что этот сигнал невозможно принять на вашу антенну и вашу станцию, не исключено, что просто входной каскад и смесители станции так забиты внеполосными сигналами, что лежат "на спине в полном ауте" и из всех сил стараются не сгореть. Коаксиальный резонатор помогает.

Виды коаксиальных резонаторов

Четвертьволновый, разомкнутый с одной стороны:

Четвертьволновый коаксиальный резонатор - общий вид

Полуволновой замкнутый с обоих сторон:

Справедливости ради нужно отметить, что есть и много других вариантов высокодобротных ФСС с распределёнными параметрами, это спиральные резонаторы, объёмные резонаторы, да и просто другие по конструкции коаксиальные резонаторы.

На мой взгляд, проще в исполнении именно полуволновый резонатор, так как:
+ Вход и выход довольно далеко разнесены в пространстве;
+ Центральный проводник заземлён по ВЧ в двух крайних точках, таким образом "горячий" конец находится посередине и не требует дополнительных опор поддержки;
+ В литературе (2) обещают большую крутизну спадов АЧХ (большую добротность), нежели для резонаторов 1/4L.

Единственный минус - удвоенная длина, по сравнению с четвертьволновым резонатором, что для диапазона 70см, в общем-то не существенно, так как пол волны это 35 см, а это не так много.

Для своей конструкции я выбрал в качестве материала медь.
Медь легко паять, легко обрабатывать в домашних условиях.
Так как фильтр был нужен "ещё вчера" то делал из того, что удалось найти - медная трубка наружным диаметром 22 мм, а в качестве центрального проводника для одной конструкции медная трубка диаметром 6 мм, для второй проволока 2,2 мм, затем во второй конструкции центральный проводник тоже был заменен на трубку 6 мм, но об этом позже.
Алюминий будет работать ни чуть не хуже, если верить публикациям в сети интернет, например:
www.lan23.ru/forum - Фильтр на коаксиальном резонаторе 434 МГц
Я бы тоже начал работать с алюминием, материал дешевле, но в домашних условиях из него труднее изготовить конструкцию, для обеспечения хорошего контакта потребовались бы токарные работы или сварка аргоном.

Конструкция полуволнового фильтра на коаксиальном резонаторе на 70см (426 - 451 МГц)

Наружный диаметр внешней трубы: 22 мм,
Толщина стенки внешней трубы: 1 мм,
Наружный диаметр внутренней трубы: 6 мм,
Расстояние между внутренними поверхностями заглушек: 334 мм.
Конструкционный конденсатор: оцинкованный болт М3, длина 15 мм с потайной головкой, на головку которого припаян кружок из луженой жести диаметром 11 мм, снаружи на внешнюю трубу припаяна гайка М3 в которую и вкручен этот болт.
Если ввод/вывод петлями:
длина части петли идущей параллельно центральному проводнику резонатора: 40 мм,
расстояние межу внешними поверхностями проводника петли и центрального проводника: 3 мм (длина и расстояние дано с запасом, придётся отгибать петлю в сторону при настройке).
Если ввод/вывод отводами от центрального проводника:
расстояние от внутренней поверхности заглушки до отвода, приблизительно 5 мм (желательно предусмотреть передвижение отвода в пределах 2 ... 15 мм).

Вот так выглядят заготовки для конструкции, которую я собирал (ввод/вывод выполнены на отводах, для настройки точки отвода в трубе пропилены достаточно большие окна (я не знал насколько сильно нужно будет сдвигать от заглушки по этому пропилил с огромным, как выяснилось, запасом)):

Заготовки из меди для полуволнового фильтра на коаксиальном резонаторе на 70см (426 - 451 МГц) - фото

А это собственно вся конструкция в сборе:

Полуволновый фильтр на коаксиальном резонаторе на 70см (426 - 451 МГц) в сборе - фото

Потом я изготовил ещё одну "трубу", исключительно для проведения на ней опытов (влияние на добротность сопротивления линии из которой изготовлен резонатор, имеет ли смысл делать 2 конструкционных конденсатора для настройки каждым своей "четвертушки"), первый её вариант, когда ещё центральный проводник был из проволоки 2,2 мм.
Предварительно собранная конструкция выглядела так (ввод/вывод петлями):

Фильтр на коаксиальном резонаторе на 70см, ввод и вывод петлями, для опытов, сборе - фото

В дальнейшем я всё же заменил в ней центральный проводник на более толстый, на такую же трубку 6мм, как и в первой конструкции.

Общие положения при изготовлении коаксиального резонатора

* Материалы должны быть не гнилые.
* Заготовки должны быть ровные, без вмятин и других изъянов.
* Внутри резонатора не должно оказаться никаких диэлектриков с большой диэлектрической постоянной (всё влагосодержащее, включая: картон, гетинакс, фанера, эбонит, текстолит), особенно близко к его центру (там максимум ВЧ поля). Единственный годный диэлектрик: фторопласт. По этому нельзя сделать хороший резонатор намотав алюминиевую фольгу на бумажную трубку проклеенную канцелярским клеем. Даже не думайте.
* Поверхности, по которым будут протекать ВЧ токи (все внутри резонатора) должны быть отполированы. Не зашкурены, а именно отполированы. В связи со скин-эффектом ВЧ токи текут только по тонкому наружному слою проводника (микрометры), если наружный слой проводника не ровный (не гладкий), то путь тока значительно увеличивается, возрастают и потери.
* Должны быть хорошие контакты в местах "холодных" концов, там где труба заглушена, так как там пучности тока, то есть пиковые величины тока даже при работе резонатора в линии, передающей мощность всего 0,5 ватта, могут достигать десятков ампер.
* Торцевать наружную трубу нужно очень точно, так как на частотах 430-470МГц (70см диапазона) 1 миллиметр длины это мегагерцы частоты.
* Лудить лишнее не нужно, припой обладает большим удельным сопротивлением, чем медь и даже алюминий, а ВЧ, по названной выше причине, будет протекать именно по лужению а не по меди, следовательно возрастут потери.
Вместо лужения желательно посеребрить поверхности, серебро обладает меньшим удельным сопротивлением, нежели медь.
* Все соединения с разъёмами должны быть короткими, недопустимо выводить из резонатора некий многожильный или одножильный провод, который потом паять, например, к центральному проводнику разъёма. На этих частотах сантиметр провода уже полноценная катушка индуктивности, а контактный пятачок 5х5 мм уже конденсатор достаточной для образования с сантиметром проводка полноценного паразитного LC контура.
* Продумайте конструкцию так, что бы вам было удобно добираться до элементов настройки, а именно до точки соединения отвода от центрального стержня резонатора, если резонатор с вводом и выводом энергии на отводах или к петлям, если на петлях. Соединения ввода и вывода энергии должны быть механически стабильны, а конструкция должна позволять подгибать петли или двигать отводы не распаивая всё или не развинчивая 20 болтов, на время настройки.
После настройки можно уже всё опаивать, закручивать все предусмотренные болты и всё затягивать.

Впрочем, не стоит пугаться, достаточно в пределах разумного, без фанатизма, точно выдерживать размеры, аккуратно, насколько это возможно, выполнить слесарные работы (нельзя оставлять внутри резонатора стружки, заусенцы) и резонатор заработает.
Например, первый резонатор после сборки заработал у меня и даже показал какие-никакие, но всё же результаты, когда был собран "на скорую руку", то есть центральный стержень не был припаян к крышкам, сами крышки были лишь в двух местах прихвачены пайкой к наружной трубе, а ввод и вывод энергии (отводы от центрального проводника) сделан кусками RG-58 кабеля - центральный проводник загнут в кольцо и охватывал центральный проводник резонатора, а оплётка распушена и прижата к внешним стенкам наружной трубы кусками изоленты. Настраивать в таком виде что либо было невозможно, но я увидел что труба резонирует, частоты попали в желаемый диапазон и я двинулся дальше.

Нюансы изготовления коаксиального полуволнового фильтра

Паяльник
Если собирать конструкцию из меди, потребуется паяльник мощностью не менее 70 ватт, лучше 150 ватт.
Медь обладает большой теплопроводностью, паять к отбирающей тепло с жала паяльника трубе очень сложно, если паяльник с недостаточно мощный и не с массивным медным жалом, то труба греется, припой застывает, качество пайки получается мерзопакостное.

Конструкционный конденсатор
a) Лудим головку болта и припаиваем к головке диск.
b) Лудим внешнюю сторону гайки М3, перед лужением ввернув в неё другой болт, не оцинкованный, который не лудится (или не махаем паяльником, что бы не залить оловом резьбу).
c) Сверлим отверстие 3,2 мм точно по центру уже отторцованной и подогнанной под размер наружной трубы, снимаем заусенцы (снаружи зенкуем, внутри через это отверстие круглым надфилем, без фанатизма), зачищаем вокруг отверстия медь, лудим.
d) Вводим в трубу болт, длинным пинцетом или банально намотав на болт кусок не толстой медной проволоки, продеваем болт в отверстие и накручиваем снаружи на него луженую ранее гайку.
e) Убираем пинцет или вытягиваем проволоку которая охватывала болт и позволяла им манипулировать внутри трубы.
f) Затягиваем гайку, что бы диск будущего конденсатора упёрся в внутренние стенки трубы.
g) Припаиваем гайку.
h) Промываем спиртом или ацетоном резьбу болта от канифоли, проворачивая болт (выводя/вводя его), смазываем маленькой капелькой WD40 или машинным маслом. Накручиваем без натяга контргайку.

Настройка фильтра на коаксиальном резонаторе

Если вы думаете, что не сможете выполнить настройку, то оцените ущербность того, что было у меня.
Из "приборов" у меня имелось:
+ Радиостанция Baofeng UV3R.
+ Эквивалент нагрузки из SMD резисторов с подключенным к нему пиковым детектором на диоде 1N5711 и SMD конденсаторе на 10нан.
+ Китайский мультиметр.
Впрочем был и осциллограф, но с полосой до 60МГц, так что им можно было измерять только постоянный ток с пикового детектора, в итоге оказалось проще (мобильнее) работать с мультиметром в режиме вольтметра постоянного напряжения.

Коаксиальный резонатор ведёт себя как параллельный колебательный контур. При этом отвод от центрального проводника следует воспринимать как отвод от катушки контура, а петлю связи как виток связи с контуром.
Если вы ошибаетесь с точкой ввода или съёма энергии, то:
- в случае если вы подключились к точке с большим сопротивлением, чем сопротивление вашей нагрузки или генератора, то добротность контура падает (вы шунтируете его нагрузкой), полоса прозрачности расширяется.
- в случае если вы подключились к точке с меньшим сопротивлением, чем сопротивление вашей нагрузки или генератора, добротность контура хоть и возрастает но потери в системе увеличиваются, вы получаете значительно меньшее ВЧ напряжение, чем подаёте с генератора.
Вообще то реально напряжение на нагрузке падает в обеих случаях не правильной точки ввода/съёма энергии, и если вы слишком сильно связали нагрузку и генератор с резонатором и если слишком слабо.

Прежде чем искать верный коэффициент связи нагрузки и генератора с резонатором, настраиваем резонатор на нужную нам частоту, вкручивая или выкручивая болт конструкционного конденсатора.
Больше вкручен болт в трубу - больше ёмкость, ниже частота.
Настраиваем банально - по максимуму показаний на выходе пикового детектора подключенного к нагрузке при генераторе работающем на центральном участке нужных нам частот.
Учтите, если вы не чертовски везучий человек, скорее всего после сборки сопротивления входа и выхода отличаются от верных и показания будут меньше чем реальный сигнал генератора, но всё же максимум будет чётко фиксироваться.
Если вы промахнулись и болт не позволяет настроиться на нужную частоту ни в каком положении то:
- болт полностью введён, вплоть до короткого замыкания с внутренним стержнем (плавное увеличение показаний, в момент замыкания резкое падение), а нужная частота всё же намного ниже, это печально. Труба слишком короткая, придётся вырезать новую, которая будет длиннее.
- болт полностью выведен, а резонатор оказался ниже по частоте, то есть вы выкручивали болт, напряжение росло, но максимум не был пройден, значит, трубу придётся укорачивать (уменьшить расстояние между внутренними поверхностями заглушек).

Так как я не знал точно выходное сопротивление китайской радиостанции "Baofeng UV3R", но я точно знал, что мой самодельный эквивалент весьма близок к 50 Ом даже на 430 МГц, КСВ 1.2 (в своё время был проверен на антенном анализаторе SWR-121VU AEA), то настройку я начал со стороны нагрузки. Как выяснилось в дальнейшем, это самый правильный путь, даже при настройке на настоящих приборах.

В первой моей конструкции резонатора я использовал ввод/вывод энергии отводами от центрального стержня, там я смещал по салазкам разъём PL к центральному выводу которогт был припаен латунный пружинный контакт двигавшийся по центральному проводнику резонатора, что приводило к смещению и точки отвода.
Чем дальше точка ввода/вывода от заглушки, тем выше сопротивление, тем больше связь нагрузки с резонатором.
Во второй конструкции ввод/вывод сделан петлями, там я подгибал/отгибал петли, ближе/дальше от центрального проводника, что увеличивало и уменьшало связь нагрузки с резонатором соответственно.
Соответственно, чем больший участок петли идёт параллельно центральному стержню и чем ближе он к нему, тем больше связь нагрузки с резонатором.

При подстройке связи нагрузки и генератора с резонатором частота резонатора будет немного смещаться, не забываем подстраивать её болтом конденсатора.

После подстройки с одной стороны, меняем местами вход/выход резонатора и настраиваем снова сторону нагрузки.

Полезно пробегаться по частотам и находить частоты полосы прозрачности по -3дБ (меньше в 2 раза по напряжению, чем в полосе прозрачности) и -10дБ (меньше в 10 раз по напряжению).
По расширению полосы прозрачности легко заметить, что вы создали слишком сильную связь входа/выхода с резонатором.

За 3-4 смены местами вход/выход удаётся вполне сносно настроить резонатор (КСВ 1,5 или ниже), при этом потери в полосе прозрачности будут порядка 1.2дБ а ширина полосы по -3дБ (в 2 раза по напряжению) порядка 5-6МГц, даже на откровенно мерзко выполненной (в плане точности и качества) конструкции. Хотя радиолюбителям или любителям LPD связи, наверно, такая ширина полосы даже лучше подойдёт, аккурат будет перекрывать нужную полосу частот.

Если ваш резонатор вообще не резонирует, просто не пропускает через себя ничего, значит где-то нет контакта. Например, отсутствует контакт центрального проводника с одной из заглушек.
Если резонатор имеет очень большие потери, значит, плохой контакт по входу или выходу. По крайней мере, когда я подключал всё "на соплях" кусками RG-58 то у меня был такой эффект, когда терялся с одной стороны контакт центральной жилы с внутренним проводником, но даже ничтожной ёмкости маленькой петельки центральной жилы кабеля хватало, что бы резонатор что-то весьма осознанное показывал на выходе (чёткий резонанс но потери порядка 10дБ).

Вот что показали настоящие приборы при подключении к ним собранной мной конструкции, которая описана выше и была настроена, как описано выше:

А вот что получилось после небольшой подстройки входа и выхода по сопротивлению на настоящих приборах:

Из опытов с конструкцией фильтра на коаксиальном резонаторе

Так как объясняющие всё и сразу 200 страниц формул осилить сложно, то я поставил ряд практических опытов со своими конструкциями, вот их результаты:
* Резонатор нужно рассчитывать на частоту выше требуемой примерно на 1% ... 1.5%. Например, если резонатор рассчитываем на 446 МГц, т.е. его расчётная длина должна быть 336 мм, то делаем длину 334 мм, вниз резонатор запросто затягивается конструкционным конденсатором, причём сильно вниз затягивается, процента на 4.
* Ввод/вывод на петлях не чуть не хуже и не лучше чем на отводах.
* Петли удобнее в настройке, чем отводы от центрального проводника.
* Лучше сделать петлю чуть длиннее, чем короче, отогнуть в сторону проще, чем переносить точки крепления разъёмов или пайки петли к наружному проводнику.
* При отводе петлями важно как долго (длина) идёт проводник петли параллельно центральному проводнику и как близко проходит петля к центральному проводнику.
* Нет никакого волнового сопротивления петли/отвода, сопротивление входа/выхода определяется резонатором, точнее его связью с петлями/отводами.
* На добротность (ширину полосы прозрачности, потери) влияет соотношение длина волны/диаметр наружной трубы резонатора - чем резонатор толще, тем лучше.
* Сопротивление линии, из которой сделан резонатор, незначительно влияет на добротность, однако при большем сопротивлении сложнее становиться настроить ввод/вывод, то есть не стоит применять тонкий центральный проводник при большом диаметре наружной трубы.
* Оптимальное соотношение диаметра наружной трубы/внутреннего проводника линии, вероятно 3...4. То есть если наружная труба 30 мм, то внутренний проводник должен быть порядка 8 мм, если наружная труба диаметром 50 мм, то диаметр внутреннего проводника стоит выбрать порядка 15 мм.
* При изменении температуры в пределах комнатной (подоконник, рабочий стол), частота резонатора уходит не сильно (не критически).
* Нет смысла делать 2 конструкционных конденсатора для подстройки каждым своей четвертушки. Так как связь между ними очень сильная, сильно и их влияние друг на друга, по этому достаточно одного конденсатора.

В конечном итоге, в ходе всех этих опытов, я понял, что коаксиальные резонаторы на СВЧ, это всё же скорее искусство металлической скульптуры и слесарное мастерство, чем радиоэлектроника, а так как слесарь из меня никудышный, то уверен, у вас получится резонатор с лучшими параметрами, чем у меня.

Итоги трудов

Baofeng UV3R подключенный напрямую к коллинеарной антенне расположенной на достаточно высокой позиции, откуда видно половину города прямо глазами, не слышит на диапазоне PMR 446 МГц ничего, кроме охранников в радиусе 1 километра и нескольких крановщиков на строящихся высотках города. Зато иногда слышны обрывки цифры с 433.92. Причём в момент когда Baofeng ничего не слышит и S-метр его ничего не показывает и шумоподавитель не открывается.
Тот же Baofeng UV3R подключенный к той же антенне в то же время но через коаксиальный резонатор, начинает слышать охранников складов уже расположенных на расстоянии в 9 километров (а может и больше, просто 1 раз некий адрес назвали к нему и привязался по расстоянию), массу каких-то офисных работников (Света, надо ещё бумаги в принтер!) и нескольких ребятишек забавляющихся с радио (Первый, как слышно, я Второй).
Автомобилка Vertex находясь центре города при подключении к антенне через такой коаксиальный фильтр буквально "оживает" и начинает слышать сигналы маломощных станций находящихся в 15 км от центра, без фильтра сигналы просто тонут в каких-то шумах.

Никаких чудес здесь нет, просто диапазон 70см не забит помехами, он забит мощными внеполосными сигналами, которые срезает хороший ФСС, вот только невозможно сделать хороший ФСС на такие частоты на элементах с сосредоточенными параметрами, а в Baofeng конструкторы вообще ограничились лишь ФНЧ, по этому фильтр на коаксиальном резонаторе помогает.

Если у вас есть вопросы ко мне, вы можете задать их на форуме этого сайта:
форум
Там же вы можете выразить своё мнение относительно статьи, дополнить её своими наработками, поделиться результатами опытов, дать ссылки на дополнительную информацию по теме.

Литература по фильтрам на коаксиальных резонаторах

1. "Расчет и конструирование коаксиальных резонаторов", 1970г, Орлов С.И.
200 страниц чистых формул, физики.

2. Коаксиальный резонатор: Учебно-методическое пособие к специальному лабораторному практикуму "Полупроводниковые приборы СВЧ". Часть V

3. "Полуволновый резонатор", В.Беседин, журнал "Радиомир КВ и УКВ", 2010г номер 10.
Ни одной полезной формулы, никаких размеров или фото реальных конструкций, зато много общих слов и философии.

4. www.lan23.ru/forum - Фильтр на коаксиальном резонаторе 434 МГц

5. cqham.ru - Коаксиальные резонаторы

Автор статьи:

250 из Новосибирск (Новосибирская обл)