Самодельные антенные фильтры для цифрового TV приёмника.

 За городом на даче мобильник, поймав сигнал сотовой связи, с максимальной мощностью выстреливал СВЧ посылки в поисках ближайшего ретранслятора для обеспечения устойчивого соединения. Звонка ещё не было, но цифровая картинка на экране телевизора, работающего в стандарте  DVB-T2, хрюкнув, зависла на время. Причина в дешёвом цифровом ресивере, который не обеспечивает защиту от помех мобильных устройств LTE (790 - 862), МГц и GSM (890 - 960) МГц и Tele2 (450 - 470) МГц.  Частоты сотовых ретрансляторов вплотную расположены с диапазоном (490 – 725) МГц, в котором идёт вещание телевизионных эфирных цифровых мультиплексов. Короче, обложили по полной и в качестве компенсации предлагают теперь телевизионные фильтры защиты от помех по цене бюджетной цифровой телевизионной приставки.

  Я давно уже отказался от самодельных антенных селективных усилителей, так как телевизионные передатчики эфирного цифрового телевидения развернулись через каждые 30 - 50 км. Ещё плотнее и ближе ко мне поднялись мачты-ретрансляторы сотовых операторов, обвешенные антеннами разных коммерческих компаний. Правда и задача у меня упростилась и вместо усилителей теперь можно использовать их пассивные селективные избирательные системы, те самые фильтры (ФНЧ, ФВЧ и полосовые).

Так какой фильтр выбрать?

 Я решил импровизировать и сделал самый простой пассивный фильтр нижних частот (ФНЧ) для подавления сигнала GSM, LTE и частот выше 960 МГц.

                                    Пассивный фильтр нижних частот (ФНЧ).

Рис 1. Фильтр нижних частот (ФНЧ).

Рис. 1а. Схема фильтра нижних частот в программе Rfsim99.

Рис. 1б.  АЧХ ФНЧ. (Rвх = Rвых =50 Ом, 730 МГц - 2 дБ, 790 МГц - 14 дБ)
(Rвх = Rвых =75 Ом,750 МГц - 2 дБ, 790 МГц - 12 дБ)

 При изготовлении фильтра я предпринял попытку  унификации для его удобного изготовления. Все катушки состоят из одного витка, а конденсаторы одного номинала. Во избежание потерь, вносимым фильтром, катушки отличаются большей добротностью по сравнению с теми, которые я использовал в селективных усилителях.

АЧХ фильтра НЧ

 На графике видно как меняется частота среза при разных номиналах конденсаторов и неизменных катушках.

 Первая АЧХ соответствует  установке конденсаторов с номиналом 3,3 пФ, а вторая с номиналами конденсаторов 2,7 пФ. Такой фильтр сильнее подавляет близкие к диапазону эфирного цифрового телевидения сигналы мобильных устройств GSM и LTE.

                                                        Характеристики фильтра.

Ослабление в полосе пропускания 0,5 дБ.

Остальные характеристики соответствуют графику на рисунке 2.

                                                              Конструкция фильтра.

Эскиз фильтра НЧ.

Монтаж ФНЧ

Экранировка ФНЧ.

 

Катушки выполнены проводом ПЭЛ  диаметром 0,5 мм и содержат один виток, намотанный на оправке 4 мм. Конденсаторы  керамические тип SMD для планарного монтажа. Монтаж сделан на двухстороннем стеклотекстолите толщиной 1 – 1,5 мм.  Одна сторона платы служит проводящим экраном, который лужёной медной фольгой по всей боковой её длине соединён со стороной монтажа. Конструкцию вместе с разъёмами необходимо экранировать.

                                      Испытание фильтра.

 Когда я подсоединил фильтр к приставке, то уровень сигнала вырос на 1 – 3 %, а подёргивание полоски качества с (70 - 95) %, ограничилось максимальным значением (95 – 100) %.

                                  Фильтр верхних частот (ФВЧ).

Рис. 4.

 Такой фильтр пропускает всё, что выше частоты 490 МГц, оставляя за кормой индустриальные помехи и помехи современных преобразователей напряжений бытовых источников питания, передатчиков коротких волн, диапазона УКВ и FM, коммерческой связи включая TELE-2.  Для подавления частот 450 – 470 МГц относительно 490 потребуется более сложная схема фильтрации, и проще было бы использовать режекторный фильтр на ПАВ в составе с ФВЧ.

 Я пока остановился на простом варианте фильтра, и получить ослабление в 20 дБ на частоте 470 относительно 490 МГц  было бы неплохим результатом.
 Такой фильтр нуждается в регулировке в том случае, когда частота мультиплексного пакета (как в  случае частоты 490 МГц) почти вплотную расположена  с частотой среза фильтра.

                                        Конструкция фильтра (рис. 4).

 ФВЧ имеет следующие номиналы: С1, С2 – (12- 15)пФ, L2, L3, L4 – один виток провода диаметром 0,5 мм на оправке 4мм. L1, L5 – два витка провода диаметром 0,5 мм на оправке 4 мм. Сами витки раздвинуты и расстояние между витками 3мм.

Рис. 4 А. Подавление 450 МГц относительно 470 МГц.

Фото 4 А. АЧХ фильтра (рис 4 А). Ослабление 450 МГц. 

          Фильтр верхних частот с улучшенной частотной характеристикой.

Схема фильтра верхних частот.  С1 - С3 - 6,2 пФ, С4, С5 - 8,2 пФ.

 Поспешая медленно, я всё же добился более крутой частоты среза, чтобы задавить частоты  470 МГц и ниже. Такой вариант схемы, безусловно, отличается от предложенного первоначального простого фильтра. Здесь я постарался оптимизировать конструкцию, используя по возможности одинаковые катушки индуктивности и номиналы конденсаторов. Таким образом, я добился подавления АЧХ  до 25 дБ на частоте 470 МГц относительно частоты 498 МГц. Ослабления в полосе пропускания составили от 0,5 до 1,5 дБ.

Недостатком такой схемы – это нежелательные резонансы на частотах в два раза ниже частоты среза фильтра. Для подавления паразитных резонансов я использовал дополнительные шунтирующие 3-х витковые катушки L6, L7 .

                                                            Конструкция фильтра ФВЧ.

Фото 3. ФВЧ.

АЧХ ФНЧ.

  Катушки (кроме L6, L7) выполнены проводом ПЭЛ  диаметром 0,5 мм и содержат два витка, намотанные на оправке 5,7 мм. Катушки L6, L7 трёх витковые и выполнены тем же проводом и на той же оправке. Все катушки намотаны с шагом с расстоянием между витками 2 мм.  Конденсаторы  керамические тип SMD для планарного монтажа. С1, С2, С3 - 6,2 пФ, С4, С5 - 8,2 пФ. 

 Монтаж сделан на двухстороннем стеклотекстолите толщиной 1 – 1,5 мм.  Одна сторона платы служит проводящим экраном, который лужёной медной фольгой по всей её длине соединён со стороной монтажа. Конструкцию вместе с разъёмами необходимо экранировать. Размер печатной платы 30 х 52 мм.

                                                               Настройка фильтра ФВЧ.

 Точную настройку фильтра можно осуществить по приборам используя генератор и анализатор спектра. Необходимо добиться максимального (более 20 дБ) подавления частоты 470 МГц относительно минимального ослабления на частоте 498 МГц. Это можно сделать, меняя расстояние между витками катушек L4, L9, L12. Остальные катушки не влияют на частоту среза и формируют минимальную неравномерность в полосе пропускания.

                                               Испытание ФВЧ.

 Большая часть испытаний отложатся до весны. Надо будет ещё добраться до того места, где по осени один из цифровых пакетов захрюкал, эпизодически зависая.

 Пока работу фильтра проверил в городе. Без фильтра уровень сигнала на частоте 498 МГц дёргался от максимального значения (45%) в пределах 10% в такт изменения уровня качества. С фильтром уровень сигнала остался постоянным (45%) и уже не зависел от подёргивания уровня качества.

                                                         Полосовой фильтр.

Если последовательно соединить два фильтра, то получится полосовой фильтр.

                           Полосовые фильтры на ПАВ (SAW).

Внешний вид фильтра на ПАВ.

 В настоящее время среди радиолюбителей всё доступнее становятся фильтры на ПАВ (рис.7, 8). Такие фильтры обладают маленькими потерями (1,08 дБ) в полосе пропускания и высокой селективностью, большим (50 - 60 дБ) подавлением вне полосы.

                 

 Дополнение к комментариям.

Я решил промоделировать ФНЧ в программе Rfsim99 (рис.9), используя комплектующие  для SMD монтажа. Фильтр, согласно графику, пропускает частоты до 720 МГц, а подавление на 790 МГц составляет 20 дБ.

Рис. 9 Фильтр ФНЧ.

Рис. 10.    АЧХ фильтра НЧ в программе Rfsim99. Обзор 550 МГц - 1000 МГц.

Я собрал такой фильтр на стеклотекстолите, используя катушки индуктивности типоразмера 0805, а конденсаторы 0603. В реальности резонанс фильтра сместился на 50 МГц ниже (на этих частотах сказывается ёмкость монтажа и материала печатной платы), и мне пришлось уменьшить каждый номинал конденсатора на 0,5 пФ.

 Ослабление в полосе пропускания составило 4 дБ. Размер катушек индуктивности, напрямую связанный с добротностью, имеет значение. 

В этой программе смоделировал фильтр верхних частот ФВЧ.

Рис.11. Фильтр верхних частот.

Рис.12. АЧХ фильтра верхних частот. Обзор 300 -750 МГц.
496 МГц - 1,5 дБ, 470 МГц - 7,5 дБ.

                                      Полосовой фильтр диапазона ДМВ (490 - 725).

Рис. 13. Полосовой фильтр.

Рис. 14.  Полосовой фильтр. Обзор 350 - 1100 МГц.
 490 МГц - 2дБ,  725 МГц - 2 дБ, 470МГц - 6,5 дБ, 790 МГц - 8,5 дБ.