Enkelvoudig helix sper filter voor de 2m

De hier beschreven inkeping (notch-) filters zijn bedoeld om signalen in de 2m-amateurband onverzwakt door te laten, maar signalen op een frequentie tussen 155 tot 165 MHz te sperren. Frequenties onder de twee meter band sperren is ook mogelijk.

Hierdoor kunnen als gevolg van intermodulatie producten in de 2m-band ontvangen stoorsignalen, sterk verminderd worden. Zodat een rustige en gevoelige ontvangst verkregen wordt.

De bouw is tamelijk eenvoudig. De filters worden uit zeer goedkope, makkelijk verkrijgbare onderdelen vervaardigd. En met behulp van eenvoudig gereedschap gemaakt. Het duurste onderdeel is de BNC connector. Het afregelen van dit filter vergt echter enige ervaring en meetapparatuur (meetzender, ontvanger en gevoelige reflectometer) !

Notch frequentie boven de passband.

Bij experimenten met zelf gemaakte helix resonatoren ontdekte ik het volgende:

Een helix kring blijkt, als die zoals in figuur 5 met een transmissielijn wordt verbonden, als smal bandige absorptie kring ("notch") te werken, met de doorlaatband op een LAGERE frequentie.

Op de notch frequentie is gemakkelijk een onderdrukking van 30-40dB te bereiken. Tevens is in een bepaald frequentiebandje, lager dan de notch frequentie, een zeer geringe tussenvoegdemping, en lage SWR meetbaar (minder dan 0,5 dB en bv. 1:1,2). Dit wordt de "passband" of "doorlaatband" genoemd. Het frequentieverschil tussen "notch" en "pass", wotdt ook wel "shift" genoemd. De shift is tijdens de constructie van het filter in te stellen, door de plaats van de aftakking op de spoel te veranderen.

Notch frequentie onder de passband.
Als een dergelijk helix notchfilter via een 1/4 lambda kabelstuk (ca. 34cm voor 145 MHz) en een T-koppeling met de antenne kabel verbonden wordt, verschuift de notch frequentie van boven naar onder de pass frequentie. Dit is analoog aan filters bestaande uit coaxiale resonatoren.

Afregelen.
Het afregelen gaat het makkelijkst en snelst met behulp van een spectrum analyser en tracking generator, en een HF richtkoppelaar.

Het kan echter ook met eenvoudiger apparatuur, mits men voldoende ervaring heeft. Voor het meten van de eigenschappen van het filter zijn een signaalgenerator voor 100-200MHz met geijkte verzwakker, een ontvanger voor 100-200MHz met een goede (analoge) S meter, een goede SWR meter, een vermogen meter, een dummy load, en een zender voor het frequentiebereik van 130 tot 146 MHz bruikbaar.

fig5

Al experimenterende bleek mij, dat de wijze, en de mate van "koppeling" tussen transmissielijn en resonantiekring, een beslissende invloed op de eigenschappen van het notch filter hebben. Het onderzoeken van de invloeden van de diverse wijzen van koppeling, de manier van montage, en het meten en vergelijken van de ontstane eigenschappen, was een tijdrovend karwei. Als u zich echter aan de door mij gevonden maten en werkwijzen houdt, moet het snel lukken, en bespaart u zich teleurstellingen en veel werk. Een afstemschroef werd niet toegepast, omdat het filter eenmalig nauwkeurig op de gewenste frequentie afgestemd werd. Desgewenst kan men die wel aanbrengen.

De diameter van het afschermende omhulling van het filter, de dikte van de gebruikte spoeldraad, en de grootte van de parasitaire capaciteit tussen het open einde van de spoel en de afscherming (deksel), bepalen de Q en daarmee de mate van filterwerking van helix kringen.

Volgens een nomogram dat ik in mijn archief vond, moeten voor optimale Q de diverse onderdelen "de juiste verhoudingen" tot elkaar hebben. De diameter van de spoel moet ongeveer de helft van de diameter van de afschermde omhulling zijn. De hoogte van de spoel moet ongeveer even groot zijn als de diameter van de afscherming. De dikte van de spoeldraad moet ongeveer de helft van de spoed van de windingen bedragen. De spoel moet "concentrisch" in de omhulling geplaatst zijn.

De hier beschreven filters wijken op bepaalde punten af van de beschreven verhoudingen, om gebruik te kunnen maken van goedkope, makkelijk verkrijgbare materialen. Bovendien bleken de notch filters meestal de beste eigenschappen te krijgen, door de spoel excentrisch in de afscherming te plaatsen, omdat slechts dan de voor een goede werking noodzakelijke uiterst korte verbindingen mogelijk werden.

fig6

Benodigde materialen:
1. Een schoon nieuw verfblik met 3/4 liter inhoud, diameter x hoogte = 100 x 115 mm. Een blik met grotere hoogte is ook toepasbaar.

2. Vertind aarddraad met 3mm diameter (verzilverd draad is theoretisch nog beter).

3. BNC chassisdeel met PFTE isolatie en liefst met lange schroefdraad (één gats montage). Bij voorkeur verzilverd, omdat die mooi glimmende vernikkelde connectoren zelf al intermodulatie kunnen veroorzaken!

Belangrijke constructie details:
De vorm en de lengte van de massa aansluiting van de spoel, en de manier waarop de aftakking op de spoel aangebracht worden, zijn van grote invloed op de filtereigenschappen!

Voor de beste resultaten MOET het geaarde uiteinde van de spoel HAAKS omgebogen zijn, en aan de ZIJKANT van de afscherming vast gesoldeerd worden (dus niet aan de bodem solderen). De aansluiting van de middenpen van het BNC chassisdeel op de spoel MOET zo kort mogelijk zijn. De spoel dus DIRECT BOVEN OP DE PEN van het BNC chassisdeel solderen, zonder verbindingdraad! (Zou een zelfs maar een kort stukje draad als verbinding tussen BNC chassisdeel en spoel gebruikt, dan wordt de notch al snel 10dB ondieper)! De spoel komt hierdoor excentrisch in de afschermbus te staan. Dit bleek geen nadelige gevolgen te hebben. De hoogte van de afscherming is niet kritisch, als er maar voldoende vrije ruimte (enkele centimeters) tussen het open uiteinde van de spoel en het gesloten deksel over blijft. Zie de figuren 6 t/m 9 voor details.

fig7

Voorbereiding:
Maak van het aarddraad een spoel van 5 windingen, met een spoed van 10 mm, en een uitwendige diameter van 48 mm. Het te aarden ondereinde van de spoel (ca. 20mm lang) moet precies haaks omgebogen worden.

Boor in de zijkant van het verfblik, op 2,5 cm boven de bodem, een gat met 9,5 mm diameter.

Soldeer het BNC chassisdeel in het gat. (Als tijdens het solderen de isolatie smelt, was het geen PTFE).

Plaats van de aftakking, relatie met de "shift".
Het frequentie verschil tussen doorlaat en sper frequenties (ook wel SHIFT genoemd) wordt ingesteld, door de plaats van de aftakking ten opzichte van het aardpunt te verplaatsen. Zie voor details figuren 6 t/m 9. Hieronder bij benadering de door mij gevonden waarden bij een doorlaat frequentie van 145 MHz:

Notch frequentie (MHz)	155	160	164,35
Aftakking vanaf massapunt spoel (Winding)	1/4	1/2 ***	¾

*** Als de aftakking op 1/2 winding moet komen, is een korte verbinding tussen spoel en BNC chassisdeel niet mogelijk met de massa aansluiting aan de zijkant van de afschermbus.

Soldeer voor een aftakking op een 1/2 winding, een tweede BNC chassisdeel recht tegenover de eerste. Zie figuur 8.

Verbind beide BNC pennen door met een stuk dik draad.

Houdt de hele constructie SYMMETRISCH ! De spoel en de verbindingsdraad dus gecentreerd in de bus. Hierdoor wordt de invloed van het magnetisch veld van de spoel op de verbindingsdraad "uitgebalanceerd". Alleen zo is een notch diepte van bijna 40dB bereikbaar!

Soldeer de spoel precies centrisch in de afscherming, met het aardpunt tegen de massazijde van één der BNC chassisdelen aan.

Soldeer de verbindingsdraad daar precies tegenover aan de spoel vast gesoldeerd, op 1/2 winding vanaf het aardpunt van de spoel.

Één BNC bus doet nu dienst als ingang van het filter, de andere als uitgang (let op de pijl richting in fig. 8).

fig8

Het instellen van de shift (het frequentie verschil tussen notch en pass):
Stem de notch eerst iets onder de gewenste frequentie grof af, door kleine stukjes van het open uiteinde van de spoel af te knippen, waardoor de notch frequentie stijgt.

Twee millimeter kortere spoel komt ongeveer overeen met 1MHz hogere notch frequentie.

Het totaal aantal windingen van de hele spoel bedraagt nu 3,5 tot 4,25. windingen.

Fijn afstemming:
Zodra de shift goed is, kan de spoel definitief op de juiste notch frequentie afgestemd worden. Rond eerst het scherpe, open uiteinde van de spoel af, door er met soldeertin een bolletje op te solderen (Zie figuur 10). Dit vermindert de kans dat het uiteinde tijdens zenden als gevolg van de hoge HF spanning op dat punt zou kunnen gaan "sproeien".

Fijn afstemming gebeurt daarna, door de laatste paar centimeter van het open uiteinde van de spoel, een paar mm. naar binnen (omhoog in frequentie) of naar buiten (omlaag in frequentie) te buigen. Ook kan ter hoogte van het uiteinde van de spoel een 4mm gat geboord worden en een M4 moer op de afscherming gesoldeerd worden. Een M4 boutje met borgmoer fungeert dan als fijn-afstem-schroef.

De spoel stabiel steunen.
Als de SWR en de notch diepte in orde zijn, dan kan de spoel mechanisch aan de afscherming gesteund worden om hem stabieler te maken (zie figuur 10). De steun moet goede VHF eigenschappen hebben, omdat anders de Q van de spoel slechter wordt. Een steun kan het eenvoudigste gemaakt worden door een stuk lijmpatroon (voor een thermisch lijmpistool) eerst aan de afscherming vast te smelten, en daarna aan de spoel:

-	Snijd met een heet mes een stuk lijmpatroon af, 5mm langer dan de tussenruimte tussen spoel en afscherming.
-	Houdt met een tang de steun op de juiste plaats tussen spoel en afscherming, en verwarm de buitenkant van de afscherming voorzichtig met een kleine gasvlam tot de steun aan de afscherming vastsmelt. Laat het geheel goed afkoelen, totdat de lijm weer melkachtig van kleur is geworden.
-	Verwarm met een hete soldeerbout (425 gr C) de spoel vlak bij de steun, totdat de spoel zichzelf in de steun gesmolten heeft. Laat het geheel goed afkoelen.

De spoel is nu mechanisch spanningsvrij, geïsoleerd aan de afscherming gesteund.

fig10

Zodra het deksel op het blik geplaatst is, wordt de notch frequentie weer iets verlaagd. Dit is afhankelijk van de hoeveelheid vrije ruimte tussen de top van de spoel en het deksel. Controleer tenslotte de notch frequentie altijd met het deksel stevig in de bus.

Zodra de notch frequentie goed is, controleer u als volgt op 146MHz de SWR (1:1,2) en de tussenvoegdemping (ca. 0,25dB).

-	Knip de aard aansluiting van de spoel op maat, zodat de spoel met het juiste aftakpunt op de pen van het BNC chassisdeel komt te rusten, maar zoveel mogelijk ruimte tussen spoel en afscherming overblijft.
-	Plaats tijdelijk een BNC plug op het chassisdeel, om de bus van het chassisdeel gecentreerd te houden en te koelen, en zo de isolatie minder heet te laten worden.
-	Vertin de BNC pen en het blik. Vertin op de spoel het aftakpunt en het massapunt.
-	Plaats de spoel met het aftakpunt op de BNC pen en de aardzijde tegen het blik. Soldeer de spoel tijdelijk vast op de BNC pen.
-	Soldeer de aard aansluiting van de spoel goed aan het blik.
-	Soldeer de spoel nu goed door aan de BNC pen.

-	Sluit de meetapparatuur via een BNC T stuk op het filter aan.
-	Bepaal op welke frequentie de notch te vinden is. Als die veel te laag is, knip dan stukjes van het bovenste spoeleinde af tot de “notch frequentie” nog net onder de gewenste is (bv. 154,5 MHz). Noteer de nu gemeten "notch frequentie".
-	Verlaag de meetfrequentie, en bepaal op welke frequentie de SWR 1:1,2 wordt (of de reflectiedemping 15 dB is). Noteer die gemeten "aanpassing frequentie" (bv. 144,5 MHz).
-	Bepaal het frequentieverschil ("Shift") tussen gemeten notch en aanpassing. Dat verschil moet gelijk zijn aan de gewenste shift. Voor een 155 MHz notch en 145 MHz aanpassings frequentie zou de shift dus 10MHz moeten zijn. De shift is met de plaats van de aftakking in te stellen.
-	Is de shift te groot, dan dient de aftakking op een kortere afstand vanaf het aardpunt van de spoel te komen, en omgekeerd. Dit doet u door de spoel los te solderen, en iets in de goede richting verdraaid, weer vast te solderen.

-	Druk het deksel GOED in het blik. Meet de notch frequentie. Noteer hoeveel die te laag is.
-	Verwijder het deksel. Meet de notch frequentie opnieuw. Deze is nu iets omhoog geschoven. Verbuig het spoel uiteinde. Meet de notch frequentie. Herhaal dit totdat de notch frequentie evenveel omhoog is gegaan, als die bij het plaatsen van het deksel omlaag zal gaan.
-	Plaats het deksel GOED in het blik. Meet weer de notch frequentie. Die mag niet meer dan 100kHz afwijken van de gewenste. Herhaal eventueel de vorige stap.