Návrh RF filtru z diskrétních součástek

[kaklik]

Pro tento modul je nutné navrhnout strukturu RF filtru, která by umožňovala přeladění filtru změnou hodnot součástek. Předpokládaný pracovní rozsah je 100 až 900 MHz.

[kaklik]

Na základě tabulky frekvencí určených pro radioastronomii. Bych navrhoval začít s návrhem filtru, který bude vybírat frekvenční pásmo v rozsahu 406.1 - 410 MHz s preferencí do vyšších frekvencí.

Alternativně je možné zvolit i tato pásma v případě, že by na předchozí zvolené pásmo byla konstrukce filtru problematická 322 - 328.6 MHz nebo 608 - 614 MHz.

[kaklik]

@povik Vyzkoušel další struktury filtrů a vychází mu rozumné hodnoty součástek na filtr 406-410 MHz. Takový filtr je však zbytečně úzký a jeho realizace by asi byla komplikovaná, neboť by se zde pravděpodobně silně projevil vliv tolerance součástek.

@kaklik odhaduje že realizovatelný filtr by mohl mít šířku pásma tak 50 MHz.

@povik navhuje ke konstrukci filtru přistupovat opačně. Tj. pokusí se zkonstruovat filtr, který bude mít dobrou plochost propustného pásma a vysoké potlačení ve zvolených pásmech.

@kaklik navhuje za pásma potlačení zvolit ISM pásma, DVB-T, FM vysílače a DAB. Volitelně i GSM a LTE pásma (ale ty jsou již frekvenčně vysoko od zamýšleného pásma příjmu).

[povik]

Posílám nějaké filtry, co jsem napočítal. Nechal jsem je odladit trochu dolu, abych získal nějaké potlačení na 433 MHz.

Čekám, že z těch zapojení, co posílám, uděláte symetrický filtr vůči zemi tak, že to zapojení zduplikujete jednou pro kladnou a jednou pro zápornou cestu signálu, potom sloučíte duplikované rezonátory a odstraníte propojení země. Tím pádem budou v konečným zapojení v rezonátorech poloviční kapacity a dvojnásobné indukce, než v tom, co posílám. Osamocené indukce, co v původním zapojení propojujou rezonátory, budou v hodnotě beze změny, jen jich bude dvakrát tolik.

Filtry jsou počítané s 50 ohmovým přenosem na vstupu a výstupu vůči zemi. Zkoušel jsem si to ověřit z dosavadního zapojení QFHMIX, ale nevím, jestli je to tak správně. Fakticky je pak ten výsledný symetrický filtr na 100 ohmovou zátěž mezi kladným a záporným drátem, nebo na něj lze nahlížet jako by měl dvě 50 ohmové zátěže vůči zemi. Je třeba potvrdit, že je to tak správně.

Ke grafům přenosové funkce: Vynáší se pro statistický soubor s 5 % tolerancí u součástek. Modrá je median, světle růžová je v podstatě 5. a 95. percentil. V grafech je uvedený "passband ripple", ten se myslí na 406 až 410 MHz a bude v 95 % menší než uvedená hodnota.

[povik]

Ať do modulu nakonec osadíte libovolné hodnoty součástek, nemám lepší strukturu filtru, než je ta, co posílám (po symetrizaci). Vypadá to, že hodnoty do ní lze najít. Jen je ještě třeba rozhodnout, kolik bude kde filtru.

@kaklik To bys asi měl rozhodnout ty. Zdá se mi, že před prvním zesilovačem by měly být alespoň ty tři rezonátory. Sice to znamená nějaký úbytek v zájmový oblasti, ale čekal bych, že ofiltrovat blízký ISM pásmo je důležitější.

[kaklik]

Nejsem si úplně jistý správností této úvahy, neboť navržený filtr nelze jednoduše symetrizovat tím, že se sloučí hodnoty součástek.
Důvodem je to, že součástkové řady nejsou navrženy tak, aby byla dostupná součástka přesně dvojnásobné hodnoty. Z tohoto důvodu si myslím, že filtr je potřeba navrhovat rovnou jako symetrický.

Nad úvahou o impedanci filtru 50 versus 100 Ohm se musím ještě znovu zamyslet. Ale momentálně si myslím, že je to skutečně tak, jak píšeš. Tj. filtr má mít impedanci 100 Ohm, měřeno kladný proti zápornému signálu. Důvodem je, že zesilovače, které se k němu připojují jsou realizovány tak, že to jsou ve skutečnosti dva zesilovače, každý s impedancí 50 Ohm proti zemi.

Ohledně počtu rezonátorů na vstupu, tak by samozřejmě bylo hezké, tam mít tři stupně. Je to ale i otázka na @ChroustJan zda se ty tři stupně vejdou na PCB. Místa tam totiž moc není.

[povik]

Nejsem si úplně jistý správností této úvahy, neboť navržený filtr nelze jednoduše symetrizovat tím, že se sloučí hodnoty součástek. Důvodem je to, že [součástkové řady](https://en.wikipedia.org/wiki/E_series_of_preferred_numbers) nejsou navrženy tak, aby byla dostupná součástka přesně dvojnásobné hodnoty. Z tohoto důvodu si myslím, že filtr je potřeba navrhovat rovnou jako symetrický.

Však ten výběr hodnot v rezonátorech už to zohledňuje, podívej se na ně.

[kaklik]

Nejsem si úplně jistý správností této úvahy, neboť navržený filtr nelze jednoduše symetrizovat tím, že se sloučí hodnoty součástek. Důvodem je to, že součástkové řady nejsou navrženy tak, aby byla dostupná součástka přesně dvojnásobné hodnoty. Z tohoto důvodu si myslím, že filtr je potřeba navrhovat rovnou jako symetrický.
Však ten výběr hodnot v rezonátorech už to zohledňuje, podívej se na ně.

Aha, pardon, máš pravdu. Mě zmátly ty hodnoty vazebních indukcí, které se nemění.

[kaklik]

Dobře, jako další postup bych navrhoval úpravu schéma a PCB QFHMIX01. S tím že současné zapojení je již velmi blízké novému návrhu od @povik.

Ve schéma je tak potřeba prohodit vazební kapacity za vazební indukčnosti podle nového návrhu a všechny vývody filtrů od zesilovačů oddělit kapacitou větší než 100pF.

Filtr před prvním zesilovačem bych nechal dvoustupňový, myslím že to stačí a je zbytečně zvedat nežádoucí útlum. Druhý filtr může zůstat třístupňový, tak jak také nyní je.
Nevím však, jestli se do současného zapojení na PCB vejdou ještě oddělovací kapacity.
Pokud by to byl problém, tak je možnost buď snížit počet stupňů filtru mezi zesilovači taky jen na dva. A nebo kondenzátor a cívku v rezonátoru letovat "na sebe". Konkrétně asi tak, ze dole na PCB by byl kondenzátor a na něj naletovaná cívka. @ChroustJan ujmul by jsi se prosím této úpravy?

Já mezitím zkusím nakreslit testovací modul pro měření filtrů, který bude mít symetrické vývody na SATA konektor. Ten se za účelem měření připojí ke dvěma modulům se symetrizačními transformátory. To by mělo umožnit ověřit charakteristiky navržených filtrů. Neboť oba moduly se symetrizačními transformátory při kalibraci půjde spojit přímým SATA kabelem, který se pak i použije pro měření.

[ChroustJan]

@kaklik já se ještě nestihl dostat k té analýze změn. Součástky bych určitě na sebe neletoval. Je to hodně nepříjemné při osazování. Nebyl by jsi prosím schopen upravit to schéma? Já si pak dořeším pouzdra a dohledám koupitelnost. Dost by mi to pomohlo, protože aktuálně se v těch změnách neorientuji ještě.

[kaklik]

Tak jsem schéma upravil tak, aby odpovídalo návrhu filtru od @povik. Když jsem to procházel, tak mě překvapilo, jak některé hodnoty součástek jsou veliké. Třeba u toho třístupňového filtru je vazební cívka 82nH :)
Zvolil jsem ten poslední návrh s nižším zvlněním v propustném pásmu, kvůli tomu že obsahuje v rezonátorech identické hodnoty součástek.

Když jsem ale procházel datasheet k zesilovači. Tak jsem přišel na to, že tam k jeho napájení doporučují použít napájecí T-čko. Je docela drahé, ale zas na druhou stranu by mohlo ušetřit místo na PCB a vyřešit některé potíže způsobené rušením dostávajícím se do obvodů z napájení.
Co si myslíte o jeho použití místo stávající konstrukce ze čtyř součástek?

To T-čko k sobě potřebuje ještě jeden externí kondenzátor, takže by to cívky nenahradilo všechny. Taktéž musí zůstat 1206 rezistor pro nastavení pracovního bodu zesilovače. Ten je teď chybně v pouzdru 603, díky čemuž musí být nulový, aby se moc nehřál, jinak by měl mít hodnotu cca 3 Ohm.

[povik]

Když jsem ale procházel datasheet k zesilovači. Tak jsem přišel na to, že tam k jeho napájení doporučují použít napájecí T-čko. Je docela drahé, ale zas na druhou stranu by mohlo ušetřit místo na PCB a vyřešit některé potíže způsobené rušením dostávajícím se do obvodů z napájení.
Co si myslíte o jeho použití místo stávající konstrukce ze čtyř součástek?

Nevidím důvod, proč ne. Proč jsou tam teď v dosavadním zapojení dvě cívky v sérii?

[povik]

@kaklik Proč ses jinak rozhodl oddělit kapacitama oba konce filtru?

[kaklik]

@kaklik Proč ses jinak rozhodl oddělit kapacitama oba konce filtru?

Protože v datasheetu je tohle schéma:

Blokovací kapacity tam mají i na vstupu. Je to tam sice uvedeno bez vysvětlení, ale já nevím nic o vnitřní struktuře toho zesilovače. Nicméně si dovedu představit, že tam bude nějaká interní regulace predpětí, která by se v případě neodděleného filtru kapacitami rozbila.

[kaklik]

Co si myslíte o jeho použití místo stávající konstrukce ze čtyř součástek?

Nevidím důvod, proč ne. Proč jsou tam teď v dosavadním zapojení dvě cívky v sérii?

Hlavním důvodem asi je to, že je to poměrně těžko sehnatelná a relativně drahá součástka. Takže je to asi hlavně na posouzení od @ChroustJan co si o tom myslí. Protože je to nejen záležitost tohoto zařízení, ale hlavně otázka pro případnou budoucí výrobu.
Naše řešení se dvěma cívkami nemusí být nutně lepší. Vlastně je těžké to exaktně porovnat, protože by to znamenalo udělat měření popisované v datasheetu TCBT-6G+, to je ale jednak velmi náročné a potom to nemusí vést k jednoznačnému výsledku.

Dvě cívky v sérii tam jsou proto, protože menší a větší cívka má menší a větší parazitní kapacitu mezi závity ve vinutích. Menší cívka tak s nižší parazitní kapacitou bude mít vyšší útlum na vysokých kmitočtech, než cívka s vyšší indukčností ale zároveň s vyšší parazitní kapacitou.

[ChroustJan]

Já bych byl pro zachování současného řešení, pokud to TCBT nebude nějak výrazně lepší. Ty cívky snáze nahradíme jinýma a je to levnější.

[kaklik]

Já bych byl pro zachování současného řešení, pokud to TCBT nebude nějak výrazně lepší. Ty cívky snáze nahradíme jinýma a je to levnější.

Ok, zatím nelze jednoznačně určit, že by současné řešení bylo příčinou nějakých problémů té desky.

[kaklik]

Za účelem otestování návrhu filtru jsem nakreslil dva testovací moduly BP02A a SATABAL01A.
Pokud k tomu nikdo nic nemáte, můžeš to prosím @ChroustJan poslat do výroby? Myslím že to celkem chvátá.

[povik]

Ještě chci nadhodit, zda seš @kaklik spokojenej s přenosem toho tří-rezonátorového filtru, cos vybral. Totiž podle těch spočítaných křivek, pokud budeme mít smůlu, tak bude mít pouhých 5 dB potlačení na 433 MHz vůči propustnýmu pásmu.

Zajímavý je, že když jsem teď zkoušel zohlednit Q=60, tak ty průběhy s navzorkovanou tolerancí jsou míň divoký, tj. sériový odpor u cívek je nám možná ku prospěchu a tlumí efekt toho, že odchylky hodnot filtr rozlaďujou.

Příklad na filtru s nějakýma hodnotama:

Bez odporu:

S odporem:

[kaklik]

Ještě chci nadhodit, zda seš @kaklik spokojenej s přenosem toho tří-rezonátorového filtru, cos vybral. Totiž podle těch spočítaných křivek, pokud budeme mít smůlu, tak bude mít pouhých 5 dB potlačení na 433 MHz vůči propustnýmu pásmu.

Jsem ochotný takvou cenu akceptovat za to, že ten filtr bude výrobně jednodušší (díky opakujícím se hodnotám součástek). Myslím si taky, že vyzařovaný výkon zařízení v pásmu 433 MHz není tak dramatický, aby to ohrožovalo dynamický rozsah vstupu.

Zajímavý je, že když jsem teď zkoušel zohlednit Q=60, tak ty průběhy s navzorkovanou tolerancí jsou míň divoký, tj. sériový odpor u cívek je nám možná ku prospěchu a tlumí efekt toho, že odchylky hodnot filtr rozlaďujou.

To je pozitivní zjištění. :)

[povik]

Tak fajn

[kaklik]

Filtry je vyrobené a jeden kus má nyní @povik bylo by tak dobré, kdybys ověřil reálnou frekvenční charakteristiku vůči výpočtu. :)

[povik]

Znovu jsem zprovoznil přípravek na měření s Plutem (při tý příležitosti jsem ho usnadnil na zprovoznění do budoucna). Výsledek zběžného měření je takový, že oba osazené filtry jsou odladěné dolu, mají minimum potlačení někde 340 až 370 MHz.

[povik]

[povik]

Tady u hvězdičky pak jde o aliasing na výstupu pluta.

[kaklik]

Tady u hvězdičky pak jde o aliasing na výstupu pluta.

Podle těchto obrázků odhaduju, že útlum průchozího pásma je okolo 3.5 až 7 dB. To je znatelně více než by odpovídalo výpočtu? Myslíš, že to souvisí s odladěním filtru níže?

Celkově mám potíž že z tohoto měření nejsem schopen porovnat, jak se charakteristika filtru liší oproti výpočtu.

[povik]

Neni to znatelně víc než by odpovídalo výpočtu, s ohlédnutím na reálný Q cívek, viz. poslední spočítanej graf, co jsem posílal.

…

On Mon, Aug 9, 2021 at 14:37, Jakub Kákona ***@***.***> wrote: > Tady u hvězdičky pak jde o aliasing na výstupu pluta. > > [DS1Z_QuickPrint4](https://user-images.githubusercontent.com/382160/128700340-71cef679-3054-49c6-b49f-f49ed37dcc33.png) Podle těchto obrázků odhaduju, že útlum průchozího pásma je okolo 3.5 až 7 dB. To je znatelně více než by odpovídalo výpočtu? Myslíš, že to souvisí s odladěním filtru níže? Celkově mám potíž že z tohoto měření nejsem schopen porovnat, jak se charakteristika filtru liší oproti výpočtu. — You are receiving this because you were assigned. Reply to this email directly, [view it on GitHub](#13 (comment)), or [unsubscribe](https://github.com/notifications/unsubscribe-auth/AAC5JUBZVMIZHWL6WHVWNFDT37DZFANCNFSM4ODSFX7Q). Triage notifications on the go with GitHub Mobile for [iOS](https://apps.apple.com/app/apple-store/id1477376905?ct=notification-email&mt=8&pt=524675) or [Android](https://play.google.com/store/apps/details?id=com.github.android&utm_campaign=notification-email).

[kaklik]

Zkusil jsem proměřit charakteristiku filtrů na testovací desce BP02. K měření jsem použil dva kusy SATABAL01. Měřící přístroj NanoVNA. Jsem zkalibroval propojením obou modulů SATABAL01 napřímo pomocí SATA kabelu, ten jsem následně přepojil na vstup filtru a výstup filtru připojil na výstupní SATABAL01, dalším krátkým SATA kabelem, který nebyl součástí kalibrace.

Následné naměřené grafy vypadají takto:

Filtr třetího řádu

Pohled ve větším frekvenčním rozsahu:

Filtr druhého řádu

Pohled ve větším frekvenčním rozsahu:

Shrnutí

• Filtry jsou značně frekvenčně posunuté oproti předpokládaným hodnotám na základě výpočtu
• Zároveň je poměrně silně zdeformována i frekvenční charakteristika
• Deformace charakteristiky ale není překvapivým jevem, neboť zřejmě v důsledku vlivu parazitních kapacit a indukcí dochází i k ovlivnění průběhu fáze na jednotlivých částech filtru. Tato skutečnost je částečně vidět i na průběhu fáze (modrá křivka) i přes to, že toto měření není úplně vypovídající, neboť fáze nebyla asi korektně zkalibrována vlivem nenastavení délky spoždění celého vedení. V důsledku toho zde dochází k "aliasingu" a fáze se nekolikrát během frekvenčního sweepu překlopí.

Závěr

Bylo by potřeba, aby se @povik pokusil udělat nový, lepší návrh filtru zahrnující i parazitní hodnoty součástek. Nejspíše na základě možnosti počítat tyto parazitní hodnoty v KiCADu. Na základě toho je potřeba upravit hodnoty součástek na stávajícím plošném spoji a měření provést znovu.

[kaklik]

Tak jsem se teď snažil zjistit, jak to vypadá s možnostmi výpočtu parazitních indukčností a kapacit PCB. Vypadá to že pull-request, který to řeší je stále otevřený. Těžko říct, kdy takové možnosti budou v produkčních balíčcích.

Je ale jinak zajímavé, že ty hodnoty počítají s využitím FEM simulace. Tudíž z toho ve výsledku pak zřejmě půjde dostat mnohem více. (Seznam plánovaných vlastností je v tom pull-requestu)

[kaklik]

Tak jsem zkusil na jednom z modulů BP02A naletovat cívky na kondenzátory. Tak že jsem je pouze přesunul na plošném spoji takhle:

Následně jsem změřil novou frekvenční charakteristiku obou filtrů a porovnal jí s předchozí.

3-stupňový filtr se změnil takto

Novější charakteristika je tmavší, původní je světlá.

2 stupňový takto

Novější charakteristika je tmavší, původní je světlá.

Celkový součet obou filtrů

Celkově je výsledek takto upravených filtrů již dobrý a na frekvenci 383 MHz skrz filtry zřejmě již i nějaký použitelný signál proleze.