Trefwoorden

 

achtergronden

grootsignalen

filterontwerp

filterpraktijk

toepassing

Pre selector

 

 

 

 

 

Inleiding

 

Moderne amateur transceivers worden soms door hun gebruikers als 'onrustig' ervaren. Hoewel het soms moeilijk is om deze 'onrustige' indruk in getallen te vangen, blijkt dikwijls de oorzaak te vinden in het groot-signaal gedrag van deze ontvangers, en wel specifiek in het ontstaan van ongewenste mengsignalen die kunnen optreden in een voorversterker of als bij product in de mengtrap. Dat laatste wordt vooral gevonden in z.g. scanners, die door hun toepassing (snel schakelen tussen een groot aantal frequenties) meestal niet voorzien zijn van veel doelmatige ingangsfilters. Transceivers van een wat oudere datum waren meestal voorzien van een afstembaar ingangsfilter, dat ontvangst op ongewenste frequenties kon tegen gaan. Zo'n ingangsfilter kan zeer effectief werken wanneer dit op de juiste manier in de fabriek is afgesteld. Een meelopend filter is echter relatief kostbaar in het massafabricage proces, vanwege de verschillende filtercomponenten maar vooral vanwege het hiermee samenhangende afregel- proces. Naast onderdrukking van ongewenste ontvangst werkt zo'n filter echter ook gunstig voor het groot-signaal gedrag van deze ontvangers.

In latere jaren, en vooral bij moderne transceivers, heeft men het probleem van de ongewenste (bij-)ontvangst op een andere wijze opgelost, waarbij helaas ook de werking op het groot-signaal gedrag dat hiermee samenhing weer enigszins verloren ging.

Dit artikel bespreekt daarom een eenvoudige voorziening die het effect van zo'n ingangsfilter, ook wel pre-selector genoemd, weer terug brengt in de vorm van een simpele hulpschakeling tussen de antenne(-tuner) en de ingang van de transceiver.

Enige achtergrond

 

De eerste ontvangsttoestellen met actieve versterking bestonden uit een aantal van deze versterkertrappen achter elkaar, die allen waren afgestemd op de ontvangst frequentie. Om de zeer sterke zenders uit die tijd te kunnen ontvangen werd in die begintijd niet erg veel versterking gevraagd en was selectiviteit de belangrijkste eigenschap van zo'n ontvanger. Toen er meer zenders in de lucht kwamen en men ook stations op grotere afstand wilde ontvangen was er meer versterking nodig, waarbij al snel het probleem van ongewenste terugkoppeling optrad, die een versterker veranderde in een oscillator.

De oplossing van dit probleem werd gevonden in het opdelen van de totale versterking in een deel op de ontvangstfrequentie (HF), een deel op een lagere, vaste (midden-)frequentie (MF) en tenslotte in versterking van het gedetecteerde audio signaal (LF).

Hiervoor moet het HF signaal worden omgezet in een z.g. mengtrap, waarin het variabele HF signaal wordt gemengd met een signaal op andere variabele frequentie (oscillator) naar een vaste som of verschil frequentie (MF voor Midden Frequentie). Zo'n systeem wordt 'heterodyne' genoemd, naar de Griekse woorden voor 'hetero', wat 'verschil' betekent, en 'dyne' voor 'vermogen'. Het vermogen wordt hier dus over verschillende frequenties verdeeld.

 

Bekijken we eerst even de bekende middengolf omroepontvanger, geschikt voor ontvangst van omroepzenders tussen 550 en 1550 kHz. Een station op een frequentie van 1 MHz. wordt hierbij gemengd met een oscillator- signaal op 1,5 MHz., waarbij een middenfrequentie wordt gevormd op 0,5 MHz. als het verschil tussen dit oscillator signaal en de gewenste ontvangstfrequentie. Een radiosignaal op 2 MHz. levert echter ook een verschil van 0,5 MHz. met ditzelfde oscillatorsignaal, zodat beide signalen op 1 en 2 MHz. tegelijk (en door elkaar heen) worden ontvangen. Dit tweede signaal op een afstand van twee maal de middenfrequentie wordt ook wel het 'spiegelsignaal' genoemd, omdat het op een frequentie wordt ontvangen die gespiegeld ligt t.o.v. de oscillator frequentie.

 

Aan de ingang van de ontvanger dient nu een filter te worden aangebracht dat het signaal op 1 MHz. maximaal zal doorlaten en de spiegel op 2 MHz. maximaal onderdrukt. Dit is heel goed mogelijk, wanneer alleen op deze ene frequentie moet worden geluisterd. De omroepontvanger moet echter alle stations kunnen ontvangen tussen 550 en 1550 kHz. Dit is een frequentiebereik met een verhouding van ongeveer 1 : 3, en ook het bereik waarover het ingangsfilter moet worden afgestemd. Om dit bereik te kunnen ontvangen, moet de oscillator echter verstemd worden van 1050 kHz. tot 2050 kHz., en dit geeft een verhouding van ongeveer 1 : 2. Tijdens de afstemming over de hele omroepband moeten er dus twee systemen tegelijk worden afgeregeld, die onderling over een andere frequentie verhouding moeten worden verstemd. Dit is een lastig probleem, dat echter op verschillende manieren kan worden opgelost, die alle relatief kostbaar zijn, vooral gezien door de ogen van een fabrikant van massa artikelen.

 

Een goed systeem om deze 'spiegel-ontvangst' te onderdrukken, heeft echter tevens als voordeel dat niet alleen het spiegel signaal wordt onderdrukt. Ook alle andere dan het gewenste signaal worden in min of meerdere mate verzwakt, zodat deze niet de ingang van de ontvanger kunnen bereiken. Een sterk signaal op een niet gewenste frequentie zou op zijn beurt in een mengtrap de rol van oscillator frequentie kunnen gaan vervullen en op die wijze weer andere (ongewenste) frequenties in de ontvanger kunnen doen ontstaan. Wanneer zo'n sterk signaal groot genoeg is, blijkt in een (HF-) versterker vůůr de mengtrap ook zo'n mengverschijnsel te kunnen optreden en dus aanleiding te geven tot ongewenste ontvangst.

Een goed ingangsfilter zorgt er daarom tevens voor dat de ontvanger robuuster is in een omgeving met grote en kleine signalen naast elkaar. Daarom worden communicatie ontvangers steeds gerangschikt op de combinatie van hun gevoeligheid voor kleine signalen naast hun robuustheid om kleine signalen te kunnen ontvangen in een omgeving van grote signalen.†††††††††

 

Een minder goed groot-signaal gedrag kan een reden zijn voor een 'onrustige' communicatie ontvanger.

 

Bij amateur transceivers van de laatste jaren wordt het probleem van de filter gelijkloop met de oscillator en de spiegelonderdrukking op een andere manier opgelost. Door een middenfrequentie te kiezen die een flink stuk boven het hoogste ontvangst bereik ligt, komt de ontvangst op de spiegel frequentie helemaal ver weg te liggen en is een vast ingangsfilter per (amateur-)band voldoende om ontvangst op een spiegelfrequentie te onderdrukken, zeker wanneer deze amateur banden relatief beperkt zijn in frequentie omvang.

Bij deze oplossing wordt verder afgezien van een meelopend ingangsfilter en daarom kan opnieuw een problemen ontstaan door ongewenste menging t.g.v. niet lineaire elementen in de ingang van de ontvanger. Sterke signalen op een andere dan de gewenste ontvangstfrequentie, maar nog steeds binnen de (brede) band van het ingangsfilter of op de flanken hiervan, kunnen nog opnieuw aanleiding geven tot intermodulatie verschijnselen en stoorsignalen.†††

 

 

Verbetering van het groot-signaal gedrag

 

Er zijn verschillende oplossingen om het groot-signaal gedrag bij moderne amateur transceivers zonder meelopend ingangsfilter te verbeteren. Zo beschikken veel ontvangers over een verzwakker aan de ingang, waarmee alle ingangsignalen met 10 of 20 dB kunnen worden verminderd. Wanneer in de avonduren alle signalen erg sterk worden omdat de dempende D-laag in de ionosfeer is verdwenen, kan het de moeite waard zijn om zo'n verzwakker in te schakelen zodat er geen signalen meer het 'intermodulatie-niveau' kunnen bereiken. De ontvanger kan daar merkbaar 'rustiger' door worden zonder dat de nu sterkere signalen aan de onderzijde in de ruis verdwijnen. Afhankelijk van de uitvoering kan ook terugregeling van de HF-versterking helpen, al werkt de ingangsverzwakker effectiever tegen dit verschijnsel.

Verder kan het nuttig zijn om een eventueel aanwezige HF versterker zelfs helemaal uit het ingangscircuit te schakelen wanneer de signalen sterk genoeg zijn, omdat ook hierin weer intermodulatie verschijnselen kunnen optreden. In dit verband is het grappig om op te merken dat het knopje om deze HF versterker uit te schakelenbij de Yaesu FT920 wordt aangeduid met de afkorting: IPO, hetgeen staat voor Intercept Point Optimization; een zwak punt wordt hier dus als een sterk punt naar voren gebracht.

Een andere oplossing bestaat uit het opnieuw opnemen van een selectief ingangsfilter tussen de ontvanger en het antenne systeem. Het nadeel van zo'n constructie is echter dat bij verandering van de ontvangstfrequentie ook steeds de afstemming van zo'n pre-selector moet worden aangepast. Toch heeft het bij menige amateur transceiver veel zin, zo'n pre-selector toe te passen, vooral op de lagere HF banden; deze krijgen hierdoor doorgaans veel betere ontvangsteigenschappen.

Denk overigens niet dat een al dan niet automatische antenne-tunner deze pre-selector functie goed zou kunnen vervullen. Omdat een antenne-tuner dient voor aanpassing van de antenne aan de zender, waarbij zo min mogelijk vermogen verloren mag gaan, moet deze tuner in samenhang met de antenne noodgedwongen een relatief lage Q-factor vertonen. Deze lage Q (geringe filter selectiviteit) maakt de tuner daarmee helaas minder geschikt voor een pre-selectie functie.

De selectiviteit van een goed geconstrueerde magnetische 'loop' antenne, met een systeem-Q groter dan 100 werkt daarentegen juist wel goed en kan ook worden ingezet als zend-antenne. Een aparte pre-selector zal bij zend-bedrijf echter moeten worden uitgeschakeld, op straffe van defect raken of erger.

 

 

Het pre-selector ontwerp

 

Er zijn er vele pre-selector schakelingen op het web te vinden. Vaak zijn deze voorzien van een of andere vorm van versterking, en dit type kunnen we het best vermijden omdat hierin opnieuw oversturing of intermodulatie zou kunnen optreden; dat geldt ook voor eventuele andere halfgeleiders in zo'n pre-selector circuit, t.b.v.schakelfuncties of afstemming.

 

Verder komen zeer sterke signalen vooral voor in het lage HF gebied en is het de moeite waard om vooral voor dit frequentiegebied een pre-selector te ontwikkelen. De volgende berekeningen en praktische (en beproefde) uitvoering gelden dan voor de amateurbanden 160 m., 80 m. en 40 m. Hiervoor werd ook het juiste ferrietmateriaal uitgezocht, met een voor dit doel zeer hoge eigen kwaliteitsfactor.

 

Een effectieve pre-selector zal juist het gewenste signaal moeten doorlaten en alle andere zogoed mogelijk onderdrukken. Wanneer we voor dit doel een enkelvoudige L-C kring toepassen, dan is hierbij een praktische te realiseren kwaliteits-factor, Q = 100.Een goed verkrijgbare afstemcondensator heeft een waarde van 20 - 500 pF, met een gemiddelde waarde van:

C = ÷(20 x 500) = 100 pF.

De hierbij behorende waarde van de afstemspoel bij het begin van de 80 m. band (3,5 MHz.) wordt dan:

L = 1 / ((2.p.f)2.C) = 20 uH.

Bij Q = 100 hoort dan ook een serie-weerstand van:

r = 2.p. f . L / Q = ca 4 Ohm.

 

Wanneer we een dergelijke (doorlaat =) serie kring aanbrengen tussen de antenne en de ingang van de ontvanger, die we beiden voor deze eerste benadering gelijkstellen aan 50 Ohm, dan is de opstelling:

 

 

 

De totale weerstand in serie met de berekende L-C kring is hier tenminste 100 Ohm. Met de berekende waarde voor de pre-selector spoel van 20 uH, wordt de kwaliteitsfactor in dit systeem bij een frequentie van 3,5 MHz., hoogstens:

Q = 2 . p . f . L / r = 4,5

Daarmee wordt de bandbreedte in de doorlaat van dit filter gelijk aan:

Δf = f / Q = 0,8 MHz.

Het is duidelijk dat hiermee nauwelijks gesproken kan worden van enige selectiviteit van zo'n ingangsfilter. Het blijkt echter dat er toch fabrikanten van amateur componenten bestaan die een dergelijk ontwerp als pre-selector op de markt brengen. Hieruit blijkt opnieuw dat de ontwerpen en componenten op internet met enige zorgvuldigheid bekeken dienen te worden.

Toch is het mogelijk om een dergelijke, eenvoudige pre-selector te ontwerpen met de gevraagde bandbreedte. De impedantie aan de ingang en de uitgang kunnen we gemakkelijk omlaag transformeren met een geschikte transformator. Voor de transformatie van de totale systeem weerstand van 100 Ohm naar de gevraagde weerstand van 5 Ohm, is dan een transformator nodig van tenminste:

n = ÷ (100/5) = 4,5.

Omdat ook zo'n transformator enige serie weerstand zal vertonen en ook de afstemspoel niet geheel verlies-vrij is, nemen we hiervoor n = 6. Deze impedantie-transformator wordt toegepast aan de ingang en de uitgang van de schakeling, zodat de totale schakeling er nu uitziet als volgt.

 

 

 

De praktische uitvoering

 

Met de hiervoor berekende (auto-)transformatoren zal de schakeling goed kunnen werken en de gevraagde Q-factor (=bandbreedte) zal ook inderdaad worden bereikt. Toch heeft deze schakeling nog het kleine nadeel dat de afstemcondensator niet aan aarde ligt. Omdat deze laatste deze regelmatig met de hand zal worden bediend, kan dit aanleiding geven tot enig 'hand-effect', d.w.z. dat de afstemming zal veranderen bij bediening van de afstemknop, ook als deze geÔsoleerd wordt opgesteld. Met een kleine modificatie kan echter ook dit probleem worden opgelost, en wel door de transformatoren uit te voeren, met gescheiden wikkelingen. Het definitieve schema wordt dan als volgt.

 

 

 

†††

De schakeling is geheel symmetrisch uitgevoerd en het maakt hierbij niet uit aan welke zijde de ontvanger wordt aangesloten of de antenne. De transformatoren T1 en T2 zijn identiek en worden gewikkeld op ferrietmateriaal type 4C65 of '61'. Het aantal windingen op deze transformator hangt af van de wikkelfactor, AL,en deze weer van het kern materiaal en de afmetingen van de betreffende (ring-)kern. Hierbij een kleine tabel voor enkele mogelijke kernvormen, waarin ook de aantallen windingen zijn opgenomen van de afstemspoel, die ook op dit type kernen gewikkeld kan worden en waarvan het ferrietmateriaal de vereiste hoge Q-factor heeft in het betreffende frequentiegebied.

 

transformator 4C65

TN23/14/7 (23 mm.)

TN9/6/3 (9 mm.)

n1

12

18

n2

2

3

 

 

 

spoel 4C65

 

 

n

15

25

Filters en transformatoren werden steeds gewikkeld met 0,5 mm. geŽmailleerd koperdraad. Vooral bij de transformatoren is het belangrijk dat de windingen en wikkelingen netjes en aaneengesloten liggen, om de koppel-verliezen laag te houden.

Denk er verder ook aan dat het ingangsignaal bij de kleinste afmeting van de ringkern liever niet groter moet worden dan - 20 dBm. (S9 + 50 dB) ; bij nog grotere signalen wordt een te groot deel van de hysteresis curve doorlopen, hetgeen verlies van Q-factor tot gevolg heeft.

Als eerder geŽist en berekend is deze pre-selector naar verhouding zeer selectief en daarom wat moeilijk af te stemmen met een enkele afstemcondensator die het hele bereik tussen 1,6 en ruim 8 MHz. bestrijkt. Indien in dit gebied toch een continue afstemming wordt gevraagd, is het nuttig om de afstemcondensator te voorzien van een mechanische vertraging. Deze zal liefst speling- en hysteresis-vrij moeten zijn.

Wanneer de pre-selector wordt toegepast op uitsluitend de betreffende HF amateurbanden, kan de volgende tabelnuttig zijn.

 

afstemcondensator

1,83 - 1,85 MHz.

3,5 - 3,8 MHz.

7 - 7,2 MHz.

C1

407 - 397 pF

110 - 92 pF

27 - 24 pF

 

Uit de tabel volgt, dat een kleine afstemcondensator met een bereik van ca 5 - 40 pF ruim voldoende variatie geeft om elke band volledig te bestrijken. Door hieraan per band een condensator C2 parallel te schakelen ontstaat een practische bandspreiding die de afstemming van deze pre-selector gemakkelijk maakt. Voor de 160 m. amateurband zou C2 dan de waarde van 390 pF kunnen krijgen, voor de 80 m. band de waarde van 82 pF en geen condensator voor de 40 m. amateurband.

 

Denk ook aan een (automatische) schakelaar die de pre-selector buiten het antenne circuit schakelt in zend bedrijf.††

 

Voor de volledigheid volgen nog de overdracht karakteristieken van de filters zoals deze werden gemeten in het midden van de amateurbanden voor 160 m., 80 m. en 40 m.

 

Slotopmerking

 

De pre-selector is eenvoudig na te bouwen en kan door de kleine componenten ook gering van afmetingen blijven. Alle berekeningen gelden voor een antennesysteem met een reŽle impedantie van 50 Ohm. In de praktijk zal dit soms niet helemaal waar gemaakt kunnen, zeker niet wanneer een antenne buiten zijn resonantiefrequentie wordt bedreven. Omdat de ingangstransformator deze antenne impedantie met een factor n2 = 36 omlaag transformeert, zal de pre-selector toch over een groot impedantie bereik voldoende selectiviteit kunnen behouden.

Wanneer dit mogelijk verdient het overigens aanbeveling om de pre-selector op te nemen tussen de antenne-tuner en de transceiver. De antenne tuner zorgt dan voor een aanpassing van de antenne naar 50 Ohm, zodat de pre-selector kan werken in het impedantie bereik waarvoor deze werd ontworpen.

††††

 

Bob J. van Donselaar

mailto:on9cvd@amsat.org