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2.4 Quarzfilter selber bauen? Kein Problem!

Erstellt: DL6GL, 30.12.2011, letzte Änderung 16.02.2024

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Quarzfilter kann man fertig kaufen. Sie sind offenbar entweder preisgünstig, aber mit wenig Varianten, z.B. bei funkamateur.de, zu haben, oder man bedient sich bei ICOM & Co, die fast alles, was das Amateurherz erfreut, zu stattlichen Preisen anbieten. Die legendären KVG-Filter zählen auch dazu.

Für diesen RX/TRX waren gewünscht:

  • ZF-Frequenz 9 MHz
  • Ein SSB-Filter (ca. 2,4 kHz) und ein CW-Filter (ca. 500 Hz) für die Hauptselektion
  • Ein Noise-Filter (ca. 3 kHz) vor dem Produktdetektor.

Warum nicht selber bauen? Mit den Tools und Informationen aus dem Internet und natürlich mit dem FA-Netzwerktester sollte das kein Problem sein. Vorteil: Erfolgserlebnis ohne großes Risiko eines Fehlschlages, Nachteil: etwas mehr Platzbedarf. Gebraucht wird also:

  • FA-Netzwerktester (unverzichtbar für problemloses und schnelles Ausmessen der Quarze. Habe vor Jahren ohne NWT Quarze mit einem fein abstimmbaren XO und einem Scope per Hand durchgemessen. Das war mühsam und zeitraubend,
  • Kapazitäts-Messgerät, z.B. LC-Meter II von AADE,
  • dazu ein Test-Adapter,
  • Simulationssoftware,
  • ein ausreichender Vorrat an Kondensatoren (10 ... 470pF), die, ausgemessen und parallel geschaltet, den berechneten Werten halbwegs nahe kommen,
  • und natürlich eine Grundmenge (~ 100 Stück oder mehr) an Quarzen zur Auswahl nach dem Ausmessen.


Ergänzung 02/2023:

Eine alternative Methode zum Ausmessen der Quarze und des Filters mit dem DG8SAQ-VNWA wird hier gezeigt. Wenn ein VNWA eh zur Hand ist, geht es damit wesentlicher einfacher und komfortabler.

Ein Hinweis aber noch, bevor wir anfangen: Die Mittenfrequenzen der zu entwerfenden ZF-Quarzfilter bestimmen den Frequenzplan des TRX, also die Frequenzablagen von LO (Local Oscillator) und BFO. Soll ein weiteres Quarzfilter in ein bestehendes Konzept mit vorgegebener ZF-Frequenz eingefügt werden, muss die Mittenfrequenz des neuen Quarzfilters dazu passen. In der Regel werden wir mit den vorgesehenen Quarzen da nur ungefähr landen. Man kann allerdings eine etwas zu tief(!) liegende Serienresonanz von Quarzen mit einem Serien-C um einige 100Hz nach oben ziehen (kleines C >~ 22pF hat große Wirkung).  Dabei sollten aber alle Quarzinduktivitäten Lm (s.u.) innerhalb von höchstens +/- 1,5% identisch sein. Einzelheiten dazu in [1], Programm Dishal, dort "Xtal Tuning". Das wäre dann entbehrlich, wenn der TRX eine Konfiguration der o.g. Frequenzablagen, z.B. für SSB und CW, ermöglichte. In diesem TRX  ist das vorgesehen.


2.4.1  Quarze ausmessen

Hardware

Bei DJ6EV [1] ist alles zu finden, was man dazu braucht: Jede Menge verständliche Anleitungen und die zugehörige Simulationssoftware Dishal 2.0.3. Damit zu arbeiten ist Spaß pur.

Die Quarze brauchen eine genau definierte Testumgebung, die äußere Einflüsse der Messappara­tur weitgehend abschirmt. Deshalb die hohen Dämpfungsfaktoren. Ein solcher passiver Testadapter ist leicht herzustellen:

Abb. 2.4.1; Test-Fixture 50 → 12,5 → 50Ω

Einzelabschwächer  50 → 12,5Ω, 14,8dB, links
Realisierung (Abb. 2.4.1)
 Soll-Wert
Parallel-Widerstände links 316 || 316Ω = 158,0Ω 158,4Ω
Serien-Widerstände Mitte 150 || 120Ω = 66,7Ω 66,4Ω
Parallel-Widerstände rechts 68 || 18Ω = 14,2Ω 14,2Ω

Dieser Testadapter nach IEC444-1/-2 ist für Quarze mit Verlustwiderständen Rm bis etwa 20Ω (s.u. Tab. 2.4.1) geeignet. Für Quarze mit höheren Verlustwiderständen, etwa Uhrenquarze, wären 50Ω-Abschwächer die Alternative:

Einzelabschwächer  50 → 50Ω, 14,0dB
Realisierung (Abb. 2.4.1)
 Soll-Wert
Parallel-Widerstände links 150 || 150Ω = 75,0Ω 74,9Ω
Serien-Widerstände Mitte 120Ω = 120,0Ω 120,3Ω
Parallel-Widerstände rechts 150 || 150Ω = 75.0Ω 74,9Ω

SMD 1206, 1% oder besser.

Die Messvorrichtung mit dem FA-NWT sieht so aus:

Abb. 2.4.2: Messanordnung schematisch

Platine dazu:

Abb. 2.4.3: Platine der Messvorrichtung (Bestückungsseite)

Auf der Platine sind zwei 14,8dB-Abschwächer nach Abb. 2.4.1 spiegelbildlich angeordnet, die 50Ω-Anschlüsse jeweils nach außen. Die beiden inneren, dem Quarz zugewandten Impedanzen werden für das Excel-Sheet zur Auswertung der Messungen wie folgt bestimmt:

  • Einen äußeren 50Ω-Anschluss mit 50Ω BNC-Abschluss versehen.
  • Mit einem Digital-Multimeter den Widerstand nach Masse am zugehörigen Quarz-Sockel messen. Ergibt ca. 12,5Ω, am besten gleich auf der entsprechenden Platinenseite notieren.
  • Gleiche Prozedur für die gegenüber liegende Seite. Beide Messergebnisse sollten etwa gleich sein.
  • Entsprechend Abb. 2.4.2 festlegen, welche Seite Source (NWT Generatorausgang) und welche Load (NWT-Messeingang) sein soll. Diese Zuordnung legt dann die quarzseitigen Impedanzen Z-Source und Z-Load für das Excel-Sheet fest.

2,54 mm-Kontaktbuchsen bilden die Quarzhalterung. Hier werden die Quarze reingesteckt. Die Aussparungen an den Enden sind für gewinkelte Koax-Buchsen gedacht. Die Lochreihen oben und unten sind für Durchkontaktierungen vorgesehen.

Da die PI-Abschwächer ihrem Namen mit insgesamt knapp 30 dB wirklich gerecht werden und um dem NWT ein auswertbares Signal zu bieten, muss ein Aufholverstärker her, auf die Schnelle zusammengelötet. Auf der Platine sind noch drei Widerstände für einen 50Ω-Pi-Abschwächer zwischen dem Koppel-C und dem Ausgang vorgesehen. Diese wurden im Muster nicht bestückt, stattdessen ist eine Brücke einzulöten. Statt der zufällig vorhandenen BF495C sollten bis ca. 10MHz auch Universal-NPN wie BC547/548 oder 2N3904 ausreichen.

Abb. 2.4.4: Aufholverstärker Schaltung.


Ausmessen mit dem FA-NWT

Zur Vorbereitung werden alle Quarze beschriftet. "alle" meint tatsächlich eine Menge Quarze. Im vorliegenden Fall wurden 100 Stück 8.8672 MHz-Quarze bei reichelt.de bestellt. Bei dieser Gelegenheit wird gleich die Parallelkapazität mit dem Kapazitätsmessgerät gemessen (Werte so um die 5 pF) und notiert. Für die komplette Auswertung steht eine Excel-Mappe zur Verfügung, hier also gleich die Werte eintragen.

Zum Ausmessen sollte man die nötige Zeit mitbringen und im Raum eine konstante Temperatur sicherstellen. Die Quarze werden mit einer Pinzette hantiert, um sie nicht unkontrolliert mit den Fingern zu erwärmen. Alle Quarze in einem Zug vermessen.

Gemessen wird mit dem linearen Detektor des NWT. Nachdem der Resonanzbereich gefunden ist, eine feste Einstellung am NWT wählen: Wobbelbreite ca. 1 bis 2 kHz bei 1.000 bis 2.000 Messpunkten (entsprechend der maximalen NWT-Auflösung von 1 Hz) und 500 bis 1.000 µsec Scan-Zwischenzeit, Einmal-Durchlauf. Das sieht dann so aus, hier allerdings zur Veranschaulichung mit größerer Breite von 10 kHz:

Abb. 2.4.5: NWT-Anzeige einer Quarzresonanz

Hin und wieder, ggf. auch vor oder nach jeder Quarzmessung, wird mit einer Brücke statt mit einem Quarz das Nullsignal U0 gemessen. Die Excel-Tabelle sieht so aus (gelb: eingegebene Werte, blau: berechnete Werte):

Tab. 2.4.1: Excel-Auswertung (Ausschnitt)

Cp = statische Parallelkapazität, mit Kapazitäts-Messgerät gemessen
U0 = mit dem NWT gemessene Nulldämpfung (Brücke statt Quarz)
U1 = mit dem NWT gemessene Dämpfung im Peak, im obigen Beispiel 2,58 dB
fres = vom NWT bestimmte Mittenfrequenz fm, im obigen Beispiel 8.862.978 Hz
BW = vom NWT berechnete 3 dB-Bandbreite, im obigen Beispiel 371 Hz.

Verwendete Formeln [1]:

Sind die Messungen abgeschlossen, kann mit Excel nach der Resonanzfrequenz fres sortiert werden. Hier kommt die Stunde der Wahrheit: Gibt es Gruppen von Quarzen mit annähernd gleichen Resonanzfrequenzen "fres", desgleichen Induktivitäten "Lm" und schließlich mit einer Güte "Q Unload" von mindestens 100.000? Diese Daten machen den Erfolg beim Bau eines berechneten Quarzfilters aus.


2.4.2  Filter simulieren

Noch einmal die Vorgaben von oben:

  • Ein SSB-Filter (ca. 2,4 kHz) und ein CW-Filter (ca. 500 Hz) für die Hauptselektion
  • Ein Noise-Filter (ca. 3 kHz) vor dem Produktdetektor.

Aus Vorversuchen stand schon die Anzahl der zu verwendenden Quarze fest:

  • SSB-Filter (ca. 2,4 kHz):    8 Quarze
  • CW-Filter (ca. 500 Hz):      6 Quarze
  • Noise-Filter (ca. 3 kHz):     4 Quarze.

Wichtige Nebenbedingung: SSB- und CW-Filter müssen natürlich in den Durchlassbereich des Noise-Filters passen. Und hier fängt das Sortieren an. Die Resonanzfrequenzen der 100 Stück-Charge streuten in einem Bereich von ca. 300 Hz. Hört sich erst einmal gut an. Das Problem mit der Anpassung der drei Durchlasskurven liegt aber darin, dass mit zunehmender Filterbreite die Mittenfrequenz nach oben wandert. Bei insgesamt 300 Hz Streuung ein kleines Problem, wie sich beim Noise-Filter zeigte.

Beim Noise-Filter erscheinen 4 Quarze zunächst arg übertrieben. Versuche mit 2 und 3 Quarzen ergaben allerdings rundliche Durchlassbereiche, weit weg von einem möglichst flachen Dach, unter das CW- und SSB-Filter schlüpfen sollen.

Für das SSB- und das Noise-Filter wurden Chebyshev-Charakteristik mit 0,1 dB Ripple gewählt. Bekanntermaßen klingeln solche Filter mit CW-Bandbreite. Hier wurde daher die Charakteristik "Linear Phase 0,5 dB" gewählt. Für Chebyshev ist das Programm Dishal [1] der absolute Knüller, beherrscht aber nicht linear Phase. Hier konnte AADE Filter Design V4.5 [3] weiterhelfen.

DJ6EV empfiehlt eine Übereinstimmung der Quarzfrequenzen von +/- 1% der Filterbandbreite, zusätzlich +/- 1,5% Streuung der Induktivität Lm. Die Sortierung in der Excel-Tabelle lief daher in dieser Reihenfolge ab, um die Verschiebung der Mittenfrequenz nach oben bei zunehmenden Bandbreiten halbwegs zu kompensieren:

  • 4 Quarze für das (breiteste) Noise-Filter bei den tiefsten Quarzfrequenzen.
  • 8 Quarze für das SSB-Filter etwa in der Mitte des Streubereichs
  • 6 Quarze für das CW-Filter am oberen Ende.

So sollte es möglich sein, alle drei zur Deckung zu bringen. Aus den gewählten Quarzen wurden schließlich die Mittelwerte für die Eingabe in die Simulationsprogramme berechnet.

Tab. 2.4.2: Excel-Tabelle SSB-Quarze

Eine Beispielsimulation mit Dishal für das SSB-Filter:

Abb. 2.4.6: Screenshot Programm Dishal

Da Dishal Spulen- und Kondensatorgüten nicht berücksichtigt, stößt die berechnete Durchlasskurve im Plot oben bei 0dB an.

Nach Berechnung aufgebautes SSB-Filter mit LC-Anpassung an 50Ω an den Enden:

Abb. 2.4.7: SSB-Filter Schaltung

Messergebnis mit dem NWT:

Abb. 2.4.8: SSB-Filter Durchlasskurve

Kann man so lassen. Die 3 dB-Bandbreite ist goldrichtig, obwohl kleiner als berechnet (2,5 kHz). Der Shape-Faktor ist gut.

Die LC-Anpassung der Filterimpedanz von 207 an 50Ω (hier 120pF und 1,59 uH) kann mit dem Programm Dishal auch gleich berechnet werden. Für die Spule des LC-Gliedes wurde die Primärwicklung von 10,7 MHz-Miniaturbandfiltern verwendet (vorhandener Kreiskondensator entfernt). Die Optimierung der Durchlasskurve erfolgt mit diesen Induktivitäten.

Ersatzweise für erste Tests und für die Verifizierung der berechneten Filterimpedanz können je ein 500Ω-Trimmer an Ein- und Ausgang des Filters geschaltet werden. Mit diesen Trimmern ist eine optimale Durchlasskurve einzustellen. Aus dem Wert der Trimmer plus jeweils 50Ω Impedanz des NWT ergibt sich bei optimaler Einstellung die Filterimpedanz. Die beiden Werte werden sich allerdings geringfügig unterscheiden.

Abb. 2.4.8 zeigt die Durchlasskurve des endgültig auf Platine zusammengebauten SSB-Filters. Vorab wurde die Auslegung nach Abb. 2.4.7 in einem fliegenden Aufbau auf einem Stück FR4-Platine überprüft, Quarze mit Wäscheklammern darauf fixiert. Wie das aussieht, ist hier in Abb. 2.3 zu sehen. Die nachfolgenden Filter wurden auf die gleiche Weise vor dem Zusammenbau getestet.

Nun das CW-Filter:

Tab. 2.4.3: Excel-Tabelle CW-Quarze.

Abb. 2.4.9: CW-Filter Schaltung

Parametereinstellungen in AADE Filter Design:
Design - Crystal ladder - Classic - Linear Phase .5 dB
Crystal Parameter Choice: Zweiter Button von oben (Cp, Ls, Cs, Rs)
Quarzparameter, hier am Beipiel aus der o.a. Liste:
Cp = 5,03p
Ls = 13,98m
Cs = 0,02306p
Rs = 6,13
Order: 6
Bandwidth: 400
Coupling: Tuned capacitive (mit Klick auf die Schaltbilder).

Alternativ mit geringfügig abweichenden Ergebnissen:
Crystal Parameter Choice: Unterster Button (Cp, Fs, Rs, Q)
Cp = 5,03p
Fs = 8,863194M
Rs = 6,13
Q = 127,687k (Mittelwert aus Q Unload in der o.a. Tabelle)
Rest wie oben.

Die LC-Glieder (1,06uH/150pF) besorgen die Anpassung der Filterimpedanz von ca. 120 an 50Ω.

Messergebnis mit dem NWT:

Abb. 2.4.10: CW-Filter Durchlasskurve

Fehlt noch das Noise-Filter, in dessen Durchlasskurve das SSB-und das CW-Filter hineinpassen sollen. Von 3 kHz Bandbreite musste schnell Abstand genommen werden, da die Mittenfrequenz zu hoch geraten war. Mit Dishal wurden Varianten von 2,8 bis 3,0 kHz Bandbreite gerechnet. Übereinstimmung der Durchlasskurven ergab sich schließlich bei einer Bandbreite von 2,8 kHz. Ergebnis in der folgenden Tabelle und Abbildung:

Tab. 2.4.4: Excel-Tabelle Noisefilterquarze.

Abb. 2.4.11: Durchlasskurven aller 3 Filter

Leider zu spät realisiert wurde ein Hinweis in der vorläufigen Baumappe zum QRP-project "S9Plus" [5], dass bei der Verwendung von Low-Profile-Quarzen (Gehäuse HC49U-S) die besagte Verschiebung der Mittenfrequenz mit zunehmender Filterbreite geringer sein soll. Für Nachbauer vielleicht mal einen Versuch wert, allerdings hat Reichelt 8,8672 MHz-Quarze nur mit großem Gehäuse HC18.

Rückmeldung von Horst, DJ6EV, Vater des Dishal-Programms [1]: Die Bauform oder Cp (Co) haben nicht den geringsten Einfluss auf die Verschiebung der Mittenfrequenz. Also wohl eine Ente oder ein Missverständnis.
Weiterer Hinweis von Horst: Billigquarze um die 5 MHz habe die beste Quarzgüte, so dass sich damit Filter mit geringeren Einfügedämpfungen realisieren lassen. Mit steilen Bandfiltern im Frontend ist die Spiegelfrequenzunterdrückung auch bei einer 5 MHz-ZF kein Problem.
Danke, Horst.


2.4.3  Bau des Quarzfilters

Das SSB- und das CW-Filter wurden zu einem Modul zusammengefasst und zwischen Mischer und ZF-Verstärker angeordnet. Da der Mischer empfindlich auf Reflexionen vom Quarzfilter reagiert, ist dieser zunächst mit einem 50 Ohm-Diplexer abgeschlossen, gefolgt von einem FET-Verstärker nach dem Konzept des Pic-A-Star [4]. Die Widerstandsketten an den Relaiskontakten Rel a bis Rel c sorgen für einen geringen DC-Strom zur Kontaktreinigung.

Abb. 2.4.12: Quarzfilter-Umschalter

Fazit

  • Das Vermessen von Quarzen mit dem FA-NWT und dem AADE-LC-Meter ist schnell, sicher und einfach zu bewerkstelligen.
  • Die Berechnung von Ladderfiltern mit dem Programm Dishal von DJ6EV ist eine wahre Freude, obwohl dann doch noch Experimentieren angesagt ist. Dass die Messergebnisse an den Filtern nicht ganz die Berechnungen wiedergeben, mag auch an der o.g. Vermessung der Quarze liegen. Man kommt aber schnell zum Ziel, ein berechnetes Filter zu bauen, mit den Vorgaben zur Berechnung zu vergleichen und dann die Bandbreite und Mittenfrequenz in der Berechnung um den Fehlbetrag Messung - Berechnung zu korrigieren.
  • Die von DJ6EV gezeigte "Wäscheklammer-Methode" auf einem Stück FR4-Platine als Testaufbau führt absolut sicher zum Ziel. Die schließlich auf einer geätzten Platine mit (ausgemessenen!) SMD-Kondensatoren aufgebauten Filter waren so gut wie identisch mit dem Testaufbau.


Referenzen

[1] https://www.bartelsos.de/filter/quarzfilter/quarzfilter
[2] QRP-Forum, http://qrpforum.de/index.php?page=Thread&threadID=5845
[3] http://www.aade.com/filter.htm
[4] Peter Rhodes, G3XJP, Pic-A-Star, http://www.tracey.org/wjt/temp/picastar-all.pdf
[5] http://www.qrpproject.de/Media/Solf2009/S9PlusDE.pdf
[6] http://www.mydarc.de/dl2ver/FANWT.pdf

           


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quarzfilter_schaltung.pdf


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