2.4 Quarzfilter selber bauen? Kein Problem!

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.

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. Ein solcher Testadapter ist leicht herzustellen, davon werden zwei gebraucht:

Test Fixture

Abb. 2.4.1; Abschwächer 50 auf 12,5 Ohm

Die Messvorrichtung mit dem FA-NWT sieht so aus:

NWT-Messvorrichtung

Abb. 2.4.2: Messanordnung schematisch

Platine dazu:

Test Fixture Platine

Abb. 2.4.3: Platine der Messvorrichtung (Bestückungsseite)

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.

Messverstärker zum NWT

Abb. 2.4.4: Aufholverstärker Schaltung

Ausmessen mit dem FA-NWT

Die Messmimik ist oben angedeutet. Zunächst ist der Testadapter auszumessen. Dazu wird jeweils der zu messende Abschwächer an der Koax-Buchse mit einem 50Ω-Stecker bestückt und mit einem Digitalmutimeter der quarzseitige Widerstand gemessen. Die Widerstände beider Abschwächer sollten ca. 12,5Ω betragen. Diese Werte (Z-Source am NWT-Generatorausgang und Z-Load am NWT-Messeingang, hier ZSource = 12,5Ω und ZLoad = 12,6Ω) notieren.

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:

NWT-Quarzmessung

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):

Excel-Auswertung 1

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]:

Formeln zur Berechnung der Quarzparameter

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.

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.

Excel-Auswertung 2

Tab. 2.4.2: Excel-Tabelle SSB-Quarze

Eine Beispielsimulation mit Dishal für das SSB-Filter:

Dishal-Simulation

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:

Schaltung SSB-Filter

Abb. 2.4.7: SSB-Filter Schaltung

Messergebnis mit dem NWT:

Quarzfilter SSB Durchlasskurve

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.

Nun das CW-Filter:

Excel-Auswertung CW

Tab. 2.4.3: Excel-Tabelle CW-Quarze

Schaltung CW-Filter

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:

CW-Filter Durchlasskurve

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:

Excel-Auswertung Noise-Filter

Tab. 2.4.4: Excel-Tabelle Noisefilterquarze

Durchlasskurven Noise, SSC, CW

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.

Bau des Quarzfilters

Das SSB- und das CW-Filter wurden zu einem Modul zusammengefasst und zwischen Mischer und ZF-Verstärker angeordnet. Heute sagt man wohl "Roofing-Filter" dazu. 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.

Quarzfilter Schaltung

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]   http://www.bartelsos.de/dk7jb.php/quarzfilter-horst
[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