CONSTRUINDO UM FILTRO PASSA-BAIXOS PARA A SAÍDA DO TRANSMISSOR

5/nov/2004

atualizado 17/jan/2006

Harmônicos

Por que razão existem os harmônicos?

Como eliminar ou reduzir os harmônicos na saída para antena?

Projetando um filtro para HF 

Desenho esquemático

Os capacitores

Montagem na caixa

Simulação do filtro no Pspice

 

Harmônicos

Todo transmissor apresenta na saída para antena o sinal desejado e mais outros, indesejados.  Os mais comuns são os chamados harmônicos, nas frequências múltiplas do sinal desejado. Assim, por exemplo, um transmissor para a banda dos 40 metros, em 7 MHz, terá harmônicos em 14, 21, 28, 35, 52... MHz (x2, x3, x4, x5, x6), e assim por diante. Normalmente a intensidade vai diminuindo para cada ordem superior do harmônico. Desse modo, o transmissor em 7 MHz poderá causar interferência nas bandas superiores e também nas de televisão.

 

Por que razão existem os harmônicos?

 

Um sinal puro, sem harmônicos, é aquele em que o formato de onda é uma senóide perfeita. Quando algum estágio do transmissor não opera de modo linear, mantendo a perfeição do sinal senoidal, então teremos uma senóide modificada. Toda modificação de uma senóide significa que harmônicos foram criados.

 

Um exemplo simples é aquele de um pequeno amplificador de áudio, um pequeno rádio portátil de AM-FM popular. Quando elevamos muito o volume, o amplificador não consegue aumentar a voltagem (e portanto potência) entregue ao altofalante, indefinidamente. Assim um tom que fosse puro, senoidal, iria ser modificado para uma onda de formato quadrado, a voltagem somente sobe até certo ponto. O som que se escuta então, estridente, distorcido, é devido á criação de harmônicos. O mesmo acontece quando a pilha está fraca.

 

No caso do transmissor, somente em SSB se utiliza amplificadores de rádio frequência lineares, que preservam um pouco a forma senoidal de onda. Em FM e CW é comum o emprego de estágios em classe C, mais eficientes, que porém trabalham com pulsos de energia. A intensidade de harmônicos na saída é elevada.

 

Como eliminar ou reduzir os harmônicos na saída para antena?

 

A prevenção da irradiação de harmônicos se faz por meio de filtros. Todo transmissor conta com alguma espécie de filtro na saída, em geral em formato pi (o nome vem da aparência do esquema do filtro, dois componentes na vertical e um horizontal, como a letra grega π).

 

Todo filtro passa-baixos conterá indutor(es) em série e capacitor(es) em paralelo com o sinal, de modo a impedir que as frequências mais altas passem adiante, e permitindo que as baixas frequências sigam adiante sem atenuação. Há uma frequência crítica onde o comportamento do filtro se modifica entre essas duas “atitudes”, é a chamada frequência de corte.

 

Projetando um filtro para HF

 

No meu caso desejava um filtro que pudesse trabalhar com um amplificador linear de alta potência (cerca de 600 Watts de saída), para as faixas de 160 até 10 metros.

 

O projeto com feito com o auxílio do programa ELSIE, disponível gratuitamente em versão básica, e conferido,  ainda em software, com dois programas de Wes Hayward, W7ZOI (l.exe e gpla.exe). Posteriormente verifiquei com o OrCAD PSPICE (disponível gratuitamente em versão estudante).

 

O filtro é de topologia Chebichev de sétima ordem (contém 7 elementos reativos), com frequência de corte 35 MHz, e ripple (ondulação) de 0,05 dB.

 

 

Desenho esquemático

 

 

 

 

                        

Bobinas:

235 nH - diâmetro 16 mm, comprimento 45 mm, 6 espiras, fio esmaltado de diâmetro 2,4 mm.

446 nH - diâmetro 16 mm, comprimento 65 mm, 11 espiras, fio esmaltado de diâmetro 2,4 mm.

As bobinas foram verificadas com o LC meter descrito aqui

 

Os capacitores

 

Capacitores: feitos com placas de circuito impresso em fibra de vidro com cobre em ambas as faces com espessura de 1/16 polegadas. Cada capacitor utiliza dois pedaços de circuito impresso em paralelo. A placa impressa que utilizei apresentou aproximadamente 3 pF/cm2 (medidas com LC meter) .

 

130 pF - 3x6,5 e 3,5x6,5

147 - 6x4 (2)

 

 

As duas placas de cada capacitor são presas por um parafuso passante e são montadas ligeiramente descentradas, afim de se poder soldar um fio nas duas faces internas, que formarão o lado "vivo". As duas faces externas do sanduíche são o lado de terra, o parafuso realiza o aterramento. Para isso é bom usar arruelas tipo estrela que "morde" o cobre, promovendo bom contato. O furo do parafuso nas faces internas é alargado com uma broca grande para que não aconteça um curto-circuito com o parafuso.

 

Foto de duas placas que formam um capacitor. Notar uma face interna com o furo alargado.

Os pontos de solda visíveis na foto são lugares onde eu havia soldado pedacinhos de fio para poder ligar a um medidor de capacitância. Os fios foram retirados depois da medição.

 

Outra vista de conjunto para um capacitor.

 

 

Montagem na caixa

 

Esta é a caixa, aproveitada de uma velha fonte de alimentação chaveada de computador antigo. Notar os rebites que serão substituídos por parafusos com porcas, para garantia de contato elétrico.

 

Os buracos originais serão fechados por meio de um pedaço de placa de circuito impresso.

 

Aqui os conectores coaxiais foram montados.

 

 

Vista de um extremo.

 

 

Vista do filtro montado. As bobinas são soldadas diretamente a uma face interna dos capacitores. Notar a montagem das bobinas em ângulo reto, de modo a minimizar o acoplamento.

 

O filtro recebeu uma pintura na cor preta. Nesta foto ainda não havia sido colocada a tampa interior. As furações de ventilação são muito pequenas e não representam perigo de irradiação de harmônicos.

 

 

SIMULAÇÃO DO FILTRO NO PSPICE

 

Para uma simulação se aproximar do filtro real, é necessário levar em conta as capacidades entre as extremidas das bobinas e a indutância dos capacitores.

Estimei 2pF em paralelo com as bobinas e 5nH em série com os capacitores. Sem esse cuidado o resultado é de um filtro ideal, irrealizável.

 

 

 

 

Aqui aparece a magnitude da saída em dB (eixo Y) para uma varredura de 1 a 600 MHz.

 

Foi feito somente um teste de varredura em HF, até 30 MHz, observando-se a ROE, que ficou abaixo de 1.3:1, estando de acordo com o esperado.

 

Agora basta colocar o filtro na saída do transmissor. É importante lembrar que o filtro deverá suportar a máxima potência permitida com facilidade, na condição que a ROE seja baixa.

 

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ACRESCENTADO EM 17/01/2006

 

Não estava satisfeito com a ligação ao terra dos capacitores ser feita pelos parafusos. Então modifiquei. Coloquei uma placa impressa que vai de um extremo ao outro e usei folha de cobre para prender e ligar eletricamente aos parafusos dos conectores coaxiais. Assim se realiza um bom plano terra.

 

Os capacitores foram soldados a essa placa. Uma vantagem adicional é a blindagem que eles propiciam.

 

 

Esse gráfico de transmissão e VSWR é obtido no programa ELSIE.

O filtro foi avaliado por meio de um analisador Autek Research RF-1 e uma carga de 50 ohms Weinschel Corp M1426 DC-8 GHz.

A medição de SWR acompanhou o previsto dentro de 10%. Desse modo pode-se deduzir que a curva de transmissão também segue o previsto.

 

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