Quarz-Ladderfilter für SSB- und AM-Bandbreiten

Quarz-Ladderfilter für SSB- und AM-Bandbreiten
Da ich fast ausschließlich in SSB arbeite, war zur Zeit der Entwicklung des QRP14 bereits geplant (siehe
Projekt 1996), dass es auch eine SSB-Version dieses QRP-Dreiband-CW-Transceivers geben sollte.
Außer einer linearen Senderendstufe und einem Sprachprozessor war vor allem die Entwicklung des
SSB-Exciters eine Herausforderung. Nachdem fast alle QRP-SSB-Transceiver unter schlechter
Modulation durch ein viel zu schmales, unsymmetrisches Quarzfilter litten, versuchte ich bereits damals,
dieses Problem zufrieden stellend zu lösen. Das ist mir seinerzeit gelungen, aber erst durch das
Erscheinen des FUNKAMATEUR-Netzwerktesters steht heute dem selbst bauenden Funkamateur die
Messtechnik zur Verfügung, die er benötigt, um zumindest eine brauchbare empirische Optimierung
eines Ladderfilters durchführen zu können. Leider hat die Erfahrung mit dem FT-817 auf Kurzwelle
gezeigt, dass man sich in SSB mit Leistungen unter einem bestimmten Pegel nicht nur abquälen muss,
um erfolgreiche Verbindungen tätigen zu können, sondern auch den QSO-Partnern ein erhebliches Maß
an Geduld abverlangt wird, damit sie bereit sind, schwache Signale im QRM zu orten. Deshalb hatte ich
die Idee und das Projekt lange Zeit liegen gelassen. Jetzt habe ich aber zumindest das Thema der
symmetrischen, breiten Ladderfilter wieder aufgegriffen und für Nachbauer ausgearbeitet.
Dabei habe ich bewusst auf Mathematik und das Rechnen oder Simulieren mit den Quarzparametern
verzichtet, da diese eher aufwendigen Themen in der Vergangenheit viele Amateure vom Einstieg in den
Bau von Ladderfiltern abgehalten haben. Ich setze dagegen ausschließlich auf empirische Optimierung
mit dem Netzwerktester. Das geht auch mit etwas Übung viel schneller!
Die typische Struktur eines Quarz-Ladderfilters ist bekannt. Es ist ebenso bekannt, dass diese Filter nur
bei sehr schmalen Bandbreiten (CW) einigermaßen symmetrisch sind. Mit kleiner werdenden
Koppelkondensatoren Ck und damit steigender Bandbreite wird die untere Filterflanke immer flacher. Das
rührt daher, dass bei tieferen Frequenzen die Kombination aus Gehäusekapazität C0 und
Serieninduktivität Ls immer induktiver wird und mit den Koppelkondensatoren eine Tiefpassstruktur bildet;
ein Verhalten, das mit kleiner werdenden Ck immer ausgeprägter ist. Dieses Phänomen ist seit langem
bekannt und es gab einige Versuche und Veröffentlichungen, wie man ihm beikommen kann. Dazu ist im
Wesentlichen nur die Gehäusekapazität C0 zu "eliminieren", d. h. mit einer zusätzlichen Induktivität zu
kompensieren.
Nach sehr vielen Versuchen und aufgebauten Quarz-Ladderfiltern habe ich herausgefunden, dass man
dieses prinzipielle Verfahren stark vereinfachen kann. Es genügt, wenn man die Gehäusekapazität
mittels Spulen geringer Güte breitbandig kompensiert (dadurch ist kein Abgleich mehr erforderlich!). Auch
ist es ausreichend, dies z. B. beim ersten und letzten Quarz durchzuführen. Durch die
Kompensationsspulen bilden sich an der unteren Filterflanke der Durchlasskurve Pole, die die Symmetrie
perfekt wieder herstellen. Dabei können für die Spulen aufgrund der Breitbandigkeit der Kompensation
problemlos feste Normwerte verwendet werden.
Hier sieht man deutlich, wie flach die untere Flanke eines (hier vierpoligen) Ladderfilters wird, wenn man
die Bandbreite versucht zu vergrößern. Mit der Kompensation von C0 bilden sich an der unteren Flanke
Polstellen, die die Symmetrie wieder herstellen. Die obere Filterflanke wird dabei geringfügig flacher (die
symmetrierte Filterkurve ist diejenige mit der etwas größeren Bandbreite).
Im Laufe einiger Wochen habe ich unzählige Ladderfilter aufgebaut und vermessen; angefangen mit
vierpoligen über 6-polige bis zu 8-poligen. Dabei bestehen alle Filter aus kleinen Quarz-Serien vom
Flohmarkt oder anderen preiswerten Quellen. Für die Filterversuche wurden Quarze von 3,6 MHz bis 12
MHz verwendet. Sie sollten so selektiert werden, dass bei kleiner kapazitiver Belastung die
Quarzfrequenzen etwa auf +/- 50 Hz für SSB und für AM-Filter auf etwa +/- 100 Hz übereinstimmen. Bei
sehr großen Bandbreiten habe ich nicht immer die Quarze selektiert.
Die beispielhafte Darstellung nur einiger 6-poliger Filter bei unterschiedlichen Frequenzen zeigt, dass
man mit Leichtigkeit sauber symmetrische Filter mit SSB- und AM-Bandbreiten herstellen kann. Diese
Bandbreiten können von etwa 1,8 kHz für ein sehr schmales SSB-Filter bis über 8 kHz für ein "HiFi"-AMFilter reichen. Die Serieninduktivitäten und ersten Parallel-Cs an Ein- und Ausgang dienen der
Anpassung an 50 Ohm. Diese Anpassung kann in einer endgültigen Schaltung natürlich auch in anderer
Weise gestaltet werden (z. B. mit angezapftem Parallelkreis oder Breitbandtrafo). Die ParallelInduktivitäten am ersten und letzten Quarz dienen der Symmetrierung. Mit derselben Methode kann man
in gleicher Weise auch vier- oder 8-polige Filter aufbauen. Wenn die Quarze sorgfältig selektiert sind,
fallen alle Koppelkapazitäten gleich groß aus. Bei weniger sorgfältiger Selektion oder wenn nur eine
bestimmte Zahl an Quarzen zur Verfügung steht, können mit den Koppelkapazitäten auch Toleranzen
ausgeglichen werden. Dabei muss allerdings mit Geduld und kleinsten Kapazitätsänderungen (+/- 1 ...
3,3 pF) vorgegangen werden. Wichtig: Größere Bandbreiten erzielt man mit kleineren Koppelkapazitäten
und umgekehrt.
Typische symmetrische Filterkurve für ein 6-poliges SSB-Filter bei 4 MHz. Welligkeit < 1dB, Shape-Faktor
etwa 2,4.
Beispielhafte Durchlasskurve für ein breites SSB- oder schmales AM-Filter bei 8 MHz. Bei dieser
Frequenz lassen sich - je nach Quarzen - Bandbreiten bis >6kHz erzielen.
Einige typische Versuchsfilter unterschiedlicher Polzahl am Netzwerktester. Alle Filter wurden mittels L/CAnpassung an 50 Ohm angepasst und im 50-Ohm-System vermessen. Die Anpassspulen sind (hier) als
Abgleichspulen ausgeführt, während die Kompensationsspulen kleine umpresste Drosseln aus der
Normreihe sind.
So sehen beispielsweise zwei einbaufertige symmetrischen Ladderfilter aus. Aus Gründen der
Weitabselektion sind die Kompensationsspulen in kleinen Spulenbechern zur Schirmung untergebracht.