Как настроить спиральный ВЧ-фильтр для рации на 145 МГц сжатием и растяжением витков

Рация слышит всё подряд. Соседний ретранслятор на 433 МГц, таксопарк на 160 МГц, шум городской инфраструктуры на десятках частот одновременно. Приёмник с широкой входной полосой не разбирает, где нужный сигнал, а где помеха, и его малошумящий каскад честно усиливает всё без разбора. Спиральный полосовой фильтр перед входом приёмника решает эту задачу радикально: он пропускает только узкую полосу 144-146 МГц и жёстко давит всё остальное. Вопрос только в том, как намотать катушки правильно и как попасть в нужную полосу, не имея дорогого измерительного парка.

Почему спиральные резонаторы выбирают именно для диапазона двух метров

На частоте 145 МГц обычный двухконтурный полосовой фильтр с сосредоточенными элементами сталкивается с неудобной реальностью: расчётные ёмкости получаются в диапазоне десятых долей пикофарада. Физически реализовать конденсатор 0.1-0.2 пФ с нужной стабильностью практически невозможно, паразитные ёмкости монтажа съедают любую точность.

Спиральный резонатор обходит эту проблему элегантно. Катушка индуктивности, размещённая внутри экранированного объёма, образует распределённую резонансную систему: ёмкость формируется между витками катушки и стенками экрана, а не отдельным конденсатором. Добротность такой системы достигает 500-700 при аккуратном исполнении, что обеспечивает вносимые потери в полосе пропускания на уровне десятых долей децибела. Это цифры, которые LC-фильтрам с сосредоточенными элементами на 145 МГц просто недостижимы.

Два спиральных резонатора, связанных между собой, дают полосовой фильтр с полосой пропускания немногим более 2 МГц по уровню минус 3 дБ. Это аккуратно перекрывает радиолюбительский диапазон 144-146 МГц и при этом давит сигналы на расстоянии 10-15 МГц от центральной частоты уже на 40-50 дБ. Дешёвый широкополосный приёмник с таким фильтром на входе начинает вести себя как совершенно другой прибор.

Из чего и как мотать катушки для работы на 145 МГц

Катушки спирального резонатора на 145 МГц выполняются бескаркасными из жёсткого провода диаметром 1.5-2 мм. Лучший выбор материала: посеребрённая медь. Серебро значительно снижает потери на высоких частотах из-за скин-эффекта, при котором ток на 145 МГц течёт только в тончайшем поверхностном слое проводника толщиной около 5-6 микрон. Если посеребрённого провода нет, берут обычную медь, но итоговая добротность окажется ниже примерно на 20-30%.

Классическая конструкция для 145 МГц предполагает 6 витков диаметром 15 мм, равномерно растянутых на длину около 35 мм. Каждый резонатор размещается в отдельной экранированной секции. Размеры секции подбираются из соотношения: диаметр экрана примерно в 3-4 раза больше диаметра катушки, то есть около 45-60 мм. Высота экрана равна длине катушки плюс зазор сверху и снизу порядка 10-15 мм. Материал экрана: медь или латунь толщиной 0.5-1 мм. Алюминий используется реже из-за сложности пайки.

Один вывод катушки припаивается к стенке экрана (земля), другой подключается к подвижной пластине подстроечного конденсатора. Отвод для согласования с 50-омным трактом делается от нижнего витка катушки, примерно на расстоянии четверти витка от заземлённого конца. Именно это положение отвода обеспечивает трансформацию входного сопротивления резонатора к стандартным 50 Ом.

Физика сжатия и растяжения витков и как это меняет частоту резонанса

Здесь начинается самое интересное. Бескаркасная катушка, намотанная с шагом, позволяет физически менять расстояние между витками, и этот, казалось бы, грубый инструмент оказывается точным и эффективным способом подстройки.

Когда витки сжимают, расстояние между ними уменьшается. Взаимная индуктивность между соседними витками растёт, суммарная индуктивность катушки увеличивается. Одновременно растёт ёмкость между соседними витками. Оба эффекта действуют в одну сторону: резонансная частота снижается. Если при намотке катушки её собственная частота оказалась выше нужных 145 МГц, несколько осторожных сжатий витков опустят её вниз.

Растяжение витков работает ровно наоборот. Индуктивность и межвитковая ёмкость уменьшаются, резонансная частота растёт. Если катушка резонирует ниже 145 МГц, витки аккуратно растягиваются до нужного значения.

Практически важная деталь: изменение шага намотки должно быть равномерным по всей длине катушки. Неравномерное сжатие или растяжение создаёт локальные отличия шага и снижает добротность резонатора. Работать с катушкой нужно двумя руками, растягивая или сжимая её симметрично от середины к краям, а не тянуть за один конец. После каждого изменения форма катушки проверяется визуально: витки должны быть параллельны друг другу и равноудалены.

Типичная картина при первой сборке фильтра такова: расчётная катушка на 6 витков диаметром 15 мм и длиной 35 мм резонирует чуть выше 145 МГц, потому что реальный провод и реальный экран отличаются от расчётных параметров. Несколько миллиметров сжатия возвращают центральную частоту на место.

Как настраивать фильтр без анализатора спектра и что можно использовать вместо него

Профессиональный инструмент для настройки спирального фильтра: анализатор спектра с трекинг-генератором, который рисует АЧХ в реальном времени. Но у большинства радиолюбителей его нет, и это не катастрофа. Фильтр успешно настраивается более простыми средствами.

Минимальный набор для настройки включает следующее:

1. Генератор сигналов, перекрывающий диапазон 140-150 МГц. Подойдёт любой DDS-генератор на AD9850 или AD9851, который собирается за несколько часов.
2. ВЧ-вольтметр или диодный детектор с обычным мультиметром на выходе. Чувствительность детектора на 145 МГц достаточна даже при уровне сигнала минус 20 дБм.
3. Резистор 50 Ом на входе и выходе фильтра для правильной нагрузки.

Методика настройки следующая. Генератор устанавливается на 145 МГц. Сигнал подаётся на вход фильтра, детектор подключается к выходу. Подстроечный конденсатор первого резонатора медленно вращается до максимума показаний детектора. Затем настраивается второй резонатор. После грубой настройки оба резонатора подстраиваются совместно для симметрии полосы. Частота генератора смещается на 144 МГц и 146 МГц, и проверяется, что уровень сигнала на этих краях полосы снизился не более чем на 3 дБ относительно максимума на 145 МГц.

Если центральная частота полосы не совпадает с 145 МГц и подстроечные конденсаторы не помогают выровнять её, в дело вступает механическая настройка витков. Полоса сместилась вниз: катушки требуют лёгкого растяжения. Полоса ушла вверх: нужно сжатие. Изменения делаются малыми шагами, после каждого шага АЧХ проверяется заново.

Подстроечные конденсаторы и связь между резонаторами

Самодельные воздушные конденсаторы для спирального фильтра на 145 МГц изготавливаются из двух круглых медных или стальных дисков диаметром 20-32 мм. Расстояние между дисками регулируется винтами М3, изменяя ёмкость в диапазоне от единиц до нескольких десятков пикофарад. Ротор конденсатора (подвижная пластина) соединяется с экраном, статор подключается к горячему выводу катушки.

Почему важно использовать именно воздушный диэлектрик между пластинами конденсатора? Керамика и пластик при больших ВЧ-напряжениях в резонаторе вносят дополнительные потери. На передачу, где в резонаторе возникает напряжение в десятки и сотни вольт, диэлектрические потери ощущаются как разогрев конденсатора и снижение КПД. Воздух лишён этого недостатка.

Связь между резонаторами регулируется расстоянием или размером щели в перегородке между секциями. Чем больше щель, тем сильнее связь, тем шире полоса пропускания фильтра и выше вносимые потери. Для диапазона 2 метра оптимальная полоса пропускания 2-3 МГц достигается при достаточно слабой связи, которая на практике соответствует щели шириной 5-10 мм при высоте перегородки 40-50 мм.

Что влияет на стабильность настроенного фильтра при эксплуатации

Спиральный фильтр с бескаркасными катушками чувствителен к вибрации. Это не недостаток конструкции, а физическое следствие того, что механическое положение витков напрямую определяет резонансную частоту. Если рация используется в стационарных условиях, вибрация не является проблемой. Для мобильного применения катушки фиксируются после настройки каплей цапонлака или аэрозольного лака для волос. Важный нюанс: лак наносится минимальным количеством и только снаружи катушки, без затекания внутрь витков. Лак с диэлектрическими потерями, попавший между витками, снижает добротность точно так же, как плохой диэлектрик в конденсаторе.

Медь со временем окисляется, и это реально сказывается на характеристиках. Серебряное покрытие окисляется значительно медленнее, и именно поэтому посеребрённый провод остаётся предпочтительным материалом, а не данью традиции. Если катушки выполнены из голой меди, через год-два работы стоит проверить АЧХ фильтра заново: полоса пропускания может сместиться или сузиться из-за роста поверхностного сопротивления окисленного провода.

Спиральный фильтр на 145 МГц является одной из тех конструкций, которые не прощают небрежности на этапе намотки, но щедро вознаграждают за аккуратность. Рация с таким фильтром на входе начинает уверенно брать слабые сигналы там, где раньше тонула в шуме городских помех. Несколько сантиметров посеребрённой проволоки и медный экранчик делают то, что никакая прошивка и никакие настройки меню приёмника сделать не в состоянии.