Schmalbandiges LC-Filter, praktischer Aufbau

[Tom R. (tt_r)]

Hallo,

habe einen Superhet-Empfänger aufgebaut und verwende aktuell 45MHz für 
die erste ZF. Als ZF-Filter setze ich gerade das 75SMF45A30B von ECS ein 
(Datenblatt: https://ecsxtal.com/store/pdf/ECS_75SMF.pdf). Damit 
funktioniert mein Empfänger ganz gut für schmalbandige Signale, z.B. 
Amateurfunk.
Allerdings will ich nun auch FM-UKW-Signale empfangen. Mit den +/-15kHz 
ist das aktuelle Filter dafür aber etwas schmalbandig, das NF-Signal 
hört sich nicht schön an.
In meiner Not habe ich ein Filter mit einem 10.7MHz Keramikfilter 
(SFJ10,7MB-Z, siehe Anhang) eingebaut. Damit geht es, aber das Filter 
ist natürlich schon obsolete und damit nur noch schwer erhältlich. Dazu 
kommt, dass mir eine höhere 1. ZF mehr gefällt, um Spiegelfrequenzen 
besser zu unterdrücken.

Habe dann versucht, ein LC-Bandpass-Filter mit 45MHz Mittenfrequenz und 
150kHz Bandbreite aufzubauen. Zur Dimensionierung bin ich auf dieses 
Tool gestoßen: 
https://markimicrowave.com/technical-resources/tools/lc-filter-design-tool
Damit habe ich das Filter wie in der LTspice-Datei BPF5.asc zusehen 
entworfen.

Dazu habe ich aber ein paar Fragen:
1) Habe mal 100mOhm Serienwiderstand für die Spulen angenommen. Damit 
ist die Einfügedämpfung schon bei ~8dB. Könnte man das durch eine andere 
Filtertopologie verbessern?
2) Habe die Befürchtung, dass das Filter im praktischen Aufbau sehr 
empfindlich auf Bauteiltoleranzen reagiert. Habt ihr hier Tipps für 
mich?
3) Habt ihr sonstige Tipps für mich, will eigentlich nur ein 
Bandpass-Filter mit 150kHz Bandbreite... Bin mit der Wahl der 1. ZF 
ziemlich flexibel. Käme vielleicht ein Quarzfilter in Betracht? (Aber 
die sind ja eher schmalbandig...).

Ein VNA ist vorhanden, kann damit das Filter durch messen.

[Christoph db1uq K. (christoph_kessler)]

Von Mini-Circuits gibt es LC-Bandpässe, hier der nächstliegende mit 2 
MHz Bandbreite:
https://www.minicircuits.com/pdfs/BPF-B48+.pdf
Übersicht:
https://www.minicircuits.com/WebStore/RF-Filters.html

[Tom R. (tt_r)]

Hallo Christoph,

Danke für die Tipps, aber leider ist das zu breitbandig für meine 
Anwendung. Brauche wirklich etwas im Bereich 150kHz, denn meine 2. ZF 
liegt nur bei 200kHz.

Hat jemand Tipps für mich, wie ich so ein Filter selbst aufbauen könnte?

Viele Grüße,
Tom

[GHz N. (ghz-nerd)]

Für die genannten Selektivitätsanforderungen kommen von mir aus gesehen 
nur SAW- oder Quarzfilter infrage. Bei letzteren ist ein selbstbau 
durchaus möglich, vor allem wenn man bei der Wahl der Mittenfrequenz 
etwas flexibel ist.

[Tom R. (tt_r)]

GHz N. schrieb:
> Quarzfilter

Ja, daran habe ich auch schon gedacht und auch hier Infos gefunden: 
https://www.bartelsos.de/_media/filter/quarzfilter/quarzfilter_rev2a.pdf

Es gibt auf der Webseite auch ein Berechnungstool zum Runterladen: 
https://www.bartelsos.de/filter/quarzfilter/quarzfilter-dj6ev

Allerdings schaffe ich es da nicht, eine Bandbreite >5kHz einzustellen. 
Was muss ich da beachten?

Habe hier Quarze mit folgenden Daten:

Lm = 6.12mH
Cm = 16.18fF
Rm = 19.6 Ohm
Cp = 3.75pF

Wie könnte ich damit ein Quarzfilter mit 150kHz Bandbreite bauen?

[Horst S. (Firma: Chaos Ltd) (hst)]

Hallo,

aus deinem Post ist nicht ersichtlich, welche Frequenzbereiche dein 
Empfänger abdecken soll (KW bis 30MHz?).
LC-Filter mit Spulen sind für deine Anforderungen nicht sinnvoll 
machbar. Die Bandbreite ist ja nur 0,15/45MHz = 0,33%. Ich habe mal ein 
2-Polfilter mit 150kHz Bandbreite bei 45MHz mit "Elsie" berechnet - 
einmal mit verlustfreien Komponenten und mit einer schon anspruchsvollen 
Spulengüte von 200 - siehe Bild. Bandbreiten ab ca. 1,5% sind 
realisierbar.

Die Möglichkeit wäre evtl. eine doppelte Umsetzung, z.b. 45-->10,7MHz. 
Da gibt es ja entsprechende keramische (oder auch LC) für BC-FM und als 
Quarzfilter für AM/SSB.
Deine jetzigen Filter sind mit 30kHz BBr m.E. ohnehin alles andere als 
optimal für AM/SSB. Quarzfilter mit Bandbreiten von 2 bis 6kHz sind auch 
leicht mit Billigquarzen zu bauen. Habe ich schon selbst erfolgreich 
probiert.

Noch einfacher ist es aber, den BC-FM-Teil (87-108MHz) komplett separat 
aufzubauen oder auch einfach ein fertiges Empfangsmodul zu nehmen. Die 
gibt es ja schon fast im Briefmarkenformat.

[Rainer W. (rawi)]

Horst S. schrieb:
> aus deinem Post ist nicht ersichtlich, welche Frequenzbereiche dein
> Empfänger abdecken soll (KW bis 30MHz?).

Tom R. schrieb:
> Allerdings will ich nun auch FM-UKW-Signale empfangen.

Als FM-UKW wird üblicherweise der Bereich 87 bis 108 MHz bezeichnet. 
Außer Rundfunk sendet im UKW-Band sonst niemand so breitbandig.

[Christoph db1uq K. (christoph_kessler)]

Es geht um die Zwischenfrequenz für UKW. Die üblichen 10,7MHz 
Keramikfilter haben etwa 300 kHz:
https://www.mouser.de/datasheet/2/281/p50e-522732.pdf

Das LC-Bandpassfilter von minicircuits hat um die 3 dB 
Durchgangsdämpfung, mit mehreren Kreisen und 2 MHz Bandbreite, dafür 
hatte ich es oben genannt.

[Horst S. (Firma: Chaos Ltd) (hst)]

Tom R. schrieb:
> Hallo,
>
> habe einen Superhet-Empfänger aufgebaut und verwende aktuell 45MHz für
> die erste ZF. Als ZF-Filter setze ich gerade das 75SMF45A30B von ECS ein
> (Datenblatt: https://ecsxtal.com/store/pdf/ECS_75SMF.pdf). Damit
> funktioniert mein Empfänger ganz gut für schmalbandige Signale, z.B.
> Amateurfunk.

Darauf bezog sich meine Frage nach dem RX-Konzept. Für UKW hatte ich ja 
ein separates Modul vogeschlagen, das komplett vom restlichen Teil 
unabhängig ist. Da spart man sich den ganzen Zirkus mit Filtern usw.

Bei deinen Quarzen (16MHz) kannst du sehr wohl Filter >5kHz (max.18kHz) 
mit Dishal berechnen, allerdings mit entsprechender Asymmetrie. Anbei 
Die Berechnung für b3=8kHz und die Simulation mit der doch recht 
miserablen Quarzgüte von 32k (Dishal erzeugt LTSpice Netlists 
automatisch). Für SSB (so um 2,5kHz) wäre damit kein Staat zu machen - 
da sollten die Quarze schon Güten so um mindestens 80k, besser >120k 
haben. Meine 10,7MHz-Quarze hatten Güten von 110-120k.

Man kann Quarzfilter mit b3=150kHz bauen, allerdings nicht als 
Ladderfilter, sondern mit einer klassischen, neutralisierten 
Brückenschaltung. Ist allerdings mit den Billigquarzen wegen der 
oberhalb der Quarzresonanz vorhandenen Nebenresonanzen (so um 50-150kHz) 
nicht ratsam. Trotzdem ein Bild einer solchen Filterberechnung 
(2-stufig).
Das ist mein Senf mit Bilderchen dazu.
Viel Spaß

[Tom R. (tt_r)]

Horst S. schrieb:
> Man kann Quarzfilter mit b3=150kHz bauen, allerdings nicht als
> Ladderfilter, sondern mit einer klassischen, neutralisierten
> Brückenschaltung.

Danke! Das war der entscheidende Hinweis!

Habe das mal mit dem selben Tool für meine Frequenz berechnet und auch 
in LTspice simuliert (siehe Bild "Crystal_4_Simulation_1.png") und dann 
auch auf einer Platine aufgebaut und mit dem LibreVNA vermessen (siehe 
Bild "Crystal_4_Measurement_1.png").
Das sieht schon vielversprechend aus, werde im nächsten Schritt noch 
versuchen, die Parallelkapazität vom Quarz zu kompensieren (dafür ist in 
LTspice schon L2 und C5 drin (siehe Bild "Crystal_4.png").

Die Nebenresonanzen sind aber leider gut sichtbar, wie von Dir 
vorhergesagt. Du scheinst viel Erfahrung zu haben!

Sobald ich es geschafft habe, eine 4.17uH-Spule zu wickeln, melde ich 
mich wieder mit Messergebnissen ;-)

[Tom R. (tt_r)]

Hallo,

so, habe nun eine Spule parallel zum Quarz eingebaut und auch einen 
Trimmer parallel zum Quarz sodass ich abgleichen kann.
Anbei die LTspice-Simulation und die Messung mit dem LibreVNA dazu.

Leider sieht man die Nebenresonanzen schon deutlich. Ist es das, was Du 
gemeint hast, Horst? Kannst Du mir besser Quarze empfehlen?

Viele Grüße,
Tom

[Peter T. (Firma: schon lange insolvent) (wonderboy8051)]

Hui, das ist aber ein interesssnter Thread! Die geforderte Bandbreite 
von 150kHz bei 45Mhz Mittenfrequenz bedeutet eine Güte von 300. Für ein 
Spulenfilter ist das verdammt hoch, da wird man hochwertige 
Kondensatoren und versilberte Spulendrähte nehmen müssen. Quarze 
hingegen haben Güten die eher um 2 Zehnerpotenzen darüber liegen, mit 
ihnen würde man leicht eine Bandbreite von 1,5kHz realisieren können.

Ich will den Thread nicht kapern, aber zwei kleine Fragen hätte ich:
Wie kann man die Güte von Quarzen verringern?

Es gibt seit ein paar Jahren OP-Verstärker die Bandbreite x 
Verstärkungsprodukte von etlichen Gigahertz haben. Könnte man nicht 
mehrere Biquad-Filter mit OP-Verstärkern hintereinander schalten?

[Jochen F. (jamesy)]

Eigentlich riuft das nach 2 gekoppelten Topfkreisen mit gewundenem 
Innenleiter darin. Aber das wird richtig groß.....

[Michael M. (michaelm)]

Peter T. schrieb:
> ....Wie kann man die Güte von Quarzen verringern?...

In diesem PDF 
https://www.bartelsos.de/_media/filter/quarzfilter/quarzfilter_rev2a.pdf
 des Beitrags Beitrag "Re: Schmalbandiges LC-Filter, praktischer Aufbau" wirst 
du geholfen :)

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Tom R. schrieb:
> Damit
> ist die Einfügedämpfung schon bei ~8dB.

Für UKW-FM ist das aber bedeutungslos. Es sei denn, du verlässt dich auf 
den AC151 als Vorstufe und den nassen Schnürsenkel als Antenne.
Ansonsten halt einen Topfkreis, der mechanisch allerdings bei der 
niedrigen ZF etwas aufwendiger wird, siehe Jochen.

[Bernhard S. (gmb)]

Peter T. schrieb:
> Hui, das ist aber ein interesssnter Thread! Die geforderte Bandbreite
> von 150kHz bei 45Mhz Mittenfrequenz bedeutet eine Güte von 300.

Aller-aller-mindestens ja, nur will man keine runde Durchlass 
Charakteristik sondern einen flachen Verlauf auf 150 kHz Breite und 
einen steilen Abfall daneben. Um das zu erreichen braucht man wesentlich 
höhere Güten und mehrere derartiger Resonatoren, um den gewünschten 
Verlauf zu bekommen.

[Horst S. (Firma: Chaos Ltd) (hst)]

Ich hatte den ganzen Filter-Kram schon vor Jahren abgehakt.
Tom, das mit den Nebenresonanzen schränkt eben die brauchbare Bandbreite 
ein, da die beiden Abschlusskreise die nicht genügend unterdrücken 
können.
Übrigens, für einen Flat-Top muss die belastete Kreisgüte (Betriebsgüte) 
von LKr/CKr ungefähr Qb=150 sein. Kann man ja mit dem Programm schön 
durchspielen. Bei deiner Messung werden zwar die Kreise an 50 Ohm 
angepasst, aber das drückt die Kreisgüte eben zu stark herunter 
-->Roundtop. Daher wären hochohmige Abschlüsse auf beiden Seiten besser 
(oder entsprechend hohe Leerlaufgüten, da das L/C-Verhältnis durch die 
gewählte Bandbreite festliegt).

Auch das Kompensations-Lp sollte eine möglichst hohe Güte (>200) 
aufweisen. Lp sollte auch so groß wie möglich sein - daher sind die 20pF 
eigentlich nicht so gut (-->höhere Seitenhöcker). Noch besser ist 
natürlich die C-Kompensation über die Brückenschaltung (keine 
Seitenhöcker).

Nebenresonanzen:
Miss zu deiner Info den Quarz mal allein (einfach zwischen Ausgang & 
Eingang des VNA). Falls du mehrere Quarze hast, den mit den niedrigsten 
NRS aussuchen. Ja, es gibt Quarze, die für Filter mit stark 
unterdrückten NRs speziell gefertigt werden. Sind aber als 
Sonderanfertigung sehr teuer. Daher hatte ich ja schon gewarnt, dass die 
Sache mit den einfachen Quarzen problematisch ist. Ist aber sicher eine 
schöne Möglichkeit, interessante Erfahrungen zu sammeln.

Tom R. schrieb:
> Danke für die Tipps, aber leider ist das zu breitbandig für meine
> Anwendung. Brauche wirklich etwas im Bereich 150kHz, denn meine 2. ZF
> liegt nur bei 200kHz.

Ich verstehe das Ganze nicht - scheunentorbreites 45-MHz-Filter und dann 
eine ZF von 200kHz (mechanische Filter für AM/SSB?). Wie sieht denn dein 
Konzept aus? Falls das für KW gedacht ist, wären 150kHz Breite sehr 
schlecht in Bezug auf Intermodulation. Daher haben die meisten analogen 
RXe einen völlig getrennten Pfad für BC-FM.

@Peter
Man darf Einzelkreise nicht mit den hier behandelten mehrkreisigen 
Filtern (mit Flattop) verwechseln. Für das gewünschte Filter wären 
Kreisgüten von mindestens 1500 notwendig - unmöglich mit LC-Kreisen. 
Selbst Helixfilter mit den entsprechenden Eigenschaften hätten fast die 
Größe von kleinen Konservendosen. Quarze sollten für Filter immer 
möglichst große Güten (>100k) besitzen. Die bestimmen nicht die 
Bandbreite, sondern nur die Filterdämpfung (und evtl. die Verrundung 
einer gewünschten Rechteckkurve). Oben wurde ja schon ein Link zu 
"QF-Rev2a" genannt.
Ich hänge mal das pdf dran (Rev2b mit kleinen Änderungen der Seiten 
14/15)

Jetzt reicht's aber - will ins Bett
MfG,  Horst

[Tom R. (tt_r)]

Hallo,

vielen Dank für die weiteren Informationen und Anregungen.
Topfkreise kannte ich so tatsächlich noch nicht, das ist ja eine 
interessante Sache, aber bei meinen Frequenzen mechanisch einfach zu 
groß.

Werde noch ein bisschen mit den Quarzfiltern experimentieren und dann 
die verschiedenen Ansätze vergleichen.

Horst S. schrieb:
> Ich verstehe das Ganze nicht - scheunentorbreites 45-MHz-Filter und dann
> eine ZF von 200kHz (mechanische Filter für AM/SSB?). Wie sieht denn dein
> Konzept aus? Falls das für KW gedacht ist, wären 150kHz Breite sehr
> schlecht in Bezug auf Intermodulation. Daher haben die meisten analogen
> RXe einen völlig getrennten Pfad für BC-FM.

Ja, ist auch für KW gedacht. Die 200kHz werden aber per ADC abgetastet 
und dann findet der Rest digital statt. Einschließlich sehr steiler 
Filter...

Viele Grüße,
Tom

[Ralph B. (rberres)]

Ich gebe zu bedenken, das für UKW-Rundfunk die rechteckförmige 
Durchlasskurve eines Filters nicht unbedingt optimal ist.

Sie haben in der Regel innerhalb des Durchlassbereiches keine konstante 
Gruppenlaufzeit, was aber insbesonders bei UKW-Stereo nötig wäre, damit 
bei höheren NF Frequenzen die Übersprechdämpfung zwischen den Kanälen 
links und rechts nicht unnötig klein wird und der Klirrfaktor nicht 
unnötig ansteigt.

Hier wäre eher ein Gausförmige Durchlasskurve sinnvoller.

Bei einer rechteckförmige Durchlasskurve müsste man streng genommen eine 
Gruppenlaufzeitentzerrung vornehmen. Mir fällt jetzt auf Anhieb kein 
rein analog aufgebauter UKW-Rundfunkempfänger ein, wo das realisiert 
wurde.

Wenn aber sowieso digitale Signalverarbeitung nach dem SDR Prinzip ( 
also einen I-Q Mischer ) im Spiele ist, dann könnte man die ZF 
Bandbreite breiter machen und die Selektion im DSP verrichten. Hier wäre 
es eventuell möglich einen Flattop Filter mit konstanter Gruppenlaufzeit 
zu realisieren, bzw eine Gruppenlaufzeitentzerrung für ein analoges 
Flattop-Filter zu realisieren.

Ralph Berres