CONSTRUÇÃO CASEIRA DE EQUIPAMENTOS QRP -III: Filtros LPF. (Março 2007)

Este terceiro artigo, dedicado também à construção caseira de equipamentos, inicia-se com uma breve descrição sobre sistemas de filtros passa baixo (Low Pass Filter - LPF), descrevendo algumas das suas características. Apresentam-se alguns princípios de cálculo e finaliza-se com a construção e a verificação do funcionamento de um deste filtros.

A utilização e a ocupação do espectro radioeléctrico, cada vez mais preenchido e disputado, torna imprescindível a utilização de filtros na saída dos amplificadores de RF, para garantir a pureza do espectro. Esta preocupação é tida em conta nos equipamentos de amador uma vez que os equipamentos de HF, na sua maioria, utilizam amplificadores transistorizados, de banda larga. Assim os equipamentos de fábrica, ou mesmos os de construção caseira, incluem sempre um conjunto de filtros LPF entre o andar amplificador e a antena, cuja finalidade é a de garantir que o nível de emissão dos harmónicos se mantém abaixo dos valores regulamentares (cfr. n.º11 da Portaria n.º322/95, de 17 de Abril), para não contaminar o espectro mas também assegurar que as nossas transmissões não interfiram com outros serviços de comunicação.
Os vários andares que compõe um emissor produzem frequências harmónicas, que se relacionam com a frequência fundamental, e que chegadas ao andar final do amplificador de RF são também amplificadas. Sendo estes amplificadores de banda larga (amplificam sinais entre 1,8MHz e 30MHz) os harmónicos podem chegar com amplitude relativamente elevada à antena.
Com o objectivo de os atenuar, utilizam-se basicamente três tipos de filtros: Butterworth, Chebychev e Caver-Chebychev (também denominados filtros Elípticos).
Destes filtros, a tipologia mais utilizada, é a que corresponde aos filtros Chebychev, os quais possuem grandes pendentes de atenuação e consequentemente grande capacidade de atenuação dos harmónicos, possuindo como principais características: a impedância, a banda de passagem (pass band) e a banda de corte (stop band).
A impedância de entrada, e de saída, do filtro é normalmente de 50 ohm, podendo no entanto ser projectada para qualquer outro valor.
A banda de passagem corresponde à gama de frequências dentro da qual toda a energia entregue à entrada do filtro é enviada para a sua saída, sem sofrer atenuação.
Para finalizar, a banda de corte compreende uma gama de frequências dentro da qual o sinal sofre atenuação. O ponto onde ocorre a transição entre a banda de passagem e a banda de corte é denominado por ponto de cut-off, sendo a partir deste que se verifica o aumento da atenuação com o aumento da frequência (característica de um LPF).

Figura 1- Célula básica de filtragem com três elementos.

A atenuação na banda de corte é determinada pelo número de ordem (nº de elementos) do filtro, sendo a atenuação tanto maior quanto maior for o seu número.
Num filtro ideal, toda a energia entregue na entrada, e que nos interessa passar para a saída, não deveria sofrer qualquer atenuação. Na prática tal não acontece, e as perdas que se verificam dentro da banda de passagem, devido à inserção do filtro, dependem do seu número de ordem, pelo que não é usual a utilização de filtros com mais de sete elementos.
Dentro da banda de corte, o filtro deveria possuir um patamar plano ao qual corresponderia uma atenuação constante (idealmente nula). Verifica-se que estes filtros possuem uma ondulação nesta banda, denominada na literatura anglo-saxónica de ripple. Esta característica condiciona também a pendente de atenuação na banda de corte, sendo esta tanto maior quanto maior for também o ripple, o qual toma habitualmente os valores 0,01 dB, 0,1 dB e 0,5 dB.
A energia que é aplicada ao filtro, dá origem ao aparecimento de uma relação de onda estacionária (ROE) devido à tensão que é reflectida pela sua saída. Nestas condições, os valores de ROE dentro da banda passante são relativamente baixos, inferiores a 1:1,5, verificando-se que na zona de corte a ROE toma valores muitíssimo mais elevados .
É muita a literatura que apresenta sobre a forma de tabelas os valores a utilizar em função do número de elementos, da frequência cut-off, do ripple e da ROE (VSWR), como é o caso, exemplo, dos Handbook da A.R.R.L. Numa consulta destas tabelas numa edição de 1990, encontram-se tabelas para filtros Chebychev de 5 e 7 elementos, que indicam os valores dos condensadores e das bobines, para a construção de filtros entre 1 e 10MHz, com uma impedância de 50 ohm. O escalonamento para a década 10-100MHz faz-se simplesmente dividindo os valores dos componentes por 10.

Aplicação práctica:

Para a construção actualmente em curso, um tranceptor de SSB para a banda dos 17m, o LPF a colocar à saída do amplificador de potência deverá possuir um cut-off em 18,7 MHz (a frequência de interesse mais elevada é de 18,168 MHz).
O dimensionamento para a frequência de 18,7 MHz efectua-se dividindo por 10 os valores dos condensadores e das bobinas apresentados, para uma frequência o mais próxima possível de 1,87 MHz.

C1, C5-130 pF ; C3-270 pF; L2, L4- 0,557uH


Simulação da resposta em frequência do filtro:

Utilizando os valores calculados, e introduzindo os seus valores no programa RFSim99, que se encontra disponível na Internet, obtêm-se os seguintes resultados.

Figura 2- Definição dos elementos que constituem o LPF de 5 elementos.

Figura 3- Curva de resposta em frequência do LPF


Construção das bobinas L2 e L4:

A construção das duas bobinas foi feita utilizando formas toroidais T37-6. Para se obter a indutância requerida de 0,557 uH utiliza-se a expressão

onde N é o número de espiras a bobinar, L é a indutância requerida e L10 é a indutância que se obtém com um enrolamento de 10 espiras. Neste caso, pela consulta das características indicadas pelo fabricante da forma toroidal (Amidon), o valor de L10 é de 0,30 uH. A aplicação da expressão anterior indica-nos que para a obtenção de uma indutância de 0,557 uH são necessárias 14 espiras. Para o enrolamento das bobinas foi utilizado um fio SWG. 22, o mais grosso que foi possível acomodar na forma, para garantir o melhor factor de qualidade, Q. A verificação e o ajuste final da indutância foram feitos utilizando o MFJ269.

Figura 4- Ajuste das indutâncias utilizadas no filtro


Para a obtenção do valor dos condensadores C1 e C5 utilizaram-se, os valores de 120pF+12pF de cuja associação resulta um condensador equivalente de 132pF, suficientemente próximo do valor pretendido de 130pF. Para o valor de C3 foi utilizado um condensador de 270pF.


Testes:

Terminada a construção do filtro, procedeu-se à verificação do seu funcionamento. Uma vez mais o MFJ 269 mostrou ser um auxiliar precioso. Registaram-se os níveis de sinal à entrada e os correspondentes níveis à saída do filtro para uma vasta gama de frequências.
As medições de nível foram efectuadas com um wattímetro (de construção caseira) graduado entre -70dBm e +10dBm, que num próximo artigo será aqui descrito com todos os pormenores relativos à sua construção. Para aqueles radioamadores que também se dedicam às construções, e ainda não possuem um equipamento com uma gama de medição tão baixa, este medidor será um equipamento indispensável, em qualquer bancada, para o ajuste de receptores, emissores, filtros e pode ainda funcionar como medidor de intensidade de campo, auxiliar indispensável na construção e afinação de antenas.

Figura 5- Sistema de leitura para verificação da banda passante do LPF

As leituras efectuadas entre 1,8 MHz e 50 MHz, permitiram traçar a curva de resposta em frequência que se apresenta na figura 6. A curva de atenuação mostra que a 36 MHz a atenuação é de 40 dB (a amplitude do segundo harmónico é atenuada 10.000 vezes).

Figura 6- Curva real de resposta em frequência do LPF

Com um filtro de 7 elementos a atenuação seria superior, no entanto como as potências em jogo são relativamente baixas (operação QRP), optou-se por um filtro de 5 elementos cujo protótipo testado se mostra na figura 7.

Figura 7- Protótipo do LPF testado

O circuito depois de testado será montado numa placa de circuito impresso, e o circuito fará parte do transceptor monobanda, cujos andares se irão descrevendo ao longo de próximos artigos.