Filtre 36MHz à Quartz



REALISATION D’UN JEU DE FILTRES A QUARTZ 36 MHZ

ET DES CIRCUITS ASSOCIES




1. OBJET :

Cet article décrit la réalisation d’un jeu de filtres à quartz à 36 MHz couvrant les modes SSB et CW et leur intégration dans l’étage d’entrée d’un récepteur de trafic.

2. POURQUOI UN FILTRE 36 MHz ?

Les réalisations de filtres à quartz deviennent assez répandues mais à ma connaissance, peu de réalisation au-delà de 10/12 MHz ont été décrites. Il faut reconnaître que plus la fréquence est élevée, plus les difficultés augmentent.

Sachant que l’objectif final est d’équiper un récepteur de trafic HF (0 à 30MHz), il est très intéressant de disposer d’une première fréquence intermédiaire supérieure à la plus haute fréquence à recevoir.
Un des avantages principal étant la grande réjection de la fréquence image.

Le tableau ci-dessous permet d’un coup d’œil de mettre le phénomène en évidence :


F Reçue FI F OL F image
3.5 5 8.5 13.5
21 5 26 31
3.5 36 39.5 75.5
30 36 66 102

Il faut rappeler que la fréquence image est égale à F0+/- 2FI.
On voit donc d’emblée que dans l’utilisation d’un filtre de fréquence inférieur à 30 MHz, la fréquence image tombe la plupart du temps dans la bande à recevoir, au contraire, avec un filtre à 36 MHz, l’image est toujours en dehors de la bande. De plus, l’encombrement du spectre à ces fréquences est des plus réduit, compte tenu de la propagation généralement faible. Seules des signaux locaux, tels les émetteurs FM pourraient malgré tout perturber la réception des bandes 24 et 28 MHz. On s’en affranchira par la mise en œuvre d’un filtre passe-bas en entrée.

Par ailleurs, nous avons utilisé pour l’exemple un mélange additif, c’est à dire que la fréquence de l’oscillateur est ajoutée à la fréquence de la FI. Dans le cas inverse, les fréquences image sont encore plus proches de la fréquence utile.

On imagine alors les simplifications en terme de filtrage qui sont induites par l’emploi d’une telle option : par exemple, un jeu de filtre passe-bas en entrée suffira généralement pour se prémunir des signaux indésirables. Rien n’empêchera cependant les puristes de prévoir des filtres de bande.

REMARQUE :

Certains constructeurs utilisent un filtre à 70 MHz en sortie du premier mélangeur sans autre sélectivité que celle du filtre en question. Comme on le verra plus loin, le facteur de forme à ces fréquences est généralement insuffisant pour obtenir des flancs raides garantissant une bonne sélectivité à –6dB comme à –60dB.
La contrepartie de ce choix est la désensibilisation du récepteur par des signaux puissants proches de la fréquence reçue que le filtre laisse entrer.
Un DSP ne saurait supprimer ni réduire cette anomalie, seul un second changement de fréquence offrant la sélectivité requise le permettrait.

3. PERFORMANCES:

Telles que listées ci-dessous, ce sont celles qui ont été atteintes à l’issue de la réalisation et ne sont donc pas vraiment des spécifications d’entrée. L’objectif ayant été de faire au mieux avec les moyens disponibles.

FREQUENCE : 36 MHz
IMPEDANCE : 50 Ohms
BANDE PASSANTE @-6dB : 2900 Hz SSB
800 Hz CW

FACTEUR DE FORME 6/60 dB 2 à 3

ATTENUATION : SSB : 6dB
CW :12 dB

4. REALISATION DES FILTRES :

4.1. ARCHITECTURE

Il s’agit exclusivement de filtre en échelle utilisant des quartz de fréquence identique.
Deux types de filtres ont été essayés : le filtre en échelle type Chebyshev et le Cohn.

4.2. CALCUL :

Le calcul des filtres Chebyshev s’effectue avec plusieurs logiciels développés par William ORR, W6SAI et fournis sous forme de disquette avec l’ouvrage « RF Frequency Design ». C’est la raison pour laquelle, sur les recommandations de l’auteur je ne pourrais dupliquer les logiciels vers ceux qui m’en feraient la demande. Malgré tout il est peut-être possible de les trouver sur le web, je n’ai pas cherché.
A vrai dire, peu importe, je vous ai préparé le travail et vous livre ici les caractéristiques des filtres en question tout calculés…



4.2.1. Bande passante :

Il faut noter que la réalisation de tels filtres devient critique au fur et à mesure que la bande passante s’élargit, car la valeur des condensateurs de couplage devient très faible. A la fréquence de 36 MHz, la largeur admissible est de l’ordre de 3000 Hz maximum, pour le filtre SSB, j’ai retenu 2700 Hz @ -6dB.
Pour la CW, une valeur de 500/600 Hz @ -6dB a été retenue sachant qu’il n’y a pas d’intérêt à réduire au-delà la bande passante, la valeur des capacités de couplage dans ce cas s’établit autour de 100 pF.
Par ailleurs, les filtres en échelle présente un grave défaut intrinsèque de symétrie : les fréquences inférieures sont atténuées beaucoup moins rapidement que les fréquences supérieures (par rapport à la fréquence centrale). La seule parade consiste à augmenter le nombres de pôles, donc le nombre de quartz.
Dans le cas présenté, il s’agit d’un filtre 5 pôles pour la CW et deux filtres à 5 pôles de même fréquence centrale pour la SSB.

4.2.2. Impédance :

L’impédance d’un filtre CW (500 Hz) peut être facilement adaptée à 50 ohms sans le recourt à des transformateurs d’impédance, il n’en sera pas de même pour le filtre SSB.

4.2.3. Atténuation :

On considérera l’atténuation relative d’un filtre par rapport à l’autre afin de maintenir un niveau de réception identique quel que soit le mode choisi.
Le filtre CW présente une atténuation intrinsèque de +6 à +15 dB par rapport au filtre SSB suivant les quartz utilisés. L’ajout d’un amplificateur compensant cette atténuation est prévue dans la réalisation.


4.3. CHOIX DES QUARTZ :

C’est un choix un peu cornélien qui n’est fait que de compromis…

- s’éloigner suffisamment de la fréquence fatidique de 30 MHz sans pour autant atteindre des zones ou la réalisation deviendrait critique (36 ,48, 70, voire 100 MHz).

- s’assurer de la disponibilité en quantité des quartz.

- rester raisonnable sur les coûts.

- penser à la suite du montage qui nécessitera un jeu de quartz permettant la réalisation du BFO ou du second changement de fréquence.

Fort de ces « recommandations », mon choix s’est porté sur des quartz à 36 MHz, disponible facilement pour un prix unitaire inférieur à 10F pour plus de 9 pièces.
Le premier lot fut de 20 unités, le second de 30.

4.4. MESURES :

La première chose à faire est de trier les quartz. Pour ce faire, il suffit de mesurer leur fréquence de résonance à 36 MHz. Ceci est particulièrement important car ils oscillent également à 12 MHz mais la fréquence obtenue n’est pas représentative.
Un petit oscillateur utilisant un FET BF245 avec un circuit LC à 36 MHz fait l’affaire.



On aura pris soin de numéroter chaque quartz au feutre indélébile et de noter la fréquence mesurée correspondante à 10 Hz près.
Un petit tableau Excel pour ceux qui disposent de cette facilité permettra le classement ultérieur en ordre croissant des fréquences mesurées. Les résultats se présentent alors comme ci-dessous :




































Il faut remarquer :

- la dispersion importante de ces quartz : l’écart maximum est de 1 660 Hz.
- la présence de 5 quartz (10%) impropres à l’usage car oscillant faiblement (4/5) ou pas du tout (1/5).


4.5. SELECTION DES QUARTZ :

La règle est simple, il faut que l’écart de fréquence maximal soit inférieur à 10% de la bande passante du filtre, ce qui induit environ 50 Hz pour CW et 270 Hz pour SSB. Concrètement, on prendra pour le filtre CW les quartz de fréquence mesurée les plus proches, pour le filtre SSB, ceux dont l’écart est au maximum de 200 Hz (300 Hz à la rigueur…).
Si on décide d’outrepasser largement ces règles, les caractéristiques du filtre en souffriront et particulièrement l’atténuation dans la bande. Par ailleurs, ces quartz présente un facteur de qualité qui semble assez faible et qui accentue le phénomène.

CW

Le groupe 17 à 24 en rouge dans le tableau a été retenu : l’écart de fréquence est de 75 Hz (36 001 335 à 36 001 410 Hz).

SSB

Ce n’est pas aussi facile car si nous voulons utiliser deux filtres de 5 pôles dans la même chaîne, il faut qu’ils aient la même fréquence, ce qui revient à sélectionner 10 pièces au lieu de 5.
Le groupe 41 à 5 en bleu dans le tableau a été retenu : l’écart maximum est de 205 Hz ; un panachage des 10 élus a été effectué pour répartir dans chaque filtre les écarts de fréquence. On obtient alors les fréquences suivantes :

SSB 1 SSB 2
41 1640 34 1720
1 1750 27 1760
5 1845 25 1820
14 1775 11 1720
23 1690 44 1660

4.6. REALISATION

Deux montages ont été expérimentés. Le premier ( Chebyshev)utilise les résultats du logiciel évoqué ci-dessus. Ce montage présente le désavantage de requérir des condensateurs de différentes valeurs.
Le second montage (Cohn) corrige les défauts du premier en utilisant des condensateurs identiques et de valeurs proches du précédent, par contre, il nécessite davantage de mise au point car je n’ai pu le modéliser.

4.6.1. Chebyshev

CW

La structure du filtre est représentée ci-dessous :



Les transformateurs T1 et T2 ne sont nécessaires que pour les filtres SSB.

BP = 500 Hz, Z in=Zout=50 Ohms

C1 et C6 = 70 pF (68 pF)
C2 et C5 = 83 pF (82 pF)
C3 et C4 = 110 pF (100+10 pF)
L’impédance est ramenée à 50 ohms par C1 et C6 et point n’est donc besoin de transformateur d’impédance.

SSB

BP = 2700 Hz, Zin= Zout= 1250 ohms

C1 et C6 = 3.3 pF (2.7pF)
C2 et C5 = 6.6 pF (6.8 pF)
C3 et C4 = 8.6 pF (8.2 pF)

Le remplacement des valeurs calculées par les valeurs standard n’a que peu d’effet sur les performances globales du filtre et les quelques dixièmes de pF apparaissent négligeables au regard des capacités induites par le montage sur circuit imprimé.

L’impédance intrinsèque du filtre étant supérieure à 50 ohms, il faut recourir à un transformateur à chaque terminaison du filtre. L’impédance choisie de 1250 ohms permet un rapport de transformation de 25 soit un nombre de tours primaire/secondaire de 5 ce qui fait un compte rond…

Ces transformateurs seront bobinés sur des tores ferrites FT 37-43 (µ=850) et composés de 15 spires côtés filtre et 3 spires côtés entrée/sortie.

4.6.2. COHN

La structure de COHN maintenant fort répandue à pour principal avantage d’utiliser des condensateurs de valeurs identiques. Cette particularité permet un ajustement aisé de la bande passante sans avoir à recalculer chaque valeur de capacité. En outre elle offre également la possibilité de mettre en œuvre des diodes varicap à la place (ou en parallèle) des condensateurs et permettre ainsi d’obtenir une bande passante variable par la variation d’une simple tension. Ce montage est notamment utilisé dans le transceiver K2.
Le circuit du filtre est légèrement différent du précédent, les condensateurs C1 et C6 se trouvant alors en série en entrée et en sortie.



Les transformateurs T1 et T2 ne sont nécessaires que pour les filtres SSB.

Partant des valeurs moyenne trouvées précédemment on ne tombe pas très loin tant pour la bande passante que pour l’impédance. les valeurs indiquées ci-dessous peuvent être utilisées sans aucun réglage.
CW : C=10 pF
SSB : C=82 pF

Est décrite ci-dessous la méthode pour l’utilisation éventuelle de quartz de fréquences différentes.

4.7. Détermination des paramètres pour une autre fréquence :

Pour l’utilisation d’un lot de quartz différent de 36 MHz dans un filtre de type Cohn, il est bien entendu tout à fait possible de déterminer la valeur des condensateurs ainsi que l’impédance d’entrée / sortie.

Quelques règles de base pour se guider :

- Pour une fréquence donnée, la bande passante est d’autant plus réduite que la valeur des condensateurs est grande. Le filtre CW aura donc toujours des capacités plus élevées que le filtre SSB
- Plus la fréquence des quartz est élevée moins le facteur de forme est bon. Si on veut privilégier la sélectivité on aura donc intérêt à utiliser une fréquence basse pour le lot de quartz.
- Plus le filtre est étroit, plus l ‘atténuation est grande.
- Plus le nombre de pôles est grand, meilleur est le facteur de forme mais plus grande l’atténuation.
- Plus les fréquences individuelles des quartz sont différentes les unes des autres, plus grande sera l’atténuation dans la bande et faible hors bande.

Equipement de mesure :

Pour les plus nantis, un wobulateur sera l’outil idéal, pour les autres, un générateur RF suivi d’un voltmètre RF ou à détection est suffisant.
Le montage se présente alors ainsi :



Platine d’essai :

On se munira d’un morceau de circuit imprimé epoxy simple face de 10x10 cm environ sur laquelle on gravera des carrés à l’aide d’une petite meule ou outil similaire (cutter à la rigueur).

L’important étant d’obtenir une rangée de carrés de 6 à 8 mm de côté isolés les uns des autres à une des extrémités de la plaque d’époxy.
Les quartz seront montés sur ces carrés à l’image du schéma. Les condensateurs entre chacun des carrés et le plan de masse, à l’exception des deux derniers qui seront reliés l’un au générateur et l’autre au voltmètre.

4.7.1. Détermination des condensateurs :

En fonction de la bande passante, on partira avec 100 pF pour un filtre étroit (500 Hz) et 20 pF pour un large (2700 Hz).
Monter les condensateurs retenus et mesurer la bande passante en faisant varier la fréquence du générateur.

A cet instant, il est fort à parier qu’une ondulation dans la bande du filtre (en bande large) soit très présente….C’est normal ! L’impédance n’est pas adaptée.
Sans attendre, c’est à dire même si la bande passante est un peu différente de que l’on attend, procéder à l’adaptation d’impédance.

4.7.2. Détermination de l’impédance :

Insérer un potentiomètre de 500 ohms (monté en rhéostat) en série entre l’entrée et le premier condensateur ainsi qu’entre la sortie et le dernier condensateur.
Réglé le potentiomètre à mi-course (250 ohms) et effectuer un balayage rapide de la bande passante à l’aide du générateur.
On s’aperçoit alors de deux phénomènes :

- le signal lu au voltmètre est plus faible
- l’ondulation est différente et d’amplitude moindre.

Recommencer l’opération sans tenir compte de l’atténuation, ce qu’on cherche est une réponse plate dans la bande passante du filtre.

Les valeurs respectives se situent autour de 50/150 ohms pour un filtre étroit, 150/500 ohms pour un large.

Une fois l’ondulation maîtrisée, on vérifiera la bande passante obtenue. Elle a pu légèrement varier car tous les paramètres réagissent entre eux.
Changer légèrement la valeur des condensateurs si nécessaire et revalider l’ondulation.

4.7.3. Adaptation d’impédance :

Elle est réalisée avec des transformateurs large bande utilisant des tores FT 37-43 ou similaire (µ=850).
On partira avec 15 tours (5/10éme) côté filtre et un nombre de tours égal à la racine carré du rapport des impédances.
Par exemple, si on a mesuré 200 ohms comme valeur du potentiomètre, le rapport des impédances étant de 4 (pour 50 ohms), le rapport du nombre de tours sera de 2, soit 7 tours.
Tout ceci n’est pas très critique et un tour de plus ou de moins est sans conséquence.

Une fois les deux transformateurs réalisés, on s’empressera de les monter pour vérifier l’adaptation d’impédance.
Reprendre le même montage et mesurer la bande passante et l’atténuation du filtre. Cette dernière doit être sans commune mesure avec celle observée avec les potentiomètres : compter 1 à 6 dB pour un filtre bande large, 3 à 15 dB pour un filtre étroit.
La maquette des filtres est terminée, si on souhaite la démonter, on n’oubliera pas de noter le numéro des quartz et d’identifier les transformateurs d’impédance.

5. CONCLUSION :

Je n’ai pas connaissance de réalisation semblables qui aient été publiées. Il est vrai que la construction de filtres à quartz à toujours été un peu mystérieuse et souvent considérée comme aventureuse sinon impossible pour beaucoup d’amateurs constructeurs.
J’ai tenté de démontré par la pratique qu’il n’en était rien et que les difficultés pouvaient s’aplanir au fil de la réalisation.
Nous voilà maintenant en possession d’un sous-ensemble de première importance pour la construction d’un récepteur de traffic et il serait dommage d’en rester là.
Je propose donc de compléter cette première réalisation par une rampe FI, de l’AGC correspondant, du détecteur de produit et des étages audio qui feront l’objet d’un prochain article.
Il ne manquera plus alors que l’oscillateur local qui sera lui aussi décrit à la suite.

Alors à vos fers….


Composants :

Quartz : Selectronic, Conrad
Tores : Cholet Composants
U310 : Selectronic
Relais SIL : Conrad











 
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