Es de suma importancia que nuestros diseños de transmisores de AM o SSB dispongan de un filtro de salida tal que atenué la irradiación de armónicos propios de las etapas amplificadoras de RF. Ningún equipo Transmisor está exenta de generar armónicos pares, impares o ambos según sea la configuración de la etapa de salida del amplificador y del tipo de señal y la forma de onda que ésta tenga. Para minimizar los efectos de irradiación de armónicos, las etapas previas al amplificador de RF deben ser cuidadosamente diseñadas y construidas, a fin que además de la generación de la frecuencia fundamental no existan espurios. Es habitual que en el mundo de la radioafición se confunda la generación de espurios con la generación de armónicos, estos últimos son producto de las alinealidades de las etapas amplificadoras, mientras que los espurios en términos generales se deben a autoscilaciones parásitas, producto en algunas ocasiones a una elevada ganancia de un paso amplificador, quien entre otros factores puede ser motivado por una defectuosa polarización DC del circuito de entrada de una determinada etapa de RF.
Estrictamente hablando una señal seno perfecta no tiene armónicos y ello es demostrable mediante un análisis de Fourier, sin embargo cuando ésta señal perfecta es amplificada por un circuito activo determinado y producto de las propias características internas de un semiconductor o una válvula, se producirán ciertas distorsiones a la salida del dispositivo activo, tal que la señal original perfecta ya no lo será. Como la señal original está distorsionada y ya no tiene la forma de un seno perfecto, al aplicar nuevamente un análisis de Fourier se encontrará que la nueva señal dispondrá de armónicos de diferente índice y magnitud. Siempre y en el mismo campo del análisis, si una señal dispone de enésimos armónicos, esa conformación dará como resultado una señal cuya forma de onda será cuadrada.
Por otro lado cave mencionar que no siempre los armónicos son nuestro enemigo y que en determinadas ocasiones requerimos de ellos. Un ejemplo del párrafo anterior y de como puede lograrse obtener armónicos a partir de una señal seno o coseno seria la utilización de un circuito rectificador de media onda. Tal circuito existe mucho en etapas osciladoras en que luego de generarse la señal útil, esta es rectificada por un diodo rápido en media onda, consiguiendose con ello que aparezca solo un semi ciclo en el periodo de la señal. Nuevamente si analizamos mediante Fourier, encontraremos que la nueva señal producto de la rectificación en media onda dispondrá de varios armónicos.
Como el objetivo de esta pagina es o consiste en efectuar y diseñar un filtro tal que reduzca los armónicos presentes a la salida de un amplificador de RF, comenzaremos por un tipo de filtro pasa bajos que a menudo se utiliza y cuya respuesta se denominada Butterworth. Como el filtro en cuestión es el utilizado a la salida de un sistema amplificador y el mismo tiene una impedancia de salida estandarizada, implica que nuestro filtro tiene una impedancia de entrada igual a la de salida, es decir , 50 ohm.
Lo primero que se debe de tener en cuenta para el presente desarrollo de cálculos, es que las impedancias deben de ser normalizadas y ello es así ya que para obtener los valores de los componentes necesarios para nuestro filtro, nos serviremos de tablas que contiene valores predefinidos.
Pasos para el diseño
1.- Radio de frecuencia (f / fc)
Donde:
f Es la frecuencia del armónico que se desea una determinada atenuación
fc Frecuencia de corte del filtro (-3db)
2.- Con el valor de fr obtenido anteriormente se ingresa en la figura siguiente y se obtiene el numero (N) de elementos necesarios para nuestro filtro a una determinada atenuación.
3.- Con RS y RL normalizados a 1 y que RS=RL, mediante la tabla 3-1 y con el valor conocido de los N elementos requeridos para nuestro filtro, se obtienen los índices de cada elemento que conformarán nuestro filtro.
Donde:
C : Es la capacidad requerida en [Farad]
L : Es la inductancia requerida en [Hy]
fc : Frecuencia corte del filtro (-3db) [Hz]
RL : Es la impedancia del filtro [Ohm]
Cn : Es el índice correspondiente al condensador para el N de entrada en la tabla 3-1Ln : Es el índice correspondiente a la inductancia para el N de entrada en la tabla 3-1
**Nótese y prestese mucha atención a las unidades de medidas requeridas por las formulas**
Para trabajar y obtener unidades de medidas tales como Ohm,Mhz, pF y uHy respectivamente se deben de realizar los siguientes cambios a las formulas anteriores.
Atenuación de la potencia de Armónicos
Si queremos saber a que potencia o cual será la potencia en watt de RF que saldrá la señal de un armónico determinado podremos saberlo mediante la siguiente expresión desglosada como sigue:
-db : Es la atenuación en db
Pout : Es la potencia en watt que se encontrará a la salida de nuestro filtro por un determinado
armónico
Pin : Es la potencia en watt presente a la entrada del filtro
Ejemplo diseño
Se pide realizar un filtro tal que su frecuencia de corte (-3db) sea en 7,3 Mhz y que la atenuacion del 3er armonico sea de -48 db. Ademas indicar cual es la atenuación del tercer armonico, si la potencia de salida de RF del paso amplificador es de 250 watt.
Solución:
Sea fc = 7,3 Mhz ; f = 21,9 Mhz
1.-
fr = 21,9 / 7,3 = 3
2.- Buscando con el radio de frecuencia (fr) de 3 en la figura 3-9, obtenemos que el valor de N = 5 para una atenuación de 48 db.
3.- Como RL=RS y que ambos están normalizados a 1 ohm, mediante la ayuda de la tabla 3-1 se obtienen el valor de los parametros costitutivos del filtro, tal que.
C1 = 0,618
C3 = 2,0
C5 = 0,618
L2=L4 = 1,618
4.- Se obtienen los valores desnormalizados utiles para el circuito final de nuestro filtro.
C1 = (0,618x1.000.000)/(6,2831x3,7x50) [pf]
C1 = 269 pf
de igual forma se obtienen
C3 = 872 pf y C5 = C1 = 269 pf
L2 = (1,618x50)/(6,2831x7,3) [uHy]
L2=L4 = 1,76 uHy
Circuito final:
Finalmente la potencia atenuada del tercer armónico será:
Como se vio en el ejemplo, es de suma utilidad conocer como intervienen los parametros y los valores de éstos en un buen diseño de filtro. Se ha visto que es muy fácil calcular dichos valores y que solo con la inversion de un pequeño margen de tiempo lograremos construir por nosotros mismos una red pasiva de filtros y que entonces no tendremos que recurrir al copy paste que aparece en articulos de revistas o libros de radio amateur en los cuales magicamente aparcen los valores prestablecidos.
Construcción de inductores de una sola capa de espiras y de bobinas sobre toroides
Sin duda alguna, para la mayoria de los entusiastas de la radioafición es bastante complicado tener que llegar fabricar por ellos mismos determinados inductores. En realidad no se trata de una tarea muy difícil, si se tiene a la mano una buena herramienta o formulas que permitan realizar los calculos adecuados.
Para ésta tarea utilizaremos como punto de partida la expresión:
N : Es el numero de espiras de nuestra bobina
D : Es el diametro en mm de la forma sobre la cual se bobinará
L : Es la longitud en mm de la bobina
y para cuando se requiera utilizar nucleos ferromagnaticos (toroides), se utilizará directamente la expresión:
No obstante lo anterior, existen software o aplicaciones que dentro de sus prestaciones incluyen todo aquello que requerimos para diseñar filtros de los mas variados tipos. A titulo personal me ha gustado muchisimo la aplicación FILTER SOLUTIONS de Nuhertz Technologies.
6 comentarios:
excelente aporte
Hola, pregunto aca quizas saben, como hacer un filtro de RF para lineas de telefono, es decir, tengo lineas de telefono en donde se escucha la radio, y quiero eliminarlo.
coloque choques de rf a la entrada de la linea telefonica y a continuación coloque dos condensadores de 01 a 500 voltios en serie con las dos lineas y el centro de los condensadores los conecta a tierra
Hola eh visto que con un pedazo de cable 7/8 o 1,5/8 corrugado hacen Filtros de alto Q para las FM eh observado que en un extremo colocan un trimer cerámico que cortocicuita le conductor central con la malla despues arman los conectores en los laterales de el cable por lo que estoy interesados en fabricarlos quisiera saber como calcularlos ya que poseo analizador de espectro con tracking y quisiera experimentar con ellos
La bondades de las lineas de cuarto de onda son maravillosas, ellas pueden utilizarse para desarrollar transformadores de impedancia o bien para realizar filtros.
La construcción de las lineas es bastante sencilla, solo se debe ser prolijo para trabajar y claro calcular su dimensión de forma apropiada y para esto último existen aplicaciones gratuitas que se encuentran en la red, appCAD es una de mis favoritas y la puedes descargar desde https://www.broadcom.com/appcad.
Para los filtros de cuarto de onda, la linea central es de cuarto de onda eléctrico o que es lo mismo una linea de 90°. El sistema en si tiene una impedancia de 50 ohm, que se consigue bien sea utilizando una linea coaxial tipo Heliax o similar, aun que yo prefiero construirla a partir de una cavidad circular o rectangular. La linea central utiliza como medio de sintonía una capacidad construida con discos paralelos de los cuales, uno está sujeto a la linea central y el otro mediante un perno con hilo milimétrico adosado a la parte externa de la linea coaxial, de tal forma que dichas placas (una de ellas ) se acerca o se aleja de la otra permitiendo sintonizar dicha linea.......La entrada y salida a la cavidad son lineas mas cortas o fraccionadas respecto de la longitud de onda por ejemplo 1/16 o 1/32 de lambda. Ambas lineas de acoplamiento se insertan en el conjunto en una forma de L en que uno de sus extremos esta conectado a la parte externa de la linea coaxil y el otro extremo va soldado a cada uno de los conectores de entrada y salida respectivamente...........La selectividad de filtro se consigue acercando o alejando los circuitos de acoplamiento de entrada y salida
para estos calculos, si se repiten, lo ideal es programar una calculadora programable con estos calculos , por ejemplo una muy buena y "clara" calculadoras programable es la Casio F-5800P. El programar consiste mas o menos en que la maquina al trabajar ya programada pregunta por ejemplo para diseñar una bobina: Frecuencia mhz? diametro bobina mm longitud bobina ..y da la respuesta X numero de espiras . Yo particularmente hace tiempo programer para calculos de paso de banda basandome en las formulas del libro Amateur Radio Handbook...y me encontré
que mas o menos era como habian programao los de Yaesu sus filtros de entrada a la entrada al receptor , lo que hacian era pasar de 50 ohm a 450 ohm, ahi ponian un filtro pasabanda y es lo que llegaba a el cascodo de dos Fet que suelen poner en sus pasos de rf
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