Un “Elica” per filtro

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Filtri ad ELICA

Quanto mi accingo a descrivere, non è frutto di un progetto mio, ma narra un’esperienza in campo RF affrontata diversi anni fa, realizzata dopo tempo con un pizzico di esperienza in più e migliorata nell’aspetto e affidabilità. Fine anni ’90, giovane studentello universitario, mi confrontai con più tecnici del settore nel momento in cui mi ritrovai ad affrontare una problematica, tra le tante, presso una stazione ripetitrice ubicata in zona alta di Napoli, dove su un traliccio adiacente era istallata una stazione TELEDRIN, che in concomitanza con altre utenze mi comprometteva la qualità del segnale utile di apparecchiature a servizio di una utenza per la quale collaboravo.

Analizzando la porzione di gamma adiacente alla frequenza utilizzata, risultava impegnata da segnali molto potenti e contemporanei, altri tecnici, mi fecero notare che il ricevitore che stavo utilizzando non era adatto a lavorare in una zona dove i livelli e la moltitudine di segnali comprometteva il regolare funzionamento. Mi suggerirono un filtro !

Prendendo spunto da un articolo apparso su una rispettabile rivista del settore. Con una precisione grossolana e un po’ di pazienza, approntai due bobine e le sistemai in una scatola metallica in linea con i condensatori variabili, che lasciavano la possibilità di poter regolare il proprio alberino dall’esterno.

Quindi un lamierino con una piccola finestra come separazione tra i due circuiti accordati.

Tralasciando le condizioni imposte dalla teoria, approntai un prodotto decisamente spartano, nonostante ciò, installato sulla porta RX del sistema, apprezzai un corposo miglioramento nonostante la creazione da principiante.

La realizzazione è rimasta in essere per anni, fino a qualche anno fa si è reso necessario un riepilogo.

E’ stata occasione utile per rivedere la parte teorica e riprodurre lo stesso filtro in modalità più ordinata

L’immagine in basso mostra un esempio di quanto realizzato in passato, i due condensatori utilizzati erano del tipo in aria, anche se poco adatti allo scopo.

Filtri ad Elica: Principi, Struttura e Applicazioni

I filtri ad elica, o helical filters, rappresentano una soluzione compatta, efficiente e altamente selettiva per la selezione di segnali a radiofrequenza, in particolare nelle bande VHF e UHF. Utilizzati in sistemi di comunicazione, ricevitori, trasmettitori e strumentazione RF, questi filtri uniscono prestazioni elevate a dimensioni contenute. Vediamo come funzionano, come sono realizzati e dove vengono impiegati.

Cos’è un filtro RF ad elica?

Un filtro RF ad elica è un tipo di filtro passa-banda che utilizza conduttori avvolti a spirale (eliche) racchiusi in cavità metalliche schermate. Ogni sezione dell’elica funge da risonatore induttivo-capacitivo (LC) ad alta Q, dove la forma elicoidale permette di concentrare una lunghezza elettrica significativa in uno spazio fisico compatto.

La foto in alto mostra un esempio teorico della struttura del filtro, alcuni prodotti di fascia professionale ottengono la funzione di condensatore dal vuoto, presente tra la fine del solenoide e la superfice metallica operando la taratura a mezzo regolazione di una vite in metallo che si avvicina o allontana dalla bobina stessa. Un esempio mostra in basso la foto

Struttura e funzionamento

Un filtro ad elica è costituito tipicamente da:

• Eliche conduttrici: avvolte in aria o su supporti dielettrici, connessi a massa su un lato.
• Cavità metallica schermata: che funge da contenitore e schermo elettromagnetico, determinando anche la capacità distribuita del sistema.
• Accoppiamento: tra le eliche, ottenuto tramite accoppiamento magnetico o capacitivo, che determina la larghezza di banda del filtro.
• Ogni elica si comporta come un risonatore, con una frequenza di risonanza dipendente dalla sua lunghezza, diametro, passo e dalle proprietà del contenitore metallico.

Caratteristiche principali

• Alta selettività: permette una separazione netta tra banda passante e banda attenuata.
• Elevato Q (fattore di merito): utile per applicazioni che richiedono stabilità in frequenza e bassa perdita.
• Compattezza: rispetto a cavità risonanti tradizionali, l’elica permette di ridurre le dimensioni.
• Buon isolamento tra canali: importante nei sistemi a canali multiplexati. Oppure dove le frequenze utilizzate da più utenti sono adiacenti.

Vantaggi e svantaggi

Vantaggi:

• Eccellente prestazione in ambienti RF affollati
• Ingombri ridotti rispetto a risonatori a linea o cavità pura
• Facile da accordare meccanicamente (tramite viti, dischi dielettrici o elementi capacitivi)

Svantaggi:

• Complessità costruttiva maggiore rispetto ai filtri a componenti discreti
• Costo più elevato
• Sensibilità meccanica (urti o vibrazioni possono alterare la taratura)

Applicazioni comuni

• Stazioni base radio (es. PMR, TETRA, LTE)
• Sistemi di trasmissione TV e radio
• Ricevitori professionali
• Filtri duplexer o combinatori di canale
• Apparati avionici o militari, dove peso e ingombro sono critici

La mia realizzazione

La disponibilità sul mercato di contenitori metallici, di facile reperibilità e comodi da forare, saldare ha reso molto più veloce la realizzazione, perlomento per lavori inerenti sino alle frequenze UHF

Contenitori prodotti dalla azienda Teko , in diverse dimensioni e consistenza.

Il modello utilizzato per la mia realizzazione è il 372 , che risulta molto vicino in termini di dimensioni ai valori ricavati dai calcoli teorici .

Lo schema del filtro da me realizzato, è a tre celle (circuiti accordati), è possibile realizzarlo a 2 o più celle in relazione alla selettività desiderata considerando il parametro della attenuazione direttamente proporzionale al numero di celle. La foto in basso illustra lo schema teorico:

Le misure ottenute da calcoli teorici avrebbero richiesto un contenitore leggermente piu grande, fattore tollerabile e facilmente compensato dalla possibilità di correggere ogni parametro agendo su due aspetti.
Le prese ing e uscita , e la taratura dei condensatori.
In breve, il filtro utilizza 3 circuiti risonanti lc parallelo identici, accoppiati tra loro in modo induttivo separati da uno schermo metallico dove è presente una finestra che consente l’accoppiamento stesso.

Le bobine devono rispettare queste caratteristiche costruttive

9 spire su diametro da 10mm con filo rame argentato da 1mm , ottenere un solenoide da circa 20 mm di lunghezza
Collegamento al connettore, una spira e un quarto lato freddo. Variando la posizione di questa presa cambia l’impedenza di ingresso o uscita del filtro stesso.

Le separazioni tra un circuito accordato e quello adiacente le ho creale con gli stessi lamierini in dotazione alla scatola TEKO 372, ne forniscono 3, per la realizzazione ne occorrono soltanto 2 dove i fori già presenti vanno colmati con lo stagno e una buona dose di pazienza, successivamente va praticata una finestra delle dimensioni specificate nel disegno che segue in foto, dimensioni non critiche, possono essere anche variate a seconda della selettività da ottenere.

La foto in basso mostra un prototipo da me realizzato

Per quanto concerne i condensatori, posso essere utilizzati variabili in aria o compensatori valutando le difficoltà in fase di taratura e soprattutto la stabilità del sistema.

I più adatti allo scopo sono definiti condensatori a pistone, il valore necessario non è critico, in commercio ne esistono di escursioni sufficienti a soddisfare un range di 5 Mhz (circa).

Anche il montaggio è semplice, basta effettuare un foro e fissare con una vite.

in alcuni modelli è anche presente un tappo in metallo che a seguito della taratura è utile a proteggere l’interno

Un valore da 2 a 15 pF va più che bene. La foto in basso mostra un esempio di come sono costruiti

isure al VNA

Una volta terminata la foratura e saldati i vari componenti il filtro va sottoposto ad esame strumentale, per chi è alle prime armi può utilizzare anche un wattmetro, carico fittizio e un trasmettitore di piccola potenza.

Considerata la conveniente disponibilità in commercio di VNA a costo relativamente basso, suggerisco di praticare questa esperienza.

Un test in gamma VHF Amatoriale effettuato al mio VNA ha ottenuto una perdita di inserzione di -1,34 dB a 144,780 Mhz, nella foto in basso si legge l’impedenza in forma complessa dove la parte reale risulta 50,1 ohm e la componente reattiva -87,7 milliohm J praticamente trascurabile in termini pratici.

Notice

Condivido intanto le notizie utili per chi vuole creare il filtro ad elica

Conclusione

Con queste righe ho voluto condividere una mia esperienza oltre a descrivere la costruzione di un oggetto versatile alle esigenze più svariate.