Ausgangsfilter für 1kW Endstufen

An Tiefpassfilter für Endstufen mit hohen Leistungen im kW Bereich werden besondere Anforderungen gestellt die beim Design zu berücksichtigen sind:

Durchlassdämpfung: so niedrig wie möglich, hier geht es um jedes zehntel dB
Reflexionsdämpfung: so hoch wie möglich, sonst beginnt das Filter die Impedanzen zu transformieren
Kondensatoren: hohe Güte, hoher HF-Strom, trotzdem bezahlbar
Spulen: hohe Güte, niedrige Temperatur, keine Sättigung

Durchlassdämpfung:

Ein Filter hat z.B. eine Durchlassdämpfung von "nur" 0,5dB. Von den +60dBm (1000 Watt) kommen nach dem Filter also nur mehr +59,5dBm heraus, und das sind 891 Watt. Im Filter gehen also 109 Watt verloren, das ist eine Menge.

Das Ziel sollte sein eine Durchlassdämpfung  von < 0,3dB zu erreichen, möglichst < 0,2dB. Wobei man berücksichtigen muss, dass man hier schon an die Messgenauigkeit üblichen Analysatoren kommt (z.B. Rigol). "Normalisieren" des Gerätes vor jeder Messung ist erforderlich.

Reflexionsdämpfung:

die Reflexionsdämpfung S11 ist nichts anderes als das Eingangs-SWR des Filters in dB ausgedrückt. Man schließt das Filter mit 50 Ohm ab und misst das SWR am Filtereingang. Ich habe mir zum Ziel gesetzt, dass die Reflexionsdämpfung immer besser als 20dB sein muss. Das entspricht einem SWR von 1,22. Noch besser wäre zwar schön, ist aber durch Bauteiltoleranzen oft nicht möglich.

Bei Chebyshev-Filtern ist die Reflexionsdämpfung extrem von Bauteiletoleranzen abhängig, vor allem nahe der Frequenz des Filtereinsatzes. Das Filter sollte also nicht zu knapp dimensioniert sein.

Kondensatoren:

Kondensatortyp Vorteil Nachteil
     
Glimmer gute Strombelastbarkeit
geringe Toleranzen
Temperaturbeständig
sehr gute HF-Eigenschaften
hohe Güte
nur bis 500 Volt leicht erhältlich
Höhere Spannungen extrem teuer
FKP1-Polypropylen Folie extrem Impulsbelastbar
selbstheilend
hohe Güte
gute HF-Eigenschaften
bis 3kV verfügbar
sehr preiswert
Güte und Strombelastbarkeit nicht ganz so gut wie Glimmer
Keramik C0G/NP0 SMD gute HF-Eigenschaften
hohe Güte
geringe Toleranzen
Preis gerade noch erschwinglich
geringe Strombelastbarkeit erfordert Parallelschaltung

eigentlich sind Glimmerkondensatoren bei HF-Leistungsanwendungen die erste Wahl. Leider sind handelsübliche Glimmer-Cs nur bis 500V gut erhältlich. Natürlich gibt es sie auch für viel höhere Spannung bis mehrere kV, allerdings steigt dann der Preis exorbitant an. Stückpreise von bis zu 10 Eur sind normal. Das ist für mich ein k.o. Kriterium, solche Preise bin ich nicht bereit zu zahlen.

In vielen Bauvorschlägen, wie z.B. W6PQL, werden SMD Keramikkondensatoren C0G verwendet. Diese sind mit 2 oder 3kV gut verfügbar, die Kosten liegen bei ca. 60ct pro Stück. Allerdings ist die Strombelastbarkeit relativ gering, weshalb man immer mehrere parallel schalten muss. Dadurch steigt der Preis und sinkt die Güte. Ein einzelner C0G Kondensator hat eine hervorragende Güte. Schaltet man 6 oder 7 Stk. parallel, so sinkt die Güte bleibt aber trotzdem besser als bei anderen Kondensatoren.

FKP1 (Polypropylen Folienkondensatoren) wurden vor allem für Schaltnetzteile und ähnliche Schaltanwendungen entwickelt. Sie sind daher extrem robust und vor allem sehr leicht zu beschaffen. 2kV FKP1-Kondensatoren kosten um die 30ct pro Stück. Die Güte ist hoch, wenn auch nicht so hoch wie bei C0G Keramikkondensatoren. Mit FKP1 lassen sich hochwertige Filter zu äußerst günstigen Preisen erstellen. Wenn auch die Durchgangsdämpfung um ca. 0,1dB schlechter ist als mit C0G Keramikkondensatoren, so glänzen FKP1 durch ihre robuste Bauweise und die Selbstheilungseigenschaften. Für mich sind diese Kondensatoren in Schaltungen bis 30MHz die erste Wahl.

Es gibt noch MKP1 Kondensatoren, welche für HF Anwendungen noch einen Tick besser sind. Leider sind diese Typen nur bis ca. 750V erhältlich und damit für diese 1kW Endstufe nicht geeignet.

Spulen (Ringkerne):

Es gibt Ferritringkerne, welche für Übertrager und Speisedrosseln verwendet werden. Und dann haben wir Eisenpulverkerne welche für Filteranwendungen optimal geeignet sind. 

Eisenpulverkerne kommen erst bei sehr hohen Gauß-Werten in Sättigung, und tatsächlich spielt die Sättigung hier keine Rolle, auch nicht bei kleinen Kernen. Wichtig ist das Temperaturverhalten. Wird ein Kern zu heiß dann verliert er seine magnetischen Eigenschaften.

Berechnet man die erforderliche Kerngröße für ein 1kW Filter so kommt man auf T200 Kerne, das sind riesen Dinger. Wer stundenlang Dauerstrich fahren will, der muss diese auch nehmen. W6PQL hat zunächst kleine T98 Kerne genommen und später mit T106 ersetzt. Meine Versuche ergaben, dass T106 Kerne eine gute Wahl sind. Bei SSB erwärmen sie sich so gut wie gar nicht, bei kürzeren Dauersendungen bleibt die Temperatur akzeptabel. Ein wenig Wind über den Kernen und es sollten keine Temperaturprobleme auftreten.

Kernmaterial: das Material bestimmt die Güte. Allererste Wahl für Filter ist das Material 6 gelb (also T106-6). Ich führe die meisten Filter damit aus. Für die Bänder 160m und 80m kommt Material 2 (rotbraun) zum Einsatz, dieses ist ebenfalls gut und man spart damit ein paar Windungen.

Draht: Kupferverluste müssen so gering wie möglich sein, der Draht also so dick wie möglich. Ich habe mich für CuL 1,5mm² entschieden.

Ausgangsdaten:

Ein Filter sollte nicht besser sein als notwendig. Es schadet natürlich nicht, jedoch haben Filter mit steilen und tiefen Durchlasskurven meist eine höhere Durchlassdämpfung, und das wollen wir für eine 1kW PA auf keinen Fall. Daher wurden zunächst die Pegel der Oberwellen der PA ohne Filter bestimmt.

Die Grunddaten der nackten PA wurden HIER gemessen. Die restliche erforderliche Dämpfung wird durch das Tiefpassfilter erzeugt.

Filtertyp:

zur Auswahl stehen PI Filter und T Filter. Rechnerisch sind beide identisch. In der Praxis hat sich gezeigt dass PI Filter günstiger bezüglich Durchlassdämpfung sind und einfacher abzugleichen sind. 

Filterdesign:

mein bevorzugtes Programm ist das bekannte RFsim99. Man startet den Filterassistenten und gibt ein:

Chebyshev, Low Pass, Parallel
Bandwidth: die Frequenz bei welcher der Tiefpass seine Dämpfung beginnen soll, also z.B. 8 MHz für eine 40m-Band Filter.
Number of poles: 7
Passband Ripple: 0,01 dB (ganz wichtig). Dieser kleine Wert (es ist der kleinste einstellbare Wert) sorgt dafür dass die Reflexionsdämpfung und damit die Anpassung optimal bleibt.

Problem: Spulen können nur "ganze" Windungszahlen haben. Man wir den berechneten Induktivitätswert nie herstellen können. Daher wird der Wert zuerst berechnet. Danach wird ein Ringkern gewickelt der so nahe wie möglich an diesen Wert herankommt. Und zuletzt wird das Filter mit dem tatsächlichen Spulenwert noch mal gerechnet. Das Ergebnis ist ein "herstellbares" Filter.

Bei den Kondensatoren schalte ich immer 2 Stück in Reihe. Damit kann man die verschiedensten Werte zusammenstellen und findet fast immer etwas passendes. So nebenbei erhöht sich dadurch auch die Spannungsfestigkeit ein wenig.

Abgleich:

Bei einem Chebyshev Filter kann man durch Änderung der Kondensatoren in einem weiten Bereich abgleichen. Das ist sehr praktisch da man an den Ringkernen sowieso kaum was ändern kann. Man kann zwar durch Stauchen der Windungen am Kern die Induktivität beeinflussen, aber nicht viel.

Mit den inneren beiden Kondensatoren kann man die Bandbreite des Filters ändern. Dabei wird man die Anpassung verlieren. Diese stellt man wieder her indem man die beiden äußeren Cs ändert. Am besten zunächst in RFsim, und danach im Filter. Mit der Bandbreite sollte man nicht zu nah an die Nutzfrequenz gehen, denn sonst verschlechtert man die Durchlassdämpfung.

 

Details zu den einzelnen Filtern sind auf den entsprechenden Seiten beschrieben.