2kW Tiefpassfilter für KW Endstufen

Grundlagen

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 üblicher Analysatoren kommt (z.B. Rigol, Siglent). "Normalisieren" des Gerätes vor jeder Messung ist erforderlich. Auch zeigt sich, dass die Trackinggeneratoren von Spektrumanalysatroren einen Ripple von einigen zehntel dB haben können. Daher sind im Durchlassbereich andere Messmethoden erforderlich wenn man genaue Ergebnisse haben will, dazu komme ich weiter unten.

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. Je steiler man das Filter macht umso stärker bildet sich ein "Buckel" nahe der Einsatzfrequenz aus. 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 bis knapp über 10 MHz
gute HF-Eigenschaften
bis 3kV verfügbar
sehr preiswert
die Güte lässt über 10 MHz langsam nach, aber bis zum 30m Band ist FKP1 unschlagbar.
Keramik C0G/NP0 SMD gute HF-Eigenschaften
sehr hohe Güte
geringe Toleranzen
Preis gerade noch erschwinglich
geringe Strombelastbarkeit erfordert Parallelschaltung.Optimal für 14 MHz und höher. Besser als Glimmer.

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.

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 14 MHz die erste Wahl. Darüber macht sich der Wickel des Kondensators bemerkbar und die Güte sinkt.

Für Frequenzen ab 14 MHz sind SMD Keramikkondensatoren C0G/NP0 die erste Wahl. Ich benutze relativ große 1812 Typen. Trotzdem muss man immer mindestens 4 oder mehr parallel schalten damit die Strombelastbarkeit gegeben ist. Es gibt übrigens spezielle HF SMD Kondensatoren mit beachtlich hohen Güten, diese sind aber sehr teuer und unter 100 MHz auch nicht erforderlich. Man greift also zu 2kV oder 3kV Hochspannungs-SMD Keramikkondensatoren C0G/NP0.

Spulen (Ringkerne):

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

bis 20m:

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 bis 750W SSB sind, dabei erwärmen sie sich kaum. Bei Dauerstrichbetrieb (z.B. SSTV o.ä.) wird es aber kritisch. Nach spätestens 1-2 Minuten bekommt man Angst dass die DInger zu braten beginnen. Ich bin daher für die Bänder 160m bis 20m auf die großen T200 Kerne gegangen, diese halten die 750W Dauerstrich leicht aus und in SSB hätten sie auch bis über 2kW keine Probleme.

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 1,5mm und teilweise 2,0mm entschieden.

ab 20m:

über 14 MHz merkt man bei Eisenpulverkernen einen leichten Anstieg der Durchlassdämpfung der Filter, zwar nur im zehntel dB Bereich, aber immerhin. Die Kerne sind immer noch gut, aber für eine Leistungsendstufe nicht mehr gut genug.

Aus diesem Grund setze ich ab 14 MHz auf Luftspulen mit versilbertem Kupferdraht 2mm. Nebeneinanderliegende Luftspulen muss man immer um 90 Grad gedreht einbauen damit sich die Streufelder nicht beeinflussen. Ganz lässt sich eine Beeinflussung nicht vermeiden, solange diese aber nicht ins Durchlassband oder eine Harmonische fällt kann man damit leben.

Der Lohn der Luftspule ist eine ausgezeichnete niedrige Durchgangsdämpfung der Filter wie man sie mit Ringkernen nicht erreichen könnte. Außerdem sind Luftspulen einfacher abzugleichen als Ringkerne wodurch man das Filter gut optimieren kann.

Ausgangsdaten:

Ein Filter sollte nicht besser sein als notwendig. Es schadet natürlich nicht, jedoch haben Filter mit steilen und tiefen Filterkurven 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 bis inkl. 40m günstiger ist, darüber lassen sich T-Filter besser abgleichen. 

Filterdesign:

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

Chebyshev, Low Pass, Parallel (oder Serie)
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 wird 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.

Schwierig vorherzusehen ist der Einfluss der Platine (Leiterinduktivität und Kapazitäten zur Massefläche). Der Einfluss ist aber geringer als ich ursprünglich dachte. In der Regel kann man es beim Abgleich der Filter hinbekommen.

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 da sich die starren dicken Windungen nicht leicht verschieben lassen.

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.