Arrastre de filtros
Todos los circuitos de antena, OFV, mezcla intermedia de TX, etc. Constan de un filtro LC más o menos complejo cuya misión es dejar pasar la señal deseada u oscilar a una frecuencia determinada en el caso de un OFV. Normalmente estos filtros o circuitos resonantes están ajustados para una banda de paso determinada y su ajuste es sencillo cuando la banda de paso es estrecha, pero se hace muy difícil de ajustar si la banda de paso es muy ancha. Para ajustar estos filtros se necesita un analizador escalar o vectorial, en general un generador de barrido con un sistema de representación que muestre la curva de transferencia del filtro. Estos instrumentos eran muy caros y por tanto quedaban fuera de las aplicaciones de aficionados. Hoy día con el NanoVNA y similares de bajo coste, se puede ajustar este tipo de filtros sin ningún problema. Sólo es necesario que estén diseñados para 50 ohmios.
Fig1: Filtro fijo para 80 metros
El filtro de la figura 1 es un ejemplo de los resultados que se pueden obtener con un adecuado ajuste, una ROE por debajo de 1,5:1 en toda la banda de paso, un ancho de banda a -3dB que cubre un poco más de los banda de 80 metros, un rizado menor de 0,2 dB y unas pérdidas teóricas de 0 dB, en la práctica serán de 0,5dB debido a las pérdidas de los condensadores y resistencia del hilo de la bobina, Q de los núcleos, etc.
Este filtro es inabordable sin una instrumentación adecuada para su ajuste, véase los valores de bobinas, pero si además contemplamos la tolerancia de los condensadores las cosas se complican aún más. No obstante el problema tiene una solución más o menos sencilla y por tanto asequible con medios simples pero no por ello ineficientes. Resulta sencillo hacer un filtro estrecho que se ajusta a máxima respuesta a una frecuencia concreta. El problema radica ahora que para usar el filtro en un segmento de frecuencias más amplio es necesario arrastrar los circuitos resonantes mediante un condensador variable o diodos varicap.
Fig2: Filtro arrastrado para 80 metros a distintos valores de CV1
La solución a nuestro problema se consigue mediante un filtro estrecho, gracias al acoplamiento crítico entre las dos etapas, C5 y arrastrado mediante un condensador variable colocado en cada sección del filtro, C2 y C4. Para la simulación se han usado los valores de capacidad del diodo varicap BB112 polarizado ente 1 Vcc y 5 Vcc. En la frecuencia más baja, 3,5 Mhz, el ancho de banda es de unos 200 Khz a -3dB y en la frecuencia más alta. 3,85 Mhz, el ancho de banda es de unos 300 Khz.
Este tipo de filtros es muy sencillo de ajustar, solamente es necesario ajustar Tr1 y Tr2 para conseguir el valor máximo de salida.
Cálculos
La pregunta que surge es qué valor de bobina hay que usar y qué valor de condensador variable o varicap. Vamos a simplificar el circuito a los componentes esenciales, ver figura 3.
Fig3: Circuito simplificado.
La capacidad CX representa la capacidad parásita de las conexiones, componentes asociados al circuito y capacidad fija necesaria de sintonía. CV es el condensador variable o diodo varicap, lo vamos a definir por sus dos capacidades, Cmax es la capacidad máxima y Cmin es la capacidad mínima que se pueden conseguir con el componente que se emplee. Para la capacidad máxima el circuito resuena a la frecuencia mínima Fmin y para la capacidad mínima el circuito resuena a la frecuencia máxima Fmax. L1 es la bobina de sintonía que queremos calcular.
Ya tenemos todos los datos e incógnitas que determinan las frecuencias de trabajo, rango de variación de capacidad del componente de sintonía y las incógnitas L1 y CX. Para hallar L1 y CX necesitamos un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas para que se pueda resolver. Sabemos que el valor de L1 es fijo para cualquiera de las frecuencias que se pueden sintonizar con CV y que el valor de capacidad de sintonía es la suma de CX+CV. Se cumple por tanto las siguientes igualdades:
Ecuación 1
Ya tenemos el sistema de ecuaciones que relaciona los datos y las incógnitas. Ahora procedemos a despejar L1 y CX. Podemos ver que se cumple:
En la ecuación 2 ya solo tenemos una incógnita, CX, la despejamos y obtenemos la siguiente ecuación:
Ecuación 3
Si CX sale un valor negativo entonces es imposible obtener un circuito que cumpla con los requisitos de frecuencia para el condensador variable que tenemos. Si CX es extremadamente bajo es un síntoma que nos indica que el circuito será difícil de conseguir si las capacidades residuales son mayores al valor de CX calculado. Para el resto de los casos, CX será el valor de las capacidades residuales, más un condensador fijo, más el valor medio de un condensador ajustable que usaremos para ajustar la frecuencia superior, Fmax.
Metiendo CX en una de las ecuaciones del sistema del que partimos, Ecuación 1, podemos hallar el valor de L1. Como siempre, L en µH, C en pF y F en MHz.
Caso práctico
Vamos a ver un caso práctico para ilustrar el procedimiento de cálculo. Supongamos que queremos hacer un receptor para la banda de 80 metros con una FI de 455 KHz. El OFV debe poder ajustarse entre Fmin=3,5−0,455=3,045 MHz y Fmax=3,85−0,455=3,395 MHz. El condensador variable a usar será un diodo varicap BB109 o MV109 que presenta las siguientes capacidades Cmax@1Vcc =39 pF y Cmin@5Vcc =20 pF. Mediante la ecuación 3 hallamos CX para el OFV y para el circuito de antena:
En serie con el diodo varicap se ha colocado un condensador de 1nF para bloquear la corriente continua, este condensador reduce ligeramente la capacidad del diodo varicap, por lo que los 39 pF se han convertido en 37,54 pF y los 20 pF en 19,61. En las columnas Antena y OFV se han hecho los cálculos de frecuencia en función de la capacidad del diodo varicap para cada tensión de sintonía y en la columna error se ha calculado el error de arrastre entre el circuito del OFV y el de antena restando el valor de la FI. Como podemos ver el error es nulo, menos de 1 kilohercio. En la realidad los diodos que se empleen no serán exactamente iguales y por tanto habrá una pequeña desalineación, pero como el ancho de banda del circuito de antena es de más de 100 KHz, el error que se pueda producir es despreciable ya que no tendrá efecto. La capacidad CX de 67,76 pF se hace mediante un condensador fijo de 39 pF y un condensador ajustable de 5-60 pF, mientras que la capacidad CX de 54,14 pF se hace mediante un condensador fijo de 22 pF y uno ajustable de 5-60 pF.
Fig4: Circuito de antena calculado
En la figura 4 se muestra el circuito de antena con los datos calculados y los resultados que se obtienen de ancho de banda y adaptación. Se puede observar que el circuito tiene un ligero desplazamiento de frecuencia hacia abajo como consecuencia del acoplamiento de C5. No obstante en el proceso de ajuste esto no se detectará ya que el ancho de banda como ya hemos dicho anteriormente es de unos 200 KHz a -3 dB.
Ajuste
Para ajustar un circuito arrastrado de este tipo el método es siempre el mismo, solo cambia la forma de hacerlo si es un OFV, circuito de antena o mezclador de banda del OFV y oscilador a cristal o PLL de banda.- Se ajusta el condensador de ajuste a mitad de recorrido, en el esquema de la figura 4 son C10 y C11.
- Se ajusta la capacidad del condensador variable o varicap al máximo valor que corresponde con la frecuencia más baja.
- Se ajusta la bobina para que resuene en la frecuencia deseada. Si es un OFV se mide con el frecuencímetro la frecuencia, si es un mezclador de banda se necesita un voltímetro de RF que se puede hacer con un diodo y un microamperímetro, si es el circuito de antena se buscará la máxima indicación del S-meter mediante un generador de RF o marker.
- Se ajusta el condensador variable o varicap a su mínimo valor que corresponde con la máxima frecuencia.
- Ajustar el condensador de ajuste para conseguir la frecuencia deseada como se acaba de describir.
- Repetir los tres últimos pasos unas cuantas veces hasta conseguir que coincidan las frecuencias deseadas en el frecuencímetro o la mayor amplitud en los ostros casos.
Conclusiones
Los circuitos arrastrados son fáciles de hacer y ajustar sin grandes medios, un marker para el circuito de antena, un voltímetro de RF a diodo para los mezcladores de banda o un frecuencímetro o receptor con sintonía digital para un OFV.Los circuitos pasobanda solo necesitan un condensador de acoplo de muy bajo valor que prácticamente no afecta a los valores calculados.
Se necesita arrastrar en los circuitos de antena y mezcla de banda para las bandas de 80m, 20m, 15m, 10m y 6m mientras que en el resto de bandas el margen de sintonía es tan estrecho que no es necesario, salvo que se quiera usar toda la banda cubierta por el OFV.
El margen de variación de capacidad debe estar acorde al margen de variación de frecuencia. Si el margen del condensador variable es excesivo se puede reducir poniendo un condensador en serie de menor capacidad.
Para que el arrastre de los filtros y el OFV sea coincidente es necesario usar los mimos diodos varicap en todos los circuitos ya que a distinta ley de variación de capacidad de unos modelos a otros de componentes pude producir errores de arrastre excesivos.
