Bandpass Filter in Mikrostreifenleitungs-Technik werden aufgrund ihrer Einfachheit und Reproduzierbarkeit gerne im UHF- und SHF-Bereich eingesetzt. Ihnen eilt der Ruf voraus, dass sie nur mit viel Expertenwissen in mehreren Optimierungsschritten auf speziellem Basismaterial zu realisieren sind. Dass es auch mit „Amateurmitteln“ recht gut gehen kann, beschreibt der folgende Bericht über die Realisierung eines 740 MHz Bandpass Filters in Mikrostreifenleitungstechnik für QO-100 Empfang.
Ein Filter für den Empfang des Amateurfunksatelliten QO-100
Neben dem Wunsch ein Streifenleitungsfilter einmal selbst zu dimensionieren und aufzubauen gab es einen konkreten Anlass, nämlich den Empfang des QO-100 Satelliten zu verbessern.
Grundsätzlich ist in vielen Fällen ein guter Empfang ohne Filter möglich, sollten allerdings undefinierbare Signale im Empfangsspektrum erscheinen, die den Empfang schwacher Stationen stören, kann ein Filter das Problem beseitigen. Es muss dazu den Bereich um 739 MHz möglichst ungestört durchlassen und die zuvor genannten unerwünschten Signale abschwächen. Um auch Störungen zu unterdrücken, die nicht über den LNB, sondern direkt über das Kabel aufgenommen werden, sollte das Filter nahe am Empfängereingang platziert werden.
In der Regel wird zum Empfang des Satelliten ein LNB verwendet, welcher die Empfangsfrequenz bei 10489 MHz auf eine ZF bei 739 MHz umsetzt. Durch benachbarte Satellitentransponder mit Fernsehsignalen können starke Signale oberhalb der ZF auftreten. Ebenso sind Einstrahlungen von Mobilfunkstationen (LTE) möglich. Diese senden auch im Bereich unter 1 GHz.
Direkt ober- und unterhalb der ZF ist daher an einigen Orten mit starken Signalen zu rechnen, welche möglicherweise den Empfänger überfordern und sich als einzelne starke Signale oder auch als breitbandige Störung, bestehend aus vielen kleinen Einzelsignalen bemerkbar machen.
Im LNB wird das Empfangssignal sehr hoch verstärkt, somit haben kleine Dämpfungen auf der ZF-Seite, nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Rauschzahl der Empfangsanlage, bzw. den Empfang schwacher Signale. Es kann daher ein Filter eingesetzt werden, welches ein paar dB Dämpfung im Durchlassbereich hat. Je nach verwendetem LNB kann es sogar nötig sein zusätzlich ein Dämpfungsglied einzuschleifen um eine Übersteuerung des nachgeschalteten Empfängers zu vermeiden.
Designvorgaben
Als grundlegende Vorgaben für das Filter wurden gewählt: Einfügungsdämpfung <5 dB bei 740 MHz, Sperrdämpfung >25 dB oberhalb 820 MHz und unterhalb 600 MHz. Das Filter soll symmetrisch und auf 50 Ohm Impedanz ausgelegt sein.
Hier noch ein Hinweis an Anwender die sich nicht für den Eigenbau interessieren: Falls die Störsignale nur oberhalb der ZF liegen, kann ein fertiges LTE-Sperrfilter für weniger als 10 € die einfachere Lösung sein.
Softwaregestützter Entwurf und Optimierung
Die Wahl fiel auf ein Filter in Mikrostreifenleitungstechnik mit FR4 Leiterplattenmaterial, welches einfach und kostengünstig herzustellen ist. Die eine Seite der Leiterplatte ist eine durchgehende Massefläche und die andere Seite trägt die Filterstruktur. Es werden parallele Leiterbahnen so angeordnet, dass sie über elektromagnetische Felder miteinander verkoppelt sind und nur bei bestimmten Frequenzen eine Übertragung vom Ein- zum Ausgang stattfindet. Auf die Theorie soll hier nicht weiter eingegangen werden, da es im Internet ausführliche Beschreibungen gibt, zum Einstieg wird auf [1] und [2] verwiesen.
Die Entwicklung des Filters erfolgte in zwei Schritten mit modernen Softwarewerkzeugen. Diese sind für nichtkommerzielle Anwendungen kostenfrei verwendbar. Anschließend wurde das Leiterbahnbild per CNC-Fräse direkt in das Leiterplattenmaterial geschnitten.
Microstrip Filter Design Tool
Der grundlegende Entwurf erfolgte mit dem „Microstrip Filter Design Tool“ [3] von Marki Microwave. Es handelt sich dabei um ein Online Programm, welches sehr einfach gehalten und leicht zu bedienen ist. Vorgegeben wurde ein Bandpass 3. Ordnung vom Chebyshev Typ, Mittenfrequenz 740 MHz. Als Basismaterial ist FR4 mit 0,8mm Dicke und doppelseitiger 35µ Kupferauflage angenommen worden. Leider waren beim verwendeten Material keine verlässlichen Angaben zur Dielektrizitätskonstante vorhanden. So wurde zu Beginn ein Wert von Ɛr = 4,4 festgelegt, der sich später als nicht ganz zutreffend erwiesen hat. Die Leiterplatte soll 20 mm x 65 mm groß werden. Mit SMA-Buchsen an den Schmalseiten werden Ein- und Ausgang realisiert.
Was kann das Tool?
Das Programm liefert nach Eingabe der Filtereigenschaften direkt ein grafisches Abbild, sowie die genauen Maße der einzelnen Elemente und deren Positionierung.
Schaltungsanalyse mit „Sonnet Lite“
Im zweiten Schritt wurde mit dem Softwarepaket „Sonnet-Lite“ Version 18.53 [4] das Verhalten des Filters analysiert. Es handelt sich dabei um ein sehr leistungsfähiges Programm welches das elektromagnetische Verhalten nahezu beliebiger planarer Strukturen simulieren kann.
Zuerst gibt man zuerst den Schichtaufbau der FR-4 Leiterplatte mit ihren Materialeigenschaften vor. Ganz unten ist die Bezugsebene (GND), darüber die Glasfaser/Epoxid Schicht. Auf dieser Schicht befinden sich oben die Leiterbahnzüge (Trace) und darüber folgt Luft (Air). Im „Stackup Manager“ (Bild 3) zeigt das Programm daraufhin einen Querschnitt der Struktur an.
Die Geometrie der Leiterbahnen, wird entweder aus einer vorhandenen Grafik importiert, oder mit dem grafischen Editor gezeichnet. Ich habe mich für das zweite Verfahren entscheiden, da sich damit nachträgliche Änderungen schneller durchführen lassen. Im gleichen Arbeitsschritt werden dann auch Durchkontaktierungen und die Ports, d.h. Ein- und Ausgänge platziert.
Ausgabe der simulierten Geometrie
Bild 4: Leiterbahn Geometrie für die Simulation
Zur Berechnung zerlegt Sonnet die Struktur in eine Vielzahl kleiner Elemente (Cells) und ermittelt anschließend die S-Parameter im gewünschten Frequenzbereich. Hier sind die Einschränkungen der kostenlosen Lite Version zu beachten und die Größe der Elemente geeignet zu wählen. Das Ergebnis lässt sich grafisch ausgeben und als S-Parameter zur weiteren Verwendung speichern.
Im Verlauf der Simulation wurden die Längen der Leiterbahnen und die Position des Einspeisepunktes auf den Leiterbahnen in mehreren Iterationsschritten manuell geändert um die Mittenfrequenz und die Anpassung zu optimieren.
Hilfreich ist dabei die Software RSPLOT [5]. Sie kann mehrere Datensätze aus S-Parameter-Files in einem einzigen Diagramm darstellen und ermöglicht so einen direkten vorher nachher Vergleich. Auch später bei der Gegenüberstellung der simulierten Daten mit den Messungen kam dieses Programm zum Einsatz.
Mit Hilfe der Softwarewerkzeuge war vorab und ohne Musteraufbau ersichtlich, dass die angestrebten Filtereigenschaften mit der gewählten einfachen Topologie erreichbar sein müssten. Das Programm Sonnet-Lite gibt grafische Daten der Leiterbahnen im DXF Grafikformat aus. Diese lassen sich leicht in ein Fräsprogramm oder eine Belichtungsvorlage zur Leiterplattenherstellung umwandeln. Auf Basis der Daten wurde ein Prototyp erstellt. Der direkte Export von Gerber Daten zur Leiterplattenfertigung bei einem Dienstleiter wird von der kostenlosen Programmversion nicht unterstützt. Es ist aber möglich die DXF Daten in ein Leiterplatten-CAD-Programm zu importieren und den Entwurf dann dort weiter zu bearbeiten. Testweise wurde dies mit der Software „Ki-CAD 6.0“ [6] durchgeführt und bei entsprechender Erfahrung mit CAD-Software lassen sich so auch noch zusätzliche Bauteile auf dem Layout unterbringen. Bei der Leiterplattenfertigung durch einen Dienstleiter ist jedoch zu beachten, dass die Eigenschaften des Basismaterials von Fertigungslos zu Fertigungslos variieren können.
Umfassende Simulationsmöglichkeiten
Vor dem Vergleich von Simulation und Realität noch ein kurzer Seitenblick, um die Wirkungsweise eines Streifenleitungsfilters besser zu verstehen. Auch dazu eignet sich die Software. Sonnet-Lite kann die Stromverteilung auf den Leiterbahnen sehr anschaulich darstellen. Die Farbe „rot“ entspricht der höchsten Stromdichte, „dunkelblau“ bedeutet kein, bzw. minimaler Stromfluss. Zwischenwerte sind farbig abgestuft, ähnlich wie man es von einer Wärmebildkamera kennt.
Betrachtet man eine Frequenz im Durchlassbereich, haben die Leiterbahnstreifen eine elektrische Länge von λ/4 und sind in Resonanz (Bild 6). Der Strom am offenen Ende der Leiterbahnen ist Null und wird am kurzgeschlossenen Ende maximal. Es findet eine starke Kopplung vom Eingang zum Ausgang statt.
Am Beispiel einer Frequenz im Sperrbereich des Filters, z.B. 900 MHz, verdeutlicht wie abseits der Resonanz kaum eine Übertragung vom Eingang zum Ausgang stattfindet (Bild 7). Der Strom auf der mittleren Leiterbahn ist gering und am Ausgang ist nichts mehr zu sehen. Interessant ist auch die dreifache Designfrequenz (Bild 8). Hier sind die Streifen 3x λ/4 lang, somit tritt wieder eine Resonanz mit entsprechendem Durchlass auf, was auch im S21 Plot (Bild x) gut zu sehen ist.
Praktische Realisierung
Bild 9 zeigt das erste Muster. Eine CNC-Fräse entfernt die Kupferbeschichtung mit einem 1,2 mm spiralverzahnten Fräser in einer Tiefe von 0,1 mm. Im gleichen Arbeitsgang entstehen die Bohrungen für die Durchkontaktierungen sowie die gefräste Außenkontur der Leiterplatte.
Die Kurzschlüsse an den Leiterstreifen werden mithilfe von Hohlnieten realisiert. Diese werden in die vorgesehenen Bohrungen eingesetzt und anschließend beidseitig verlötet. Dabei bleibt die Bohrung frei von Zinn, um eine saubere HF-taugliche Verbindung sicherzustellen.
Bei den SMA-Buchsen waren nur solche für 1,6 mm Leiterplattendicke verfügbar.Daher werden auf der Rückseite kleine Kupferblöcke mit einer Dicke von 0,8 mm unterlegt und anschließend verlötet. Das ergibt eine elektrisch einwandfreie und mechanisch stabile Kontaktierung.
Messungen und Vergleich mit der Simulation
Alle Messungen wurden mit einem nanoVNA V2 [7] und der Software nanoSaver [8] durchgeführt. Bei sorgfältiger Arbeitsweise und Kalibrierung kann bis ca. 3000 MHz mit ausreichend Dynamik und Reproduzierbarkeit gemessen werden.
Bild 10 zeigt den Messaufbau. Der Filtereingang wird mit Port 1 des nanoVNA direkt verbunden. Weil die Eingangsimpedanz des nanoVNA an Port 2 deutlich von 50 Ohm abweicht, wurde zwischen dem Filterausgang und Port 2 ein Dämpfungsglied mit 3 dB eingefügt. Dadurch verbessert sich die Anpassung, und der Einfluss des Messaufbaus auf die Filtereigenschaften wird deutlich reduziert. Das Dämpfungsglied wurde bereits bei der Kalibrierung eingeschleift und ist somit bei den Messungen automatisch berücksichtigt.
Erster Entwurf
In Bild 11 ist die Messung an Muster 1 blau dargestellt, in der Farbe türkis Farbe ist das Ergebnis der Sonnet-Lite Simulation hinterlegt. Im Kurvenverlauf der Messung sind noch einige Unterschiede gegenüber der Simulation sichtbar, insbesondere ein Versatz der Mittenfrequenz nach unten und eine schlechtere Anpassung. Jedoch zeigte der Verlauf der gemessenen Kurve bereits eine große Ähnlichkeit mit den zuvor simulierten Daten. Die verwendeten Werkzeuge und Modelle scheinen somit vielversprechend für den Entwurf und die Optimierung von Streifenleitungsfiltern.
Das Filter ist vollständig symmetrisch aufgebaut, sodass Ein- und Ausgang grundsätzlich ohne nennenswerte Auswirkungen auf die Eigenschaften vertauscht werden können. Die Messungen bestätigen dieses Verhalten.
Optimierung
Die genannten Diskrepanzen in den Daten sind vermutlich auf eine Abweichung der Dielektrizitätskonstante des verwendeten Leiterplattenmaterials gegenüber dem angenommenen Wert von Ɛr = 4,4 zurückzuführen. Auf Basis der bisherigen Ergebnisse konnte abgeschätzt werden, dass die tatsächliche Dielektrizitätskonstante des Materials zwischen Ɛr = 4,6 und Ɛr = 4,7 liegt.
Am ersten Muster wurde die Abweichung durch eine Verkürzung aller drei Leiterstreifen am offenen Ende nachträglich korrigiert (Bild 9). Dieser „Feinabgleich“ erfolgte mit einem Handfräser. Weil die störenden Signale eher oberhalb des Empfangsfrequenzbereiches zu erwarten sind, wurde eine etwas zu tiefe Mittenfrequenz beibehalten, so wird eine bessere Dämpfungen im besonders kritischen Frequenzbereich erreicht. Die resultierende Filterkennline ist in Bild 12 dargestellt.
Bei etwa 1500 MHz zeigten die Messungen des Prototyps eine Resonanz, die in der Simulation so nicht vorhanden war. Als Ursache stellten sich die Massefläche heraus, welche die Filterstruktur umrandet. Zusätzliche Durchkontaktierungen am Rand der Platine haben den Effekt beseitigt. Auf industriell gefertigten Leiterplatte würde man sehr viel mehr Durchkontaktierungen vorsehen. Bei dem handgefertigten Muster möchte man den Aufwand gering halten und kommt mit insgesamt nur 10 Durchkontaktierungen schon zu einem gut brauchbaren Ergebnis.
Der zweite Versuch
Mit den Erkenntnissen vom ersten Prototypen wurden in der Simulation folgende Änderungen vorgenommen: Dielektrizitätskonstante Ɛr = 4,65. Einspeisung und Auskopplung etwas weiter vom kurzgeschossenen Ende entfernt und Leiterstreifen etwas schmaler, dadurch bessere Anpassung an 50 Ohm und schmalerer Durchlassbereich des Filters. Länge der Leiterstreifen verkürzt um eine Mittenfrequenz von ca. 730 MHz zu erreichen.
Die Messung des zweiten Musters ergab dann ohne Nacharbeit eine sehr gute Übereinstimmung mit den zuvor ermittelten Simulationsergebnissen.
Zum Abschluss wurde untersucht, was passiert, wenn eine Seite des Filters mit 75 Ohm abgeschlossen wird und somit eine Fehlanpassung auftritt. Dies ist ein typischer Anwendungsfall bei dem das Filter mit 75 Ohm Kabel an einem LNB und auf der anderen Seite an einem Empfänger mit 50 Ohm Eingang eingesetzt wird. Die Form der Filterkurve ändert sich dabei nicht merklich, lediglich die Mittenfrequenz wird um ca. 3 MHz nach unten verschoben. Die Zusatzdämpfung aufgrund der Fehlanpassung bleibt unter 0,2 dB. Diese geringen Änderungen der Filterdaten sind für die Eingangs genannte Anwendung absolut unkritisch.
Fazit
Mit kostenlos verfügbarer Software und sehr preisgünstigen Messmitteln ist es möglich ein Streifenleitungsfilter zu entwerfen und zu realisieren. Die erreichten Filterdaten erfüllen die Erwartungen und motivieren zu weiteren Projekten mit Streifenleitungen, wie z.B. Richtkoppler, Tiefpassfilter und eventuell sogar Antennen. Der Vergleich zwischen Messung und Simulation ergibt eine verblüffende Übereinstimmung, die so zu Projektbeginn nicht erwartet worden war. Wer sich etwas in die Thematik einarbeitet, hat mit den beschriebenen Programmen, für die Umsetzung eigener Ideen und Projekte, tolle Werkzeuge zur Hand.
Quellenverzeichnis
[1] https://de.wikipedia.org/wiki/Streifenleitung
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Distributed-element_filter
[3] https://rf-tools.com/microstrip/
[4] https://www.sonnetsoftware.com/products/lite/
[5] http://www.rsmicro.com/rsplot-simulator
[7] https://nanorfe.com/de/nanovna-v2.html
[8] https://github.com/NanoVNA-Saver/nanovna-saver
Hinweis: „Erstveröffentlichung in FUNKAMATEUR, Ausgabe 12/2024.“