LC-Filter

Oberwellen gehören nicht in die Antenne

Jede Endstufe erzeugt neben der Frequenz, auf der du sendest, auch Vielfache davon: die Oberwellen. Wer auf 7,1 MHz sendet, strahlt ohne Filter auch auf 14,2, 21,3 und 28,4 MHz ab, mitten in anderen Bändern oder knapp daneben. Wie stark sie unterdrückt sein müssen, steht in den Vorschriften, und gemessen wird am Antennenanschluss. Eine Gegentaktstufe bringt schon wenig zweite Oberwelle, aber die dritte bleibt kräftig.

Ein Tiefpass lässt alles unter seiner Grenzfrequenz durch und dämpft darüber. Er liegt zwischen Endstufe und Antenne, und weil er die volle Leistung führt, zählt bei ihm nicht nur die Kurve, sondern auch, was die Bauteile aushalten. Das zeigt die Tabelle unter dem Schaltbild.

Tiefpass, Hochpass, Bandpass

Der Tiefpass ist das Oberwellenfilter. Der Hochpass hält Tiefes ab, zum Beispiel starke Mittelwellensender vom Empfängereingang, wenn du auf 160 m hören willst. Der Bandpass lässt nur einen Bereich durch, etwa 2 m vor einem Vorverstärker oder ein Band im Mehrband-Empfänger.

Hier sind alle drei aus derselben Grundschaltung gerechnet: dem normierten Tiefpass. Seine Werte (die g-Werte) stehen in Tabellen, und aus ihnen werden mit Grenzfrequenz und Wellenwiderstand die echten Bauteile. Beim Hochpass tauschen Spulen und Kondensatoren die Plätze, beim Bandpass wird jedes Teil zu einem Schwingkreis auf der Mittenfrequenz.

Pi oder T

Dieselbe Kurve geht mit zwei Formen. Pi fängt am Sender mit einem Teil quer zur Masse an (beim Tiefpass ein Kondensator), T mit einem Teil in der Leitung (einer Spule). Pi braucht beim Tiefpass weniger Spulen, und Spulen sind das, was man wickeln muss und was warm wird. Deshalb sind die meisten Oberwellenfilter Pi-Filter.

Das Filter ist für 50 Ω an beiden Enden gerechnet. An einer Antenne mit hohem SWR stimmt die Kurve nicht mehr, deshalb gehört es zwischen Endstufe und Anpassgerät, nicht dahinter. Was das Filter am Eingang zeigt, siehst du im Smith-Diagramm über den Knopf am Schaltbild.

Butterworth: so flach wie möglich

Ein Butterworth-Filter hat im Durchlass gar keine Welligkeit. Dafür fällt die Kurve langsam ab: an der Grenzfrequenz ist es schon 3 dB, und danach wird es je Ordnung um 6 dB je Oktave steiler. Gut, wenn du über einen breiten Bereich gleichmäßig durchlassen willst.

Tschebyscheff: steiler, dafür wellig

Ein Tschebyscheff-Filter erlaubt im Durchlass eine kleine Welligkeit, zum Beispiel 0,1 dB, und kauft sich dafür eine viel steilere Flanke. Bei gleicher Ordnung dämpft es die Oberwellen deutlich stärker. Die Grenzfrequenz ist hier die Stelle, an der die Kurve die Welligkeit zum letzten Mal erreicht, nicht der 3-dB-Punkt.

Mehr Welligkeit heißt steilere Flanke, aber auch mehr Fehlanpassung im Band: 0,1 dB Welligkeit entspricht einem SWR bis 1,36, 0,5 dB bis 1,98, 1 dB bis 2,66. Für Senderfilter sind 0,01 bis 0,1 dB üblich, damit die Endstufe ein sauberes 50-Ω-Gegenüber sieht.

Nur ungerade Ordnung

Ein Tschebyscheff-Filter gerader Ordnung braucht am Ausgang einen anderen Widerstand als am Eingang. Zwischen zwei 50-Ω-Toren gibt es deshalb hier nur 3, 5, 7 und 9. Butterworth geht mit jeder Ordnung.

Welche Ordnung?

Probier es mit den Oberwellen-Marken aus. Bei einem Tiefpass für 40 m mit 0,1 dB Welligkeit bringt die fünfte Ordnung die zweite Oberwelle auf rund −32 dB und die dritte auf rund −52 dB. Die siebte Ordnung legt noch einmal gut 20 dB drauf, kostet aber eine Spule und einen Kondensator mehr und etwas Verlust.

Güte

Eine echte Spule hat neben ihrer Induktivität einen Verlustwiderstand: Kupfer und, beim Ringkern, das Material. Die Güte Q sagt, wie viel kleiner dieser Widerstand ist als der Blindwiderstand: R = ωL / Q. Ringkerne aus Eisenpulver erreichen auf Kurzwelle etwa 100 bis 250, gute Luftspulen mehr. Kondensatoren aus NP0/C0G oder Glimmer haben so hohe Güten, dass du sie meist weglassen kannst; ab Werk sind sie hier ideal.

Was die Verluste kosten

Der Durchgangsverlust in den Werten ist alles, was nicht in der Last ankommt: Fehlanpassung und Wärme. Bei einem Tiefpass 5. Ordnung mit Q = 150 sind es im Band ein paar Zehntel dB. Das klingt nach wenig, aber bei 100 W sind 0,2 dB schon 4,5 W, die in zwei Spulen landen. Die Spalte Verlust zeigt, wo.

Spannung und Strom

Für die Belastung rechnet die Seite mit einem Sender, der an 50 Ω die eingestellte Leistung abgibt. An 50 Ω sind 100 W eine Spitzenspannung von 100 V und ein Strom von 1,41 A. Im Filter kann es mehr sein, besonders in der Mitte und nahe der Grenzfrequenz. Kondensatoren werden gegen die gewählte Nennspannung geprüft: bis zur Hälfte reicht, bis 80 % ist knapp. Bei hohem SWR an der Antenne steigen Spannung und Strom weiter, rechne also Reserve ein.

Wird der Kern warm?

Die Erwärmung eines Ringkerns schätzt die Seite mit der Faustformel der Kernhersteller: ΔT ≈ (Verlust in mW / Oberfläche in cm²)^0,833 in Kelvin. Unter 25 K reicht der Kern, bis 50 K wird er warm, darüber ist er zu klein. Bei Eisenpulver ist die Wärme auf Kurzwelle die Grenze, nicht die Sättigung. Die Windungen kommen aus dem A_L-Wert, der Draht ist der dickste, der einlagig auf den Innenumfang passt. Material 2 (rot) für 1 bis 30 MHz, Material 6 (gelb) bis 50 MHz.

Gerechnet wird mit Dauerträger, wie bei FT8 oder RTTY. Bei SSB liegt die mittlere Leistung bei einem Viertel bis einem Drittel, CW etwa bei der Hälfte: ein Kern, der hier rot ist, kann dann trotzdem reichen. Mit kleinerer Leistung im Entwurf siehst du, wie viel. Darum stehen die Vorlagen für 100 W auf T106, kleinere Kerne werden bei langen Durchgängen heiß.

Streuung und Normwerte

Bauteile haben Toleranzen. Das Streuband zeigt, wo die Kurve landet, wenn jedes Teil zufällig um bis zu ± so viele Prozent daneben liegt (40 Läufe, immer dieselben, damit das Bild beim Neuladen gleich bleibt). „Wie gebaut“ rechnet mit den Normwerten der Kondensatoren und den Induktivitäten aus den ganzen Windungen. Mit „E12, 2 parallel“ kommst du mit zwei Kondensatoren näher an den Rechenwert.