Some tips how to make good roofing filter for Up conversion receiver ( Slovenian language -English abstract)

Abstract 

Despite the great trend to switch to a down- conversion receiver or hybrid receiver design we have with up-conversion receiver design much better suppression of image interference.( Dr. Ulrich L.Rohde N1UL,DJ2LR-  QEX), that the importance of good second -order IMD performance can be in Europe more important than the third-order IMD product.!!! (  A typical 49m broadcast signals mix with signals near 8MHz generating ghost broadcast signals)

The down-conversion receiver may not perform on 14,10 and 7MHz as well as on other bands because of images.

The up-conversion receiver moves the image range into the VHF which a 30MHz low pass front end filter easily removes ! 

In the past in up-conversion receiver design VHF crystal filters weren,t available in the narrow widths and with the steep skirts that enabled the high dynamic range up-converting transceivers. The big change is the use of narrower roofing filter to bring the up-conversion rig to current standars for top IMD3 performing transceiver. Such narrow filter are now possible in the 50 to 75MHz range to fit the up-converting architecture

Most mid range radios have roofing filters that are to wide for serious contest. My  narrow 1,4kHz CW  and 2,4kHz SSB Roofing  50 Ohm  Filter design  can be  with minor changes used for up conversion receivers  with first  intermediate frequency (IF)  between 50 in 75 MHz  like :

          ICOM IC : 756, 765, 775,7200,7400, 7410, 7600,7700, 7850, 7851, 9100

          Kenwood  TS: 450, 480, 850, 870, 950, 2000

          Yaesu  FT :  450,847, 897, 920,950,991, 1000D, 1000MP,  2000, 9000

Some tips,how to make your own Roofing filter ( Use Google translate )

I am not responsible for any hardware failure. You made this mods on your own risk.! 

Nekaj nasvetov , kako narediti dober  roofing filter za Up conversion sprejemnike.

Down conversion sprejemniki so imeli pri produktih 3. reda IMD3 in recipročnem mešanju RMDR prednost pred up conversion sprejemniki , ker se nedavno na VHF frekvencah še ni dalo narediti ožjih filtrov od 3kHz.  Inradovi roofing filtri širine 5-6kHz  so bili za CW teknovanja preširoki , ožji NS 2,4kHz filtri, ki jih je za FT 2000 in FT 950 prodajal  Jeff AC0C pa so bili dražji od 300€.. 

Up conversion sprejemniki pa imajo zlasti v Evropi prednost , ker so bolj odporni na produkte 2. reda IMD2 ( f1+f2 , 2x f1- f2,..... na primer 7,1MHz +7,2MHz =14,3MHz  ali pa  2 x 11,95MHz - 9,7MHz = 14,2MHz ) -  črički ( birdies and spurs) zaradi broadcasting postaj , ki jih pa Rob Sherwood ne testira.

V spodnjem diagramu je jasno vidno, da so broadcasting signali,ki so vzrok motenj  bistveno močnejši od amaterskih postaj. Zato so down conversion in SDR sprejemniki na frekvencah med 7 in 15 Mhz lahko bolj občutljivi na motnje  od sprejemnikov s prvo medfrekvenco nekje med 60 in 70Mhz.

Slika 1: Jakost broadcasting postaj v dBm med 7 in 15MHz merjena na mojih antenah 

 Zato sem se odločil, da poiščem kvalitetnega  proizvajalca kristalov ,da izboljšam IMD3 ter RMDR in  sam naredim poceni  CW roofing filter 1,4 kHz,ki je primerljiv z filtrom proizvajalca  ICOM za IC 7851.  https://www.strictlyham.com.au/icom-ic-7851. 

Za izdelavo kvalitetnega roofing filtra za VHF področje  podajam nekaj nasvetov.

Poiščite kvalitetnega proizvajalca kristalov ter pri njem  naročite kristale z pribljižno sledečimi karakteristikami.;

Kristal za 3. overtonsko frekvenco npr 70 455 kHz ( primer FT 1000MP)

Kristal naj ima za SSB širino filtra 2,4kHz serijsko resonanco okrog 1000 Hz višjo Fs = 70 456 kHz

Kristal naj ima za CW širino filtra 1,4kHz serijsko resonanco okrog  1400 Hz višjo  Fs = 70 456,4kHz

kapacitvnost C0 manjša od 4pF

Upornost Rs manjša od 16 Ohm

kapacitivnost Cm= manjše od 1,5 If

toleranca manjša od +/-5 ppm

Priporočam ohišje HC 49/u

Za izdelavo roofing filtra ne potrebujete več kot 4  kose  kristalov.

Nekaj EU dobaviteljev kristalov :

www.omig.com

www.andyquarz.de

www.pupin.rs

www.krystaly.cz

Slika 2:  Primer izbire kristala za  CW filter FT 1000MP  frekvence  70.455  ( 70456,4) kHz proizvajalca Krystaly 

Program za izračun : Crystal Ladder Filter Calculator " DISHAL" by Horst  DJ6EV http://warc.org.uk/wp-content/uploads/2014/01/eDishalHelp-1.pdf

Za izračun CW filtra uporabite  tip  filtra  Butterworth za izračun SSB filtra pa  tip Chebyshev.

S spreminjajem B3dB parametra in PB ripple parametra  v programu Dishal se poskušajte čimbolj približati impedanci filtra 50 Ohm. V primeru,da konstruirate filter za drugačno impedanco ga morate

impedančno prilagoditi!

Na vhodu filtra obvezno predvidite  diplexer,ki prilagodi impedanco filtra v širokem območju na  izhod mešalnika. Uporabite diplexer calculator ( Bridged Tee) 

Kvaliteta Q na frekvencah 50 -70 MHz naj bo  1-3

https://www.changpuak.ch/electronics/calc_16a.php

V postaje vgrajeni originalni filtri so običajno prilagojeni na impedanco 50 Ohmov zato je primerno izdelati 50 Ohmski roofing filter in ga z obstoječim filtrom vezati v kaskado. Tako pridobimo tudi večje končno dušenje celotne verige filtrov.Prvemu kristalu je paralelno vezana induktivnost s katero kompenziramo Cp in s tem izboljšamo simetrijo filtra.

Zaradi dušenja filtra okrog 8dB v prepustnem pasu sem na izhodu dodal nizkošumni ojačevalnik z veliko dinamiko PGA103+, ki se mu z attenuatorjem prilagodi ojačenje tako, da celotna veriga nima večjega ojačenja od 1, sicer lahko pokvarimo IMD3 !!!

Slika 3: Primer - Shema roofing filtra za frekvenco 68,330 kHz (  FT 897D, FT 857.. )

  Slika 4: Primer PCB tiskanine

Po vgradnji boste v primeru, da lahko preklopite med različnimi roofing  filtri,kot je to npr . primer v postaji FT 2000( 15 kHz, 6 kHz, 3 kHz)  pri vključenem novem roofing filtru zaznali bistveno manjši šum,

kar je normalno !!!!

Karakteristiko filtra najlaže izmerite z VNA mostičem. Na spodnjih slikah   podajam primer izmerjenega  2,1 kHz SSB filtra. za FT 2000   izmerjeno z NanoVNA .

  Slika 5: Karakteristika 2,1kHz roofing filtra ( Logmax, SWR, Smith )

  span 15kHz 

 Slika 6:  2,1KHz  SSB filter  prenosna karakteristika na - 6 dB / 2,1kHz 

(   NanoVNA WebUSB Client - v1,4 android  10  )

Slika 7 : 2, 1kHz SSB filter prenosna karakteristika na - 65 dB / 10,5 kHz 

(  NanoVNA WebUSB Client - v1.4 android  10 ) 

Nekaj nasvetov,kako z NanoVNA merimo kristalni filter : 

https://www.youtube.com/watch?v=3uRA1p6OotA

Kako lahko sami izmerimo parametre kristalov :

https://www.youtube.com/watch?v=G9zZRNzhsEE

https://www.youtube.com/watch?v=rVIHVi-7brs

Kako simuliramo filter :

https://www.youtube.com/watch?v=Y0_H8e4QTy8

Načrt celotnega vezja je objavljen na mojem blogu :  YAESU FT 950 SSB 2,4kHz roofing filter.

Opomba:  Vgradnja v postajo na lastno odgovornost. Priporočam le izkušenim z tehniškim znanjem. Za eventuelne napake ne odgovarjam. 

FT 920 diplexer

To  improve  impedance mismatch between the first mixer and roofing filter  a diplexer has been added to properly terminate the roofing filter. The diplexer terminates the output impedance of the mixer to the input impedance of the roofing filter in a wide frequency range. 

Picture 1

I decided to insert a SMD diplexer at the input of Inrad roofing filter.  The added SMD diplexer was built  near  roofing filter. 

Picture 2

Warning !!!  You made this mods on your own risk. I am not responsible for any hardware failure.This modification requires a some soldering skill, possibly beyond that normally possessed by the average HAM. Professional assistance is advised if you are not confident that you have  this ability.

FT 897D( FT 857D) Roofing filter ( Slovenian language)

»Roofing« ali krovni  filter za FT897D ( FT 857D)

1.Uvod

Že nekaj let uporabljam za  delo na morju ali dopustu postajo FT897 D ki jo uporabljam tako na KV kot tudi na UKV. Postaja je zelo primerna za prenašanje zato  sem si izdelal poseben kovček, kjer imam spravljeno postajo z vsemi dodatki. Vgrajene imam 500 in 300Hz CW filtra sam pa se dodal še NF filter z  MAX 295 kot sem ga  že opisal v CQ ZRS junija 2000. Vgrajen 200HZ  CW DSP v postaji je namreč za moje pojme preozek. Kasneje sem si vgradil še vmesnik za priključitev USB SDR ključka tako, da imam možnost priključitve  panoramskega adapterja  ter »CW  Skimmerja«.

Zadnje leto sta se na tržišču pojavili dve zanimivi postaji IC7300 in FT991 zato sem začel razmišljati, da svoj FT 897D prodam in zamenjam z novejšo postajo. Ko sem obe ti postaji dobro pregledal in IC7300 tudi poslušal sem ugotovil, da razen »šminke« mojemu staremu FT 897D  ne manjka čisto nič.!!  IC 7300 sem takoj izločil iz  izbire ,ker nima 2m in 0,7m območja. FT991 pa  je zaradi precej večjega  faznega šuma na oddaji kot FT 897D na UKV območju lahko problematična Tudi na sprejemu predvidevam da se zaradi faznega šuma in s tem povezanega  »recipročnega mešanja« lahko celo  slabše obnaša od FT897D.  Novejši postaji so zaradi panoramskih prikazovalnikov sicer bolj všečni ampak ker danes prav vsi ob postaji uporabljamo tudi PC računalnik to nadomestimo z boljšo grafiko kot npr. s programom  HDSDR in USB SDR ključkom,ki ga na E-Bay-u dobimo že za ceno 10€.

Ne nazadnje  tudi po  primerjanju cen sem ugotovil  , da nima smisla kupovati nove prenosne postaje ,ker lahko sam dogradim nekaj malenkosti tako, da bo lahko FT897D tudi zaradi argonomije celo boljši  za uporabo v tekmovanjih kot omenjeni novejši postaji.  Za delo v tekmovanjih pa je za  izboljšanje lastnosti sprejemnika smiselno popraviti samo obstoječi »Roofing filter«.

2. »Roofing« ali krovni filter.

»Roofing filter« omenjamo največkrat v povezavi s  klasičnimi »Up conversion« sprejemniki ki imajo prvo medfrekvenco nekje v območju 40 do 70Mhz. Naloga »Roofing filtra«, ki naj bo  čim bližje vhodu sprejemnika ni zagotavljanje selektivnosti pač pa zaščita stopenj za prvim mešalnikom.Ozek »Roofing filter«  pri postajah z visoko prvo medfrekvenco   pomaga predvsem drugemu mešalniku s tem, da odstrani  signale, ki so odddaljeni v eč kot 2-3  kHz od sprejemne frekvence.  Širina tega filtra se običajno izbere tako, da zadovolji vse vrste dela tako CW, SSB kot tudi FM. Ker komercialni sprejemniki  pokrivajo tudi FM in AM so običajno  »Up convesion« poceni dvopolni  »Roofing filtri » široki od 12 do 15 khz. . Pravilo je, da je « Roofing filter« nekaj širši, kot kristalni  ali DSP filter  ki zagotavljajo selektivnost in so vključeni  v verigi sprejemnika  na nižjih frekvencah nekje med 450kHz in 9MHz.

Večina amaterjev pa uporablja sprejemnike  samo SSB in CW za kar pa potrebujemo ožji  »Roofing filter«. Napraviti ozek kvaliteten  filter na  frekvencah nad 40Mhz  je veliko težje in dražje kot npr. na 9 Mhz  zato so zlasti po testih Roba Sherwooda proizvajalci pričeli izdelovati sprejemnike z nizko prvo medfrekvenco, kjer se da izdelati poceni kvaliteten filter . Pri tem pa se pojavijo druge težave, ki niso predmet tega članka.

FT897D( FT 857D)  je klasičen primer  »Up conversion«  postaje s prvo medfrekvenco na 68,330Mhz in z preprostim 2 polnim » Roofing filtrom «, ki  je širok več kot 12 Khz ker je postaja namenjena  za delo tudi v FM modu. Sam  uporabljam postajo na KV  pretežno na CW-ju,  v UKV tekmovanjih pa tudi na SSB-ju zato mi FM ni potreben. Zato sem se odločil , da naredim nekaj podobnega ,kot je naredil  Jeff AC0C s sicer dragim 300$ »Roofingom« kjer je tako pri postaji FT2000 bistveno izboljšal »Close In IMDDR« na 2Khz.

Moj cilj je bil  izdelati »roofing filter« širine okrog 3 kHz  tako,da pokrijem  tako CW kot SSB na račun izgube FM-ja.

3. Konstrukcija filtra.

Filter je izdelan kot  lestvičasti  Cohn-ov filter 4 reda iz   kristalov ,ki nihajo na 3.overtonu. Cohn-ov filter je za razliko od Chebishev ali Butherworth filtra bolj preprosto izdelati saj  so vse kapacitivnosti enake (3). V mojem primeru sem izbiral primerne SMD kapacitivnosti v območju med 27 in 47pf. Z večanjem kapacitivnosti ožimo propustno krivuljo in obratno. Paziti pa moramo,ker se nam s stem spreminja impedanca filtra. 

Kristale  po specifikaciji sem  naročil pri firmi Krystaly-Hradec Kralove na Češkem po ceni 6€ kos + poštnina 6€. (2)  Pred naročilom priporočam, da se prebere odličen članek Dr. Matjaža Vidmarja S53MV-  Kako naročiti kremenčev kristal (6) 

Pri naročilu je treba definirati  parametre kristala kot je frekvenca 68 330Mhz,   , tip ohišja, točnost frekvence v ppm,  zaporedno ali serijsko upornost Rs in  kapacitivnost elektrod C0. V mojem primeru sem naročil  4 kose   kristalov ohišju HC-49/u  ki nihajo na 3. overtonu in  frekvenci 68 330Mhz ; s parametri:  5ppm   Rs 20 Ohm  in  C0 4,3pF.  S pomočjo programa AADE(1) sem nato  modeliral filter z vnesenimi parametri.

                          Slika 1 Shema in simulacija »Roofing filtra« s programom AADE 

                        Slika 2 izračunana frekvenčna  karakteristika »Roofing filtra«

Filter sem realiziral na  tiskanini 25 X35 mm , ki sem jo potem vgradil v prazen prostor na desni strani ohišja ,kjer je napajalni  konektor.

Ker ima filter v prepustnem pasu cca 6-7 dB, diplexer pa nekaj manj kot 1dB dušenja sem sem dodal še MMIC niskošumni ojačevalnik  s šumnim številom 0,6dB na 50Mhz z SPF5189 z  IP3 out v rangu +39dBm. V primeru, da bi  naročil bolj kvalitetne kristale z manjšo serijsko upornostjo Rs bi lahko zmanjšal dušenje filtra in ga vključil v sprejemnik tudi brez ojačevalnika. Za boljšo prilagoditev mešalnika v širokem frekvenčnem območju sem   pred  »Roofing fiter« dodal še  »diplekser »izračunan na frekvenco 68,330 Mhz (4) . Ker je ojačenje nizkošumnega ojačevalnika SPF5189 cca 17  do 18dB je treba na izhodu dodati še »attenuator«, da z prevelikim ojačenjem celo ne pokvarimo  IMD3  kakor je bil  to primer z Inradovim« Roofing filtrom« za FT 1000MP,kjer je imel dodan ojačevalnik cca 3dB preveliko ojačenje.  Zavedati se treba, da za vsak 1dB preveč  ojačenja  lahko lahko poslabša  IMD3  za 3dB.!! Za izboljšanje IMD3 je celo priporočljivo, da pred prvim mešalnikom zmanjšamo nivo za dB ali dva ter potem za enako vrednost  povečamo ojačenje v 2. medfrekvenci za selektivnim filtrom.(8) Vrednosti attenuatorja (upori R3, R4 in R7) na shemi  nisem podal, ker je velikost dušenja filtra v propustnem obsegu odvisna od tega, kako kvalitetne kristale imamo v filtru. Sam sem izmeril, da potrebujem na izhodu attenuator okrog 10dB. Orientacijske  vrednosti uporov  za dušenje 10,5 dB  so:  R3=R4=27 Ohm in R7=32Ohm. Attenuator si lahko izračunamo s kalkulatorjem na WEB-u (6)  Ojačevanik SPF5189  se napaja z napetostjo 3- 5V zato sem na tiskanino s filtrom dodal mali SMD regulator LM78L05,ki sem ga   priključil na v FT897D vgrajeni  8V regulator Q1014.

Slika 3 Shema  roofing filtra F=68,330Mhz

Filter sem v postaji vključil  za 1. mešalnikom pred  originalnim 15 kHz »Roofingom« slika 4. Ker bo  filter z  overtonski kristali   prepuščal tudi osnovno frekvenco na 22,7766Khz je v serijo še vedno vključen   originalni 15Khz »Roofing filter«  ki nam razen osnovne filtrira  še harmonske frekvence. Filter sem vključil na spodnji strani tiskanine ,kakor je prikazano na sliki 5. Ta poseg ne priporočam začetnikom, ki niso vajeni dela s SMD elementi. Filter je vključen v prazen prostor nad napajalnim konektorjem  slika 6.Postaja FT 857D nima tega prostora zato bo tisti, ki se bo odločil za takšen poseg moral filter zapreti  v malo kovinsko ohišje in vključiti nekje zunaj na zadnji stranici.  Slično lahko ustrezen » Roofing « izdelamo tudi za  kakšno drugo «Up conversion« postajo

Slika 4:  Priključna točka »Roofing filtra«.

Slika 5:   Priključitev filtra na spodnjem delu tiskanine FT897D

Slika 6::  Vgradnja filtra v prazen prostor nad napajalnim konektorjem 

4. Izmerjene karakteristike filtra

Izmerjena karakteristika  filtra z VNA mostičem je prikazana na sliki 7 in se popolnoma sklada s AADE simulacijo na sliki 2. Širina filtra na -3dB je nekaj manj kot  3kHz na -40dB  okoli 12Khz ter na -50dB okoli 20kHz.

Slika 7: Izmerjena karakteristika »Roofing filtra« z VNA mostičem 

Po vgradnji filtra  sem se z SDR sprejemnikom in s pomočjo HDSDR programa priključil na  izhod iz 1. medfrekvence  68.330Mhz  najprej  brez vključenega filtra  Slika 8  in  nato še z vključenim filtrom slika 9 ,kjer se lepo vidi kako nam filter počisti spekter

Slika 8 :Izmerjen izhod iz medfrekvence  brez filtra 

Slika9:  Izmerjen izhod iz medfrekvence z vključenim filtrom

 Slika 10: Izmerjena karakteristika na panoramskem prikazovalniku.

Kot končni ON-LINE test, sem  postajo preizkusil še v CQWW160 CW, kjer so zaradi ozkega frekvenčnega   območja in velikega števila postaj razmere na sprejemu  v kratkovalovnem območju verjetno najbolj ekstremne. Ob prisotnosti na lokalnega QRO hama  na frekvenci s signalom 599+30dB ( -43dBm) sem  brez težav lahko sprejemal signale drugih postaj na oddaljenosti  od  njegove nosilne frekvence na CW že tam nekje od 400 do 500 Hz naprej.

5         Zaključek.

Amaterji velikokrat posegamo po dragih postajah ki jih kupujemo  pod vplivom  rezultatov Close- In- IMDR in NPR  testov Roba Sherwooda, Adama Farsona ali Petra Harda -RadCom. V realnem testu na obsegu pa se izkaže , da tudi v najbolj zahtevnih tekmovanjih kot je CQWW CW160m  tudi poceni manjše postaje  z minimalnimi spremenbami   že zadovoljujejo   tudi v okolju z  izredno močnimi signali. Nekaj podobnega je ugotovila študija, ki jo je za Bavarian Contest Club napisal DK4YJ (7)  Mogoče je včasih bolje izbrati  ergonomično postajo srednjega razreda  kot pa pretiravati s  3 ali celo  5 x dražjo vrhunsko postajo po  Close In IMDR testu. To velja seveda za sprejemnike  na KV območjih ,  medtem ,ko pa je na  2m UKV območju v tekmovanju popolnoma drugačna slika.

Opozorilo: Vsako poseg v postajo opravljate na lastno odgovornost. Za poseg se obrnite na usposobljenega strokovnjaka. Vsak tak poseg namreč izključuje vsako garancijo proizvajalcev.

6. Literatura

1. AADE Filter design: http://www.ke5fx.com/aadeflt.htm

3. Wes Hayward W7ZOI : Designing and Building Simple Crystal Filters

4. Diplexer Calculator: www.changpuak.ch/electronics/calc_16a.php

5. Dr. Matjaž Vidmar S53MV : Kako naročiti kremenčev kristal :

http://lea.hamradio.si/~s53mv/archive/a311.pdf

6. Matching T attenuator calculator :

http://chemandy.com/calculators/matching-t-attenuator-calculator.htm

7.  Close –In Dynamic Range oder: Wie viel Roofing braucht der Contester?

Matthias Jelen, DK4YJ Bavarian Contest Club:

http://www.bavarian-contest-club.de/projects/hardware/Close-In-Dynamic-Range-oder-Wie-viel-Roofing-braucht-der-Contester-;art376,1772
8. J.Robert Sherwood and George B. Heidelman- Present day receivers-some problems and cures. Hamradio december 1977




Dodatek  30.03.2020

Ko je bil članek objavljen nisem imel instrumentarija za  izvedbo meritev. Ker imam
sedaj potrebno opremo generatorjem objavljam rezultate.

Meritev je opravljena na 7MHz , nivo generatorja -6dBm, brez  RF predojačevalnika,
AGC=off , generator FA-2_HF 

Merjeno na  frekvencah  
7050 in 7052 kHz ter 7055kHz
MDS = -129 dBm Predojačevalnik izklopljen
Blocking (+/- 10kHz)= 105dB ( merjeno kot dvig šuma za 3dB)
RMDR(2kHz)= 85dB;  spacing (5kHz)= 94dB
IMD3 (2kHz)=80dB;   spacing (5kHz)= 86dB
IMD2 (14102kHz)=62dB

Po nasvetu Horsta  DJ6EV in s pomočjo njegovega programa Dishal  sem za popravek simetrije filtra paralelno prvenu kristalu paralelno dodal induktivnost 190nH in s tem

bistveno popravil simetrijo filtra. Hvala Horst DJ6EV.


Iz spodnjih rezultatov  se jasno vidi, da so npr. rezultati za IMD3(2kHz)  za 14dB boljši, kot so bili opravljeni Sherwood testi na IMD3(5kHz).Ker uporabljam amatersko opremo dopuščam 1-2 db pogreška.  Žal Rob Sherwood testov na odmiku 2kHz ni opravil. S to predelavo sem se praktično približal kriteriju IMD3(2kHz) =85dB kar tako Rob Sherwood kot Tom W9JI smatrata kot kriterij za  dober sprejemnik.