Anwendungsgerechte LC-Filterschaltungen

In einem Amateurfunkforum wurde vor einiger Zeit nach einer Schaltung für einen Kurzwellenbandpass als Eingangsfilter für einen Empfänger gefragt. Daraufhin wurde eine Schaltung gemäß Bild 1 vorgeschlagen.

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Bild 1: Kapazitiv gekoppelter dreikreisiger Bandpass Bild 2: Frequenzgang des Bandpasses nach Bild 1.

Diese Schaltung ist typisch für eine Vielzahl aktueller Entwicklungen. Der Frequenzverlauf dieses Filters zeigt jedoch, dass dieses Filter stark unsymmetrisch ist mit einer sehr steilen unteren und einer flachen oberen Filterflanke.
Für bestimmte Einsatzzwecke ist ein solches unsymmetrisches Filter ungeeignet. Daher werden hier einige Filterstrukturen gezeigt, die alternative, anwendungsbezogene Eigenschaften aufweisen. Zur besseren Vergleichbarkeit der Eigenschaften sind alle Filter für das 20-m-Band berechnet. Sie sind für ein 50-Ohm-System und zur Anpassung mit einer Reflexionsdämpfung von wenigstens 20 dB ausgelegt. Alle Frequenzgänge sind von 0 35 MHz abgebildet.
Grundsätzlich lassen sich Filterschaltungen aus Spulen und Kondensatoren und den folgenden Elementen zusammensetzen (Bild 3).
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Bild 3: Selektionselemente aus L und C: Parallel- und Serienkreis (oben) und T- bzw. PI-Halbglied

Filteranordnungen mit zunehmender Zahl serieller induktiver Komponenten zur Versteilerung der oberen Filterflanke:
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Bild 4: Bandpass wie Bild 1, Ein- und Auskopplung mittels Spulenanzapfungen Bild 5: Frequenzgang des Bandfilters gemäß Bild 4.
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Bild 6: Bandpassfilter mit resonantem Serienkreis. Ein- und Auskopplung jeweils über kapazitive Spannungsteiler Bild 7: Transmission und Reflexion des Bandpasses gemäß Bild 6
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Bild 8: Bandpassfilter wie Bild 5, jedoch Ein- und Auskopplung an Spulenanzapf Bild 9: Durchlasskurve und Anpassung des Bandpasses nach Bild 7
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Bild 10: Bandpass nach Bild 6; Ankopplung des Serienkreises ebenfalls an Spulenanzapfungen Bild 11: Bandpass nach Bild 8 mit Kopplung über ausschließlich Spulenanzapfungen

Eine ausgewogene Zahl an seriellen kapazitiven und induktiven Elementen zeigt Bild 13
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Bild 13: Bandpass aus PI-Tiefpassgliedern, die über Serienkondensatoren hochpassgekoppelt sind Bild 14: Frequenzgang des nahezu perfekt symmetrischen Filters nach Bild 13.

Anwendung von Polstellen zur Flankenversteilerung oder Unterdrückung schmaler Frequenzbereiche:

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Bild 15: Bauelemente reduziertes Bandpassfilter mit tieffrequenter Polstelle Bild 16: Zweikreisfilter mit zusätzlicher Polstelle im Sperrbereich

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Bild 20: Hochpass ohne und mit einer Polstelle

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Bild 21: Hochpass ohne Polstelle. Bild 22: Hochpass mit Polstelle im Sperrbereich. Die untere Filterflanke ist versteilert.
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Bild 23: Tiefpassfilter ohne und mit einer Polstelle

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Bild 24: Tiefpassfilter ohne Polstelle Bild 25: Frequenzgang des Tiefpassfilters mit einer Polstelle zur Versteilerung der oberen Filterflanke. Die Weitabselektion wird durch die Polstelle reduziert

Zusammengesetzte Bandfilter (in der professionellen Technik häufig angewendet):
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Bild 26: Bandpass aus Serienschaltung von Hoch- und Tiefpass Bild 27: Frequenzgang der Hochpass/Tiefpass-Kombination nach Bild 25

Zusammengesetzte Filterschaltung mit Polstelle:
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Bild 28: Bandpass aus kapazitiv gekoppeltem Zweikreisfilter mit anschließendem Tiefpass Bild 29: Frequenzgang der Bandpass-Tiefpass-Kombination nach Bild 27

Unter anderen gibt es noch eine Filterkonfiguration, die ein nahezu symmetrisches Filter ergibt, aber im Vergleich zur Schaltung in Bild 13 einfach abgeglichen werden kann. Das kann ducrh Abgleichspulen oder durch Trimmer an Stelle der Serienkondensatoren erfolgen.
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Bild 30: Bandpass aus Serienkreisen in Ladderstruktur Bild 31: Frequenzgang der Bandpass-Tiefpass-Kombination nach Bild 30

Individuelle Filter mit unterschiedlich steilen Flanken und Bandbreiten können mit den beispielhaft vorgestellten Elementen nahezu beliebig zusammengesetzt werden.

Alle Filter lassen sich mit Schaltungssimulation perfekt und präzise entwerfen und überprüfen. Zur praktischen Anwendung in einer Gesamtschaltung ist auf die korrekte Schnittstellenimpedanz und die Anpassung zu achten. Die Reflexionsdämpfung sollte in einem Empfangssystem besser als 15 dB, in einem Leistungszug besser als 20 dB sein.