λ/4 Topffilter für 868 MHz

Ein λ/4 Topffilter ist ein koaxialer Resonator. Er besteht aus:

• einem zylindrischen Außenleiter (Rohr)
• einem zentralen Innenleiter (Stab)
• einem kurzgeschlossenen Ende (Boden)
• einem offenen Ende mit kapazitiver Verstimmung (Abstimmschraube)

Die elektrische Länge entspricht etwa einer Viertelwellenlänge (λ/4). Am kurzgeschlossenen Ende liegt ein Strommaximum (H-Feld stark), am offenen Ende ein Spannungsmaximum (E-Feld stark).

Die Einkopplung erfolgt über magnetische Koppelschleifen nahe dem Kurzschluss. Diese koppeln Energie über das Magnetfeld in den Resonator ein bzw. aus.

Eigenschaften:

• Bandpassverhalten
• hohe Güte (Q)
• schmale Bandbreite
• gute Unterdrückung benachbarter Frequenzen

Typische Werte für einen selbstgebauten Topf bei 868 MHz:

• Durchgangsdämpfung (S21): ca. 0,5 … 1 dB
• Rückflussdämpfung (S11): ca. -10 … -20 dB
• Güte: hoch, abhängig von Material und Aufbau
• Sperrdämpfung (einzelner Topf):
  • ca. 15 … 25 dB bei benachbarten Mobilfunkbändern

Beispiel gemessene Werte dieses Aufbaus:

• S21: -0,55 dB
• S11: -18,5 dB
• Impedanz: ~61 Ω
• Sperrdämpfung:
  • 821 MHz: ca. -20 dB
  • 925 MHz: ca. -23 dB

Hinweis:

Ein einzelner Topf ist ein Kompromiss zwischen:

• Anpassung
• Durchgangsdämpfung
• Selektivität

Für höhere Sperrdämpfung werden mehrere Töpfe gekoppelt.

Wichtige Maße:

• Rohr:
  • Außendurchmesser: 100 mm
  • Wandstärke: 5 mm
  • Länge: 100 mm
• Innenleiter:
  • Durchmesser: 25 mm
  • Länge: 73 mm
• Abstand Innenleiter zu Deckel: ca. 27 mm
• Koppelschleifen:
  • ca. 20 × 20 mm (messen und ggf. abgleichen)

Das Verhältnis Innen- zu Außendurchmesser liegt bei ca. 3,6 und ist nahe dem Q-Optimum.

• 1x Rohr Messing AD=100 mm, Wandstärke=5 mm, Länge=100 mm
• 1x Stange Messing AD=25 mm, Länge=73 mm
• 1x M10 Mutter Messing
• 1x M10x20 Sechskantschraube
• 2x N-Flanschbuchse

Zeichnungen, Freecad und DXF

Der Aufbau beginnt mit der mechanischen Bearbeitung des Messingrohrs, das auf die gewünschten Maße gedreht wird. Anschließend werden Boden und Deckel aus Messing gefertigt, typischerweise durch Fräsen. Der Boden wird anschließend sorgfältig und flächig mit dem Rohr verlötet, sodass ein elektrisch sauberer und HF-dichter Kurzschluss entsteht.

Der Deckel erhält eine aufgelötete M10-Mutter, in die später die Abstimmschraube eingeschraubt wird. Danach werden die Öffnungen für die N-Flanschbuchsen in das Rohr eingebracht und die Buchsen mechanisch sowie elektrisch sauber montiert.

Die Koppelschleifen werden aus Kupfer-Installationsdraht mit 1,5 mm² gefertigt. Zur Befestigung am Boden (Masseanschluss) wird eine M2,5-Sechskantmutter an einer Seite leicht abgefeilt, sodass sich Lötzinn gut anheften kann. Der Kupferdraht wird anschließend an diese vorbereitete Fläche angelötet. Die Mutter wird danach mit einer M2,5-Schraube durch den Boden hindurch fest mit dem Gehäuse verschraubt, sodass ein stabiler und niederohmiger Massekontakt entsteht.

Der Draht wird im Inneren des Filters zunächst senkrecht nach oben geführt und anschließend mit einem 90°-Winkel in Richtung des Innenleiters der N-Buchse gebogen. Auf diese Weise entsteht die eigentliche Koppelschleife. Dabei ist auf eine symmetrische und reproduzierbare Geometrie zu achten, da die Schleifen maßgeblich die Kopplung bestimmen.

Der Innenleiter (Mittelstab) wird anschließend montiert und exakt mittig ausgerichtet. Danach wird der Deckel auf das Rohr aufgesetzt und verschraubt. Abschließend wird die M10-Abstimmschraube eingesetzt, mit der die Resonanzfrequenz des Filters eingestellt werden kann.

Besonders wichtig für die Funktion sind saubere elektrische Kontakte, stabile mechanische Verbindungen sowie eine reproduzierbare Montage aller Komponenten.

• Durchführung einer 2-Port-Kalibrierung am VNA
• Anschluss beider Ports an Ein- und Ausgang
• Einstellung der Resonanzfrequenz mit der Abstimmschraube
• Ziel: Resonanz bei 869 MHz

Messgrößen:

• S21 → Durchgangsdämpfung
• S11 / S22 → Anpassung

Typisches Vorgehen:

• Resonanz mit Schraube einstellen
• Koppelschleifen anpassen (Größe / Abstand)
• Ziel:
  • S21 möglichst gering (z. B. ~0,5 dB)
  • S11 möglichst klein (z. B. < -15 dB)
  • gewünschte Sperrdämpfung außerhalb des Bandes

Hinweis:

Stärkere Kopplung verbessert die Anpassung, verschlechtert aber die Selektivität. Schwächere Kopplung erhöht die Sperrdämpfung, verschlechtert jedoch die Anpassung.

Die elektrische Länge eines Lambda/4-Resonators ergibt sich aus:

f = c / λ

mit:

• f = Frequenz
• c = Lichtgeschwindigkeit (~300.000.000 m/s)
• λ = Wellenlänge

Für einen Viertelwellenresonator:

L ≈ λ / 4

Für 869 MHz ergibt sich:

λ ≈ 345 mm
λ/4 ≈ 86 mm

In der Praxis ist die physikalische Länge kürzer, da am offenen Ende eine kapazitive Endkorrektur wirkt:

L_real ≈ 0,85 … 0,95 × λ/4

Für diesen Aufbau ergibt sich:

Innenleiterlänge ≈ 70 … 75 mm

Gemessen wurde ein optimaler Wert von:

L = 73 mm

• Schleifen zu klein → zu schwache Kopplung
• Schleifen falsch ausgerichtet
• schlechter Massekontakt (Boden oder Innenleiter)
• Deckel nicht sauber leitend verbunden

• Innenleiter zu lang → Frequenz zu niedrig
• Innenleiter zu kurz → Frequenz zu hoch
• Abstimmschraube beeinflusst Frequenz stark

• Schleifen zu klein → Impedanz zu hoch (z. B. 70…200 Ω)
• Schleifen zu groß → Impedanz zu niedrig (<50 Ω)
• asymmetrische Schleifen

• schlechte Kontakte (Deckel, Boden, Innenleiter)
• oxidierte Oberflächen
• zu starke Kopplung (Resonator überlastet)
• mechanische Ungenauigkeiten

• Kopplung zu stark → Band zu breit
• nur ein Resonator → begrenzte Selektivität
• direkte Kopplung zwischen Ein- und Ausgang

• Anpassung und Selektivität sind ein Kompromiss
• optimale Impedanz liegt oft nicht exakt bei 50 Ω sondern höher (meist 60 bis 70 Ohm) weil für optimal steile Flanken leichte Unterkopplung sinnvoll sein kann
• mechanische Reproduzierbarkeit ist entscheidend
• kleine Änderungen (1 mm) haben große Wirkung

Praxisregel:

• größere Schleife → stärkere Kopplung → kleinere Impedanz
• kleinere Schleife → schwächere Kopplung → größere Impedanz